Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Doi: 10.15625/vap.2021.0113

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SWAT VÀ
THUẬT TỐN SUFI-2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ MƠ HÌNH
VÀ MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY NGỒI LÃNH THỔ VÀO
VIỆT NAM TRÊN SÔNG ĐÀ SỬ DỤNG CÁC NGUỒN DỮ
LIỆU MỞ TOÀN CẦU
Nguyễn Anh Đức, Trần Bảo Chung, Hoàng Thị An, Trần Anh Phương
Viện Khoa học tài nguyên nước - Bộ Tài ngun và Mơi trường

Tóm tắt
Để quản lý, đánh giá và mơ phỏng lưu lượng dịng chảy thì việc nghiên
cứu tài ngun nước ở quy mơ lưu vực là phương pháp tiếp cận phù hợp và
tối ưu. Nghiên cứu này được thực hiện mơ phỏng dịng chảy trên lưu vực
Sông Đà bắt nguồn từ vùng Ngụy Sơn, tỉnh Vân Nam Trung Quốc, vào Việt
Nam, bằng Công cụ đánh giá đất và nước (Soil and Water Assessment Tool
- SWAT) tích hợp với cơng nghệ GIS, qua đó tìm hiểu quá trình diễn ra thủy
văn trên lưu vực. Nghiên cứu đã tiến hành thu thập, biên tập cơ sở dữ liệu
bao gồm: địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng và dữ liệu thời tiết theo định
dạng chuẩn của SWAT trên nền ArcGIS. Tiếp theo, sử dụng ArcSwat chạy
trên nền ArcGIS thực hiện quá trình phân chia lưu vực thành các tiểu lưu
vực. Các thơng số của mơ hình được hiệu chỉnh thơng qua phần mềm
SWAT-CUP với thuật tốn SUFI-2. Thời gian hiệu chỉnh được chọn từ năm
1993 đến 1998, thời gian kiểm định 1999 đến 2004. Kết quả hiệu chỉnh và
kiểm định mơ hình với hệ số xác định R2: 0,59 và 0,65, chỉ số Nash-Sutcliffe
0,55 và 0,65 tại trạm Mường Tè. Kết quả này cho thấy nếu mô hình SWAT
được hiệu chỉnh tốt sẽ hỗ trợ cho việc đánh giá lưu lượng nước trên lưu vực.
Từ khóa: Mơ hình mưa - dịng chảy, SWAT, SUFI-2, SWAT-CUP,

ngồi lãnh thổ, mưa vệ tinh CFSR.
1. Giới thiệu
Sông Đà là chi lưu lớn nhất của Sông Hồng, bắt nguồn từ dãy Ngụy Sơn
thuộc tỉnh Vân Nam Trung Quốc chảy vào Việt Nam theo hướng Tây Bắc Đơng Nam. Sơng Đà có diện tích lưu vực 52.900 km2 trong đó phần thượng
lưu sơng (chiếm 49,4 % diện tích lưu vực) thuộc lãnh thổ Trung Quốc và
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

51


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

phần trung và hạ lưu sông (chiếm 50,6 %) thuộc lãnh thổ Việt Nam. Với
tiềm năng thuỷ điện lớn và nguồn nước dồi dào, Sơng Đà đóng vai trị quan
trọng đối với an ninh nguồn nước và năng lượng của Việt Nam nói chung và
các địa phương trên lưu vực Sơng Hồng nói riêng. Đồng thời, do độ dốc
lịng sơng lớn, lượng nước tập trung chủ yếu vào mùa lũ, việc dự báo và
kiểm sốt lũ trên lưu vực Sơng Đà là nhiệm vụ hết sức quan trọng góp phần
bảo vệ an tồn cho Hà Nội và các tỉnh hạ lưu Sơng Hồng. Vì vậy, việc quản
lý tài nguyên nước hiệu quả trên tồn lưu vực Sơng Đà đảm bảo đồng thời
các nhiệm vụ cấp nước, phát điện và phòng lũ là một yêu cầu cấp thiết. Tuy
nhiên, công tác này hiện gặp rất nhiều khó khăn do thiếu các thơng tin dự
báo, cảnh báo nguồn nước từ phần lưu vực ngoài lãnh thổ vào Việt Nam. Do
đó, việc xây dựng mơ hình mơ phỏng dịng chảy trên lãnh thổ Trung Quốc
vào Việt Nam là nhiệm vụ cần thiết và quan trọng.
Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc mơ phỏng dịng chảy
ngồi lãnh thổ trên các lưu vực sơng xun biên giới là thiếu các thơng tin
khí tượng đầu vào. Để giải quyết vấn đề này các nghiên cứu thường sử dụng
các nguồn số liệu toàn cầu hoặc khu vực. Chẳng hạn, số liệu mưa vệ tinh

toàn cầu của nhiệm vụ đo mưa vùng nhiệt đới TRMM
( [1], của cơ quan vũ trụ Nhật Bản
GSMap ( [2], của cơ quan vũ trụ Mỹ
( [3], số liệu tái phân tích CFSR
() [4] hoặc số liệu mưa khu vực như CMADS
( [5] cho khu vực Đơng Á, số liệu khí tượng cho bán
đảo Tây Ban Nha ( [6]. Các nguồn số liệu
mở này đã giúp cho việc mơ phỏng, tính tốn dịng chảy trên các lưu vực
sơng khơng có số liệu khí tượng đầu vào trở nên khả thi và đã được sử dụng
trong nhiều nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng
các nguồn số liệu toàn cầu hoặc khu vực này ở Việt Nam còn tương đối hạn
chế. Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng các nguồn số liệu
này làm đầu vào cho mơ hình thuỷ văn là một vấn đề cấp bách.
Trong số các mơ hình mơ phỏng q trình mưa - dịng chảy trên lưu
vực, mơ hình SWAT là một trong những mơ hình được sử dụng rộng rãi
trong và ngồi nước do đây là mơ hình có khả năng mơ phỏng tương đối đầy
đủ các quá trình thuỷ văn trên lưu vực với yêu cầu số liệu không quá phức
tạp, có thể đáp ứng được trong điều kiện số liệu hiện nay.
52

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Đặc biệt, mơ hình có thêm cơng cụ cho phép tự động hiệu chỉnh, xác
định các tham số mơ hình và độ bất định của chúng sử dụng các thuật toán
tối ưu, giúp giảm đáng kể thời gian tính tốn của mơ hình và xác định các
tham số mơ hình chính xác hơn. Một số đề tài nghiên cứu trong và ngoài

nước thực hiện ứng dụng mơ hình SWAT như: Ứng dụng mơ hình SWAT
với dữ liệu CMADS để ước tính các yếu tố thủy văn và độ không chắc chắn
của tham số dựa trên thuật tốn SUFI-2 ở lưu vực Sơng Lệ Giang, Trung
Quốc [7]. Ở nghiên cứu này tác giả sử dụng bộ dữ liệu khí tượng Trung
Quốc cho mơ hình cơng cụ đánh giá đất và nước (CMADS) đã được áp
dụng rộng rãi trong những năm gần đây vì độ chính xác của chúng. Kết quả
cho thấy mơ hình hoạt động tốt cho việc dự đốn dịng chảy trong giai đoạn
hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình phỏng dịng chảy quy mô hàng ngày và
hàng tháng cao cho lưu vực Sông Lệ Giang.
Tuy nhiên, mặt hạn chế của bộ dữ liệu CMADS chỉ áp dụng được với vị
trí địa lý khu vực Đông Á. [8] Đánh giá so sánh về hiệu suất của dữ liệu
CMADS và CFRS để lập mơ hình thủy văn sử dụng SWAT ở lưu vực Sơng
Muda, Malaysia. Trong nghiên cứu này NCEP-CFSR và CMADS có khả
năng tốt được sử dụng để lập mơ hình thủy văn ở các lưu vực sông không
được đo lường hoặc đo lường kém. Nghiên cứu này so sánh độ tin cậy của
NCEP-CFSR và CMADS được cung cấp miễn phí trên trang web SWAT
trong việc mơ phỏng dịng chảy trong lưu vực sơng nhiệt đới nằm ở phía
đơng bắc bán đảo Malaysia. Đánh giá được chia thành các khía cạnh khí hậu
và thủy văn từ năm 2008 đến năm 2014. Nhìn chung, CMADS hoạt động tốt
hơn NCEP-CFSR trong ước tính các biến số khí hậu hàng ngày và hàng
tháng. NCEP-CFSR đã đánh giá quá cao lượng mưa hàng ngày, trong khi
đánh giá thấp hơn đối với CMADS. Sự khác biệt giữa quan sát được và
NCEP-CFSR hoặc CMADS trong ước tính nhiệt độ là khoảng 2 °C. Cả hai
sản phẩm CMADS và NCEP-CFSR đều có xu hướng đánh giá thấp nhiệt độ
tối đa hàng ngày lần lượt là 4,25 và 5,01 %. [9] Ứng dụng bộ dữ liệu
CMADS cho mơ hình SWAT lưu vực Sông Heihe Trung Quốc. Nghiên cứu
sử dụng bộ dữ liệu CMADS, TWS và CFSR đánh giá hiệu suất của 3 bộ để
mơ phỏng dịng chảy trong lưu vực Sông Heihe. Kết quả cho thấy CFSR
đánh giá quá cao lượng mưa đặc biệt là vào mùa hè nhưng đánh giá thấp
lượng mưa hàng năm. CMADS được đánh giá cao vì được chỉnh sửa thơng

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUN NƯỚC

53


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

qua các trạm quan sát tự động quốc gia Trung Quốc. Đối với TWS nó khơng
hoạt động tốt ở Trung Quốc.
Trong nước có nghiên cứu: [10] Ứng dụng Gis và mơ hình SWAT mơ
phỏng lưu lượng dịng chảy lưu vực Sơng Sêrêpơk, Việt Nam. Kết quả cho
thấy khả năng ứng dụng mô hình SWAT là tốt để mơ phỏng lưu lượng dịng
chảy trên lưu vực Sông Srepok. Tuy nhiên, nghiên cứu khi so sánh kết quả
mơ phỏng của mơ hình với các giá trị thực đo của trạm Giang Sơn và Đức
Xuyên chưa được tốt bằng trạm Cầu 14 và Buôn Đôn vì các trạm khí tượng
trong lưu vực cách xa trạm Giang Sơn và Đức Xuyên nên các yếu tố về
lượng mưa và nhiệt độ chưa đặc trưng cho việc mô phỏng lưu vực này. [11]
Ứng dụng mơ hình SWAT và cơng nghệ GIS đánh giá lưu lượng dịng chảy
trên lưu vực Sơng Đắk Bla mơ hình cho kết quả tốt đối với lưu lượng dịng
chảy trung bình tháng.
Thuật tốn tối ưu hóa SUFI-2 tích hợp trong giao diện SWAT-CUP
được sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình. Các giá trị tối ưu của từng thơng số
mơ hình đã được mơ tả một cách rõ ràng. Quá trình đánh giá hiệu quả của
mơ hình đã được thực hiện thành cơng với hai chỉ số thống kê là R2 và
NSE. Cụ thể, so sánh giá trị dịng chảy quan trắc và mơ phỏng tại trạm Kon
Tum cho thấy chỉ số NSE và hệ số R² đều cao hơn 0,7 trong cả hai thời kì
hiệu chỉnh và kiểm định. Nghiên cứu đã chứng minh khả năng ứng dụng
GIS xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào cần thiết cho quá trình thiết lập, chạy
các mơ hình thủy văn, đặc biệt là đối với những mơ hình phân phối liên tục.

Đồng thời, cũng đã cho thấy khả năng ứng dụng mơ hình SWAT trong mơ
phỏng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực đồi núi như lưu vực Đắk Bla.
Hiện tại trong nước chưa có nhiều nghiên cứu thiết lập mơ hình mơ
phỏng q trình mưa - dịng chảy cho phần ngồi lãnh thổ trên lưu vực Sơng
Đà. Do tính ưu việt của mơ hình SWAT, nghiên cứu này sẽ xem xét thiết lập
mơ hình SWAT để mơ phỏng q trình dịng chảy cho phần ngồi lãnh thổ
này đến trạm Mường Tè (Hình 1).
Nguồn dữ liệu khí tượng tái phân tích CFSR của Trung tâm Dự báo môi
trường Quốc gia Hoa Kỳ (NCEP) được sử dụng làm đầu vào cho mơ hình.
Các thơng tin về mặt đệm bao gồm bản đồ sử dụng đất, bản đồ đất và bản đồ
địa hình cũng được lấy từ các nguồn dữ liệu mở toàn cầu. Đồng thời để ước
lượng tham số của mơ hình và đánh giá ảnh hưởng của độ bất định của tham
54

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

số mô hình đến kết quả mơ phỏng dịng chảy, nghiên cứu sử dụng thuật tốn
SUFI 2. Sau khi mơ hình được hiệu chỉnh và kiểm định, chúng tôi sẽ đánh
giá sự biến đổi theo không gian và thời gian của tổng dòng chảy trên lưu
vực cũng như các dòng chảy thành phần mơ phỏng bởi mơ hình SWAT.
2. Đặc điểm khu vực nghiên cứu

Hình 1. Bản đồ lưu vực Sơng Đà

Lưu vực Sông Đà bắt nguồn từ dãy Nguy Sơn thuộc tỉnh Vân Nam,
Trung Quốc chảy vào Việt Nam theo hướng Tây Bắc - Đông Nam ở độ cao

trên 1500 m sau đó ngoặt sang hướng Đơng ở Pa Vinh, khi tới thị xã Hịa
Bình sơng chảy theo hướng Bắc đổ vào Sơng Hồng ở Trung Hà, trên thành
phố Việt Trì 12 km và cách cửa Sông Hồng 235 km. Sông Đà có diện tích
lưu vực 52.900 km2 trong đó 49,4 % thuộc phần lãnh thổ Trung Quốc gồm
phần thượng lưu sơng, chiều dài dịng chính là 980 km (phần lãnh thổ Trung
Quốc dài 440 km). Lưu vực Sơng Đà có dạng hình thn dài chạy dọc theo
hướng Tây Bắc - Đông Nam, kéo dài từ 20040’ đến 25000’ độ vĩ Bắc và từ
100022’ đến 105024’ độ kinh Đông với chiều dài lưu vực 690 km và chiều
rộng bình quân lưu vực 76 km. Độ dốc bình qn lịng sơng trung bình
0,41 ‰, trong đó độ dốc lịng sơng thuộc lãnh thổ Trung Quốc là 2,54 ‰.
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

55


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Đặc điểm địa hình lưu vực Sơng Đà địa phận Trung Quốc biến đổi khá
phức tạp, đặc điểm nổi bật của lưu vực Sơng Đà thượng nguồn là các dạng
địa hình núi cao chủ yếu là các dãy núi ở độ cao trên 1000 m. Đường sống
núi hẹp, có đỉnh cao nhất đạt tới 3076 m, chủ yếu cấu tạo bởi granit, ven rìa
xen đá phiến và đá vơi.
Về khí hậu, lưu vực thượng nguồn Sơng Đà khí hậu nhiệt đới, gió mùa
vùng núi, với hai mùa rõ rệt. Mùa đông lạnh, suốt mùa đơng duy trì một tình
trạng hanh khơ điển hình, có sương muối và ít mưa (mùa khơ) trùng với mùa
gió Đơng Bắc, kéo dài từ tháng 11 - 3. Mùa hè trùng với mùa gió Tây Nam,
nóng có gió tây khơ nóng và nhiều mưa (mùa mưa), kéo dài từ tháng 5 - 9.
Giữa hai mùa là thời kỳ chuyển tiếp, nền nhiệt ẩm và có tính ơn hồ.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.1. Tổng quan về mơ hình SWAT
SWAT là mơ 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 [12]. Một trong những mơđun
chính của mơ hình này là mơ phỏng dịng chảy từ mưa và các đặc trưng vật
lý trên lưu vực.
Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mơ hình tiền thân như cho
phép mơ hình hóa các lưu vực khơng có mạng lưới quan trắc, mơ phỏng tác
động của thay đổi dữ liệu đầu vào như sử dụng đất, thực hành quản lý đất
đai và khí hậu [13]. 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 mơ phỏng được. Ngồi ra, với khả năng tính tốn hiệu quả,
SWAT có thể mơ 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.

56

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Cuối cùng, SWAT là mơ hình theo thời gian liên tục nên có thể mơ

phỏng tác động lâu dài của sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và sự tích
tụ của các chất ơ nhiễm. SWAT cho phép mơ hình hóa nhiều q 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 khơng có vị trí khơng gian trong q trình mơ phỏng SWAT.
Mơ hình SWAT tổng hợp dịng 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 mơ hình hóa chu trình thủy văn dựa trên
phương trình cân bằng nước sau:

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).
SWAT yêu cầu nhiều lớp dữ liệu đầu vào theo không gian và thời gian.
Để hỗ trợ q trình xử lý, phân tích những dữ liệu này, SWAT sử dụng
những cơng cụ của GIS. Vì vậy, để tạo thuận lợi cho việc sử dụng các mơ
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. [11]


VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

57


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học cơng nghệ trong quản lý tài ngun nước”

Hình 2. Tiến trình thực hiện mơ hình SWAT, SWATCUP
3.2. Cơ sở dữ liệu đầu vào
Nghiên cứu sử dụng 2 loại dữ liệu khí tượng thủy văn: Dữ liệu khí
tượng tồn cầu CFSR theo đường link: [4].
Dữ liệu thực đo về lưu lượng dòng chảy tại trạm Mường Tè từ năm 1993 2010 được sử dụng để so sánh với lưu lượng mơ phỏng.
Địa hình của khu vực nghiên cứu được mơ phỏng bằng mơ hình độ cao
số DEM. DEM ASTER có độ phân giải 30 m do Cơ quan Hàng không và
Không gian Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) phối hợp cùng Bộ Kinh tế, Thương
mại và Công nghiệp (METI) Nhật Bản phát triển theo đường link:
[14]. DEM sử dụng phân chia lưu vực và xác
định hướng dòng chảy từ độ dốc bề mặt lưu vực.
Bản đồ sử dụng đất được khai thác và sử dụng từ dữ liệu miễn phí tại
địa chỉ [15]. Bản đồ có độ phân giải
10 m, sản phẩm được xây dựng bằng hình ảnh về tinh Sentinel-2 của Cơ
quan Vũ trụ châu Âu (ESA). Bản đồ sử dụng đất là một trong những yếu tố
quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy và bốc hơi của lưu vực. Từ
bản đồ Hình 3 trên lưu vực thượng nguồn Sông Đà lãnh thổ Trung Quốc, đất
rừng chiếm 73 % chiếm diện tích đa phần, đất sử dụng cho nông nghiệp
5 %, đất đô thị 4 %, 18 % nước, thực vật ngập nước, đất trống và cây bụi.
58


VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Thổ nhưỡng của lưu vực được sử dụng từ bản đồ đất của tổ chức Nông
lương Thế giới FAO-UNESCO (FAO,1971-1981), cơ sở dữ liệu
Harmaonized World Soil Database (HWSD) định dang raster, độ phân giải
30 arc second gồm 16.000 đơn vị đất khác nhau. Đất trên lưu vực nghiên
cứu chủ yếu là các loại: Ferric Acrisols, Orthic Acrisols, Pellic Vertisols,
Lithosols ( [16]).
Bảng 1. Dữ liệu đầu vào của mơ hình SWAT
Dữ liệu
đầu vào

Số lƣợng/Độ
phân giải

Nguồn dữ liệu

DEM Bản đồ địa
hình

30 m x 30 m

ASTER GDEM (ASTER
Global Digital Elevation
Model)


Bản đồ sử
dụng đất

10 m x 10 m

ESRI 2020 Global Land Cover
Data

Bản đồ
thổ
nhưỡng

30 arc second



Khí tượng
(Mưa,
nhiệt độ
1993 2010)
Số liệu
mưa tháng
trạm
Mường Tè
(1993 2010)

Mục đích
sử dụng

Thiết lập

mơ hình

Độ phân giải:
30 km x 30 km
Trạm: 130
điểm

1 trạm

Hệ thống phân tích, dự báo khí
hậu (Climate Forecast System
Reanalysis - CFSR)

Trung tâm Dự báo khí tượng
thủy văn Quốc gia

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUN NƯỚC

Hiệu chỉnh,
kiểm định
mơ hình

59


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học cơng nghệ trong quản lý tài ngun nước”

60


Hình 3. Bản đồ sử dụng đất

Hình 4. Bản đồ thổ nhưỡng

Hình 5. Bản đồ số độ cao

Hình 6. Bản đồ trạm khí tượng,
thủy văn

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

3.3. Thiết lập mơ hình SWAT
Tiến trình mơ phỏng dịng chảy trên lưu vực Sông Đà - Trung Quốc
được thực hiện thông qua phần mở rộng ArcSWAT cho phiên bản
SWAT2012. Trước tiên, mơ hình SWAT phân chia lưu vực thành 15 tiểu
lưu vực. Sau đó, với việc thiết lập ngưỡng diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng
và độ dốc tương ứng là 10 %, 10 % và 10 %, đã tạo ra 82 HRUs.
Hiệu chỉnh mơ hình nhằm xác định giá trị tối ưu cho bộ thông số thiết
lập bởi người sử dụng. Q trình này có thể được thực hiện thủ cơng hoặc tự
động dựa trên thuật tốn tối ưu hóa. So sánh hai phương pháp hiệu chỉnh
cho thấy hiệu chỉnh tự động giúp tiết kiệm công sức, thời gian xử lý hơn và
có thể giảm thiểu tính khơng chắc chắn vốn đặc trưng của hiệu chỉnh thủ
cơng. Vì vậy, nghiên cứu đã tiến hành hiệu chỉnh mơ hình thơng qua
chương trình hiệu chỉnh tự động SWAT - CUP bằng phương pháp
Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) [17].
3.3.1. Thuật toán SUFI 2

Thuật toán SUFI2 được áp dụng để phân tích độ nhạy của các tham số
trong mơ hình và hiệu chỉnh các tham số đó.
Sự bất định của các tham số được xét đến như: Sự bất định do số liệu
đầu vào (đo đạc ghi chép sai số); Sự bất định do mô hình khái niệm.
Nguyên lý hoạt động SUFI 2 lấy mẫu theo phương pháp Latin
Hypercube [18]. Sau đó sử dụng 95 % kết quả tính tốn (thuộc khoảng từ
2,5 % đến 97,5 % trên đường phân phối tích lũy) để so sánh kết quả thực đo.
3.3.2. Các bước tính tốn SUFI 2
- Xác định hàm mục tiêu: NS, R2, PBIAS;
- Xác định khoảng giá trị nằm trong giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của
tham số;
- Xếp hạng độ nhạy của tham số (được đánh giá trên chỉ số t_stat, chỉ
số này thể hiện sự thay đổi trung bình của hàm mục tiêu (hàm Nash);
- Xác định khoảng giá trị thay đổi của tham số cho vòng lặp đầu tiên
bằng việc lấy mẫu bằng Latin Hypercube. Lấy mẫu bằng Latin Hypercube
bằng cách chia các tham số thành n tổ hợp (n là số lần mô phỏng);
- Xác định trọng số, độ nhạy, độ biến thiên tham số;
- Tính giá trị mơ phỏng (Kết quả mô phỏng và thực đo thể hiện qua R2
(chỉ tiêu sai số quân phương) và khoảng cách trung bình giữa cận trên và
cận dưới của 95 PPU.
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

61


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

-


Từ các khoảng giá trị tốt nhất của vòng trước cập nhật cho vòng sau.

3.3.3. Kết thúc hiệu chỉnh
Sau khi kết thúc hiệu chỉnh, quá trình kiểm định được thực hiện nhằm
đánh giá hiệu quả của mơ hình sử dụng bộ thơng số hiệu chỉnh trong việc
mô phỏng các chức năng thủy văn trên lưu vực với khoảng thời gian độc lập
với giai đoạn hiệu chỉnh.
Q trình hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình được thực hiện bằng cách sử
dụng hệ số xác định R2 và chỉ số hiệu quả Nash- Sutcliffe (NSI) và sai số
phần trăm (PBIAS). Cơng thức tính tốn các hệ số này được thể hiện trong
các phương trình sau đây:

(1)
Trong đó: Oi là giá trị thực đo tại thời điểm i, Otb là giá trị thực đo trung
bình, Pi là giá trị mô phỏng tại thời điểm i và Ptb là giá trị mơ phỏng trung bình.
Bảng 2. Chỉ tiêu đánh giá khả năng của mơ hình thủy văn
(Nguồn: Moriasi, 2007)
Xếp hạng

NSI & R2

PBIAS

Rất tốt

0,75 < NSI & R2 ≤
│PBIAS│ < 10
1,00

Tốt


0,65 < NSI & R2 ≤
10 ≤ │PBIAS│ < 15
0,75

Đạt yêu cầu

0,50 < NSI & R2 ≤
15 ≤ │PBIAS│ < 25
0,65

Không đạt yêu cầu

NSI & R2 ≤ 0,50

62

│PBIAS│ ≥ 25

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

4. Kết quả và thảo luận
SWAT là mơ hình phân bố, phụ thuộc vào sự thay đổi của các biến khác
nhau theo khơng gian và thời gian. Do đó, phân tích độ nhạy là bước quan
trọng để tìm ra thơng số có ảnh hưởng quyết định đến kết quả mô phỏng.
Điều này giúp cho việc hiệu chỉnh mơ hình được thuận tiện hơn bằng cách

chỉ cần quan tâm đến các thông số có độ nhạy cao. Kết quả phân tích độ
nhạy trong nghiên cứu này được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 3. Các thơng số của mơ hình SWAT
Tên thơng số
2:V__ALPHA_BF.gw
18:V__USLE_P.mgt
5:V__ESCO.hru
4:V__GWQMN.gw
10:V__CH_N1.sub
3:V__EPCO.hru
8:V__CH_K2.rte
1:V__CN2.mgt
12:V__CANMX.hru
20:R__ERORGP.hru
21:R__FLD_FR.hru
9:V__SURLAG.bsn
7:V__CH_N2.rte
17:V__HRU_SLP.hru
15:V__SOL_NO3(..).chm
16:V__SLSUBBSN.hru
19:V__ERORGN.hru
14:V__SOL_K(..).sol
6:V__SOL_AWC(..).sol
11:V__BIOMIX.mgt
3:V__GW_DELAY.gw

Xếp
hạng
độ
nhạy

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

Khoảng giá trị
độ nhạy

Khoảng giá trị
tối ƣu

Min


Min

Max

2,25
0
0,11
7553
1,12
0,08
811,3
37
5,77
0
0
10,97
0,066
0,4
113
9
1.83
24
0,13
0,83
188

3,42
1
0,12
7906

1,58
0,2
948,5
38,7
5,9
5
1
12,82
0,087
1,3
123,2
27,7
5
28,7
0,14
0,9
192,5

0
0
0
0
0,01
0
-0,01
35
0
0
0
0,05

-0,01
0
0
10
0
0
0
0
0

Max
5
1
1
9000
30
1
1000
98
100
5
1
24
0,3
1
150
150
5
2000
1

1
500

Giá trị
tối ƣu
3,12
0,95
0,116
7594,18
1,45
0,118
854,7
38,61
5,8
3,58
0,017
11,55
0,0677
1,01
115,89
25,52
4,96
25,49
0,139
0,847
192,42

Có tổng cộng 21 thơng số nhạy với mơ hình mơ phỏng dịng chảy. Sau
khi chạy 500 vịng lặp, SWAT-CUP đã tìm ra được khoảng giá trị tối ưu của
các thông số nhạy cảm với mơ hình. Kết quả phân tích chỉ ra rằng thông số

ALPHA_BF.gw và USLE_P.mgt là 2 thông số nhạy nhất quyết định độ
chính xác của mơ phỏng chu trình thủy văn tiếp theo là các thông số
ESCO.hru, GWQMN.gw, CH_N1.sub...
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

63


Lưu lượng dòng chảy
(m3/s)

Biểu đồ 95PPU giai đoạn
kiểm định (1999-2004)

4…

7…

1…

1…

4…

7…

5000
0

1…


Biểu đồ 95PPU giai đoạn
hiệu chỉnh (1993-1998)
1…

Lưu lượng dòng
chảy (m3/s)

Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài ngun nước”

Qthựcđo

95PPU
Qmơphong

Qthựcđo

95PPU
Qmơphong

Hình 8. Đồ thị 95PUU kiểm định
trạm Mường Tè

5/1/20…

Qsim

9/1/20…


Qobs

1/1/20…

Rain

5/1/20…

30

9/1/20…

0.00

1/1/20…

25
5/1/20…

500.00
9/1/19…

20

1/1/19…

1000.00

5/1/19…


15

9/1/19…

1500.00

1/1/19…

10

5/1/19…

2000.00

9/1/19…

5

1/1/19…

2500.00

5/1/19…

0

9/1/19…

3000.00


1/1/19…

Lưu lượng Q (m3/s)

Hình 7. Đồ thị 95PPU hiệu chỉnh
trạm Mường Tè

5000
0

2500

2500

2000

2000

1500
1000
500

y = 0.7004x + 178.37
R² = 0.6556

0
0

1000


2000

3000

Lưu lượng mô phỏng (m3/s)

Lưu lượng thực đo (m3 /s)

Lưu lượng thực đo (m3 /s)

Hình 9. Biểu đồ quan hệ mưa vệ tinh và quá trình lưu lượng thực đo và mô
phỏng, thực đo tại trạm Mường Tè

1500
1000
500

y = 0.7004x + 178.37
R² = 0.6556

0
0

1000

2000

3000

Lưu lượng mơ phỏng (m3/s)


Hình 10. Biểu đồ so sánh lưu lượng thực đo và mô phỏng giai đoạn hiệu chỉnh
(hình trái) và kiểm định (hình phải)

64

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Đánh giá: Nghiên cứu thực hiện mô phỏng trong 12 năm, chia hành hai
giai đoạn cho hiệu chỉnh (1993-1998) và kiểm định (1999-2004). Kết quả
tính tốn so với thực đo tại trạm Mường Tè: (Hình 7, Hình 8) các giá trị lưu
lượng nhỏ trong mùa khô và tăng vào mùa mưa.
Lượng mưa sử dụng cho tài liệu thực đo tại trạm Mường Tè có sự tương
đồng cao thể hiện ở Hình 9 và 10.
Kết quả tính tốn hệ số xác định R2, chỉ số hiệu quả Nash (NSI), sai số
phần trăm (PBIAS) sử dụng phương trình (1) như sau:
Bảng 4. Đánh giá kết quả mơ phỏng dịng chảy giai đoạn hiệu chỉnh,
kiểm định
Giai đoạn

Giá trị
2

R

NSI


BPIAS

Đánh
giá

Hiệu chỉnh (1993-1998)

0,59

0,55

9,65

Đạt

Kiểm định (1999-2004)

065

0,65

8,06

Tốt

Kết quả so sánh giá trị tính tốn bằng dữ liệu khí tượng CFSR với dòng
chảy thực đo tại trạm Mường Tè từ 1993 đến 2004 thể hiện được tính hiệu
quả khi sử dụng CFSR cho mơ hình SWAT qua R2 và NASH. Ngồi ra kết
quả cịn cho người dùng có các đánh giá nổi bật như sau:

Dữ liệu CFSR mô phỏng rất tốt vào mùa khơ thể hiện qua tính tương
quan Hình 7 và Hình 8 khi so sánh với giá trị thực đo tại Mường Tè. Điều
này sẽ giúp giải quyết các vấn đề về cân bằng nước của lưu vực và vùng
nghiên cứu.
Phần trăm sai số tổng lượng PBIAS thấp so với tổng lượng thực đo, cho
thấy tiềm năng sử dụng CFSR trong tính tốn cân bằng nước và phân bổ tài
nguyên nước của lưu vực (Hình 11).
Hạn chế của CFSR là khi mô phỏng thời đoạn và thời gian chi tiết thì
kết quả khơng được tốt. Độ phân giải về không gian dữ liệu chưa cao.
Qua các đánh giá từ kết quả mơ hình khi sử dụng dữ liệu CFSR cho
thấy nên áp dụng cho các lưu vực khơng có trạm hoặc cách xa trạm khí
tượng thủy văn, các lưu vực ngồi vùng lãnh thổ. Bộ dữ liệu khí tượng này
có vai trị quan trọng để đáp ứng các mơ hình mơ phỏng cho kết quả khá tốt
so với dữ liệu của trạm truyền thống.
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

65


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học cơng nghệ trong quản lý tài ngun nước”

Hình 11. Lượng mưa và sự phân bố lượng nước
của lưu vực thượng lưu Sông Đà
66

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học

Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Cân bằng nước (mm/năm)

60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
ETmm

GW_Qmm

LAT_Qmm

SURQmm

Hình 12. Thay đổi hàng năm trong đóng góp của các yếu tố thủy văn vào
tổng lượng nước
Hình 12 cho thấy sự thay đổi đóng góp vào tổng lượng nước của các
yếu tố thủy văn chính trong lưu vực thượng lưu sông Đà thuộc địa phận
Trung Quốc từ năm 1993 - 2004. Đóng góp vào lượng nước do dòng chảy
sát mặt rất lớn, tuy nhiên giảm đáng kể từ năm 1997 đến 2004 từ 30 - 40 %
so với giai đoạn 1993 - 1996. Đóng góp của dịng chảy ngầm và dòng chảy
mặt giảm dần theo các năm nhưng khơng đáng kể. Những thay đổi hàng
năm trong đóng góp của các thành phần khác nhau phù hợp với những thay
đổi hàng năm về lượng mưa (Hình 9). Tỷ lệ thay đổi đối với dòng chảy bề

mặt và dòng chảy ngầm giảm khoảng 34 - 36 % trong các năm 1997 - 2000
và tăng 40 - 50 % trong năm 2001. ET trong các năm luôn ổn định trong
thời gian hiệu chỉnh và kiểm định. Tỷ lệ thay đổi trung bình hàng năm đối
với ET khoảng 2 - 5 %.
5. Kết luận
Mơ hình SWAT đã được hiệu chỉnh thành công cho lưu vực thượng lưu
Sông Đà, địa phận Trung Quốc. Mơ hình cho kết quả mơ phỏng tốt đối với
lưu lượng trung bình tháng. Thuật tốn tối ưu hóa SUFI-2 tích hợp trong
giao diện SWAT-CUP được sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình. Các giá trị tối
ưu của từng thơng số mơ hình đã được mơ tả một cách rõ ràng. Q trình
đánh giá hiệu quả của mơ hình đã được thực hiện thành công với hai chỉ số
thống kê là R2 và NSE. Cụ thể, so sánh lưu lượng thực đo và tính tốn tại
VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

67


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

trạm Mường Tè cho thấy chỉ số NSE và hệ số R² đều đạt và tốt trong cả hai
thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. Tuy nhiên, dữ liệu mơ hình bị hạn chế khi
nghiên cứu mô phỏng với thời đoạn ngắn, bước thời gian chi tiết. Nghiên
cứu này đã chứng minh khả năng ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu đầu
vào cần thiết cho quá trình thiết lập, chạy các mơ hình thủy văn, đặc biệt là
đối với những mơ hình phân phối liên tục. Đồng thời, cũng khẳng định khả
năng ứng dụng mơ hình SWAT trong mơ phỏng lưu lượng tại các lưu vực
đồi núi như thương lưu Sông Đà. Việc nghiên cứu để ứng dụng công nghệ
viễn thám, xây dựng sử dụng dữ liệu vệ tinh là đặc biệt cần thiết.
Tài liệu tham khảo

1. />2. />3. />4. .
5. .
6. />7. Cao, Yang et al. "Application of SWAT Model with CMADS Data
to Estimate Hydrological Elements and Parameter Uncertainty Based On
SUFI-2 Algorithm in The Lijiang River Basin, China". Water, vol 10, no. 6,
2018, p. 742. MDPI AG, doi.org/10.3390/w10060742.
8. Zhang, Dandan et al. "Comparison Of NCEP-CFSR And CMADS
For Hydrological Modelling Using SWAT In The Muda River Basin,
Malaysia". Water, vol 12, no. 11, 2020, p. 3288. MDPI AG,
doi.org/10.3390/w12113288.
9. Wang, Hao et al. “The China meteorological asssimilation driving
datasets for the SWAT model (CMADS) and its application in the Heihe
River Basin in China”. Water, 2016, p. 12 - 18.
10. Quyen, N. T. N., Liem, N.D., Loi, N. K. “Application of GIS and
SWAT Model for Simulation Water Discharge in Srepok watershed, Central
Hihland Vietnam”. Proceedings of The National GIS Conference, 2013.
11. Loi, N. K. et al. “Applying GIS Technique and SWAT Model to
Assessing water discharge in the Dak B’la watershed”. Journal of Earth and
Environmental Sciences, Vol. 29, No. 3, 2013, pp. 1 - 13.
12. Neitsch, S. L., Arnold, J. G., Kiniry, J. R., Williams, J. R. “Soil and
water assessment tool, theoretical documentation: version 2005”.
68

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

Agricultural Research Service and Texas A & M Blackland Research

Center, Temple, TX, USDA, 2005.
13. Luzio, M. D., Srinivasan, R., Arnold, J. G. “Integration of watershed
tools and the SWAT model into BASINS”. J. Am. Water Resour. Assoc,
2002, 38(4), 1127 - 1141.
14. />15. />16. />17. Abbaspour, K. C., J. Yang, I. Maximov, R. Siber, K. Bogner, J.
Mieleitner, J. Zobrist, R. Srinivasan. “Modeling hydrology and water
quality in the pre-alpine/alpine thur watershed using SWAT”. J. Hydrol.,
2007, 333: 413-430.
18. A. Van Griensven, W. Bauwens. “Multiobjective auto-calibration
for semi-distributed water quality models”. Water Resources Research, vol.
39, No. 12, 2003.

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC

69


Tuyển tập Báo cáo khoa học
Hội thảo “Ứng dụng khoa học công nghệ trong quản lý tài nguyên nước”

RESEARCH AND APPLICATION OF SWAT MODEL
AND SUFI-2 TO DETERMINATE MODEL
PARAMETERS AND TO SIMULATE INFLOW INTO
VIETNAM ON THE DA RIVER USING GLOBAL OPEN
DATA SOURCES
Nguyen Anh Duc, Tran Bao Chung, Hoang Thi An, Tran Anh Phuong
Water Resources Institute - Ministry of Natural Resources and Environment
Abtracts
Storage-scale water resource testing is the appropriate and optimal
approach to manage, evaluate, and simulate runoff. The development of GIS

technology has supported hydrological models based on material, spatial
distribution to simulate the primary hydrological process in the fields,
realistic assessment of the role of hydrological activities in dynamic river
systems. In that context, this study is conducted to simulate the flow on the
Da River originating from the Weishan region, Yunnan province, China,
into Vietnam, using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) integrates
with GIS art, thereby understanding the hydrological process across the
fields. The study collected and edited a database including topography, land
use, soil, and weather data according to SWAT standards based on ArcGIS.
Next, use ArcSwat running on the ArcGIS SWAT model to divide areas into
sub-regions. The hydrological units integrate the data space and establish
the baseline balance for the model. The model's parameters have been
calibrated through the software SWAT-CUP with the SUFI-2 algorithm to
optimize the flow simulation on the storage area. Calibration time was set
from 1993 to 1998, testing time from 1999 to 2004. Simulation results show
that the flow is good during the calibration process and is good during
model testing with the R2, and only Nash-Sutcliffe adjusted 0.55 and tested
0.65 in Muong Te, respectively. These results are good if the SWAT model is
used for the rating of the same level…
Keywords: The rain model - the flow, SWAT, SUFI2 - SWAT CUP,
outside the territory, satellite rain CFSR.
70

VIỆN KHOA HỌC TÀI NGUYÊN NƯỚC