Nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông công

u chỉnh và 
kiểm định thông số mô hình chất lượng nước. 
- Dữ liệu thông số hồ chứa và quy trình vận 
hành hồ Núi Cốc được thu thập từ Quy trình vận 
hành Hồ Núi Cốc (Quy trình vận hành hồ chức 
nước Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên, 2006). 
Hình 2. Mô hình số độ cao Hình 3. Bản đồ sử dụng đất Hình 4. Bản đồ thổ nhưỡng 
Bảng 1. Trạm đo mưa - khí tượng trong lưu vực sông Công 
Tên trạm 
Loại 
trạm 
Vĩ độ 
(o) 
Kinh độ 
(o) 
Elevation 
(m) 
Tên 
trạm 
Loại 
trạm 
Vĩ độ 
(o) 
Kinh độ 
(o) 
Elevation 
(m) 
Thái Nguyên KT 21,6 105,5 36 Đại Từ ĐM 21,633 105,633 50 
Điềm Mạc ĐM 21,833 105,533 41 Kỳ Phú ĐM 21,533 105,65 61 
Định Hóa KT 21,9 105,633 220 Mỏ Cầm ĐM 21,533 105,65 51 
Bảng 2. Trạm thủy văn - chất lượng nước trong lưu vực sông Công 
Tên trạm Trên sông Vĩ độ (o) Kinh độ (o) Yếu tố đo 
Núi Hồng Sông Công 21.716 105.550 Lưu lượng 
Phú Cường 
(cầu Phú Thịnh) 
Sông Công 21.667 105.585 Chất lượng nước 
c. Đánh giá mô phỏng trong mô hình SWAT: 
Chỉ số Nash – Sutcliffe được sử dụng để 
đánh giá mức độ phù hợp trong mô phỏng dòng 
chảy (NSE) (Nash, J.E. và J.V. Sutcliffe, 1970). 
Công thức tính chỉ số NSE: 
 
 
2
1
2
1
1
n
obs sim
i i
i
n
obs mean
i
i
O O
NSE
O O


 
 
  
 
  


 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 120 
Trong đó: 
Chỉ số NSE chạy từ -∞ đến 1. Nếu NSE 
nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả được 
xem là không thể chấp nhận hoặc độ tin cậy 
kém. Ngược lại, nếu NSE bằng 1, thì kết quả 
mô phỏng của mô hình là hoàn hảo. Với bài 
toán mô phỏng chất lượng nước phải tiến hành 
hiệu chỉnh và kiểm nghiệm dòng chảy và chất 
lượng nước. Nồng độ và tải lượng các chất 
trong môi trường nước bị ảnh hưởng bởi lưu 
lượng dòng chảy. Do đó, hiệu chỉnh mô hình 
SWAT cho mô phỏng dòng chảy phải được 
thực hiện trước. 
Thời gian hiệu chỉnh từ 1/1/1962 – 
31/12/1962 và thời gian kiểm định từ 1/1/1967 -
31/12/1968 của mô hình lưu lượng dòng chảy 
tại tạm Núi Hồng cho kết quả có thể chấp nhận 
được. Chỉ số Nash lần lượt đạt 0,67 và 0,62; hệ 
số tương quan đạt 0,71 và 0,58. 
Chỉ số PBIAS: là phần trăm sai số tổng 
lượng giữa số liệu tính toán mô phỏng từ mô 
hình so với giá trị thực đo được xác định theo 
công thức: 
 
1
1
(100)
( )
n
obs sim
i i
i
n
obs
i
i
O O x
PBIAS
O


 
 
 
 
  


Giá trị tối ưu của PBIAS là 0,0; giá trị càng 
nhỏ cho thấy mô phỏng mô hình càng chính 
xác. Kết quả mô phỏng dòng chảy có PBIAS lần 
lượt đạt -7% và 4,7% đảm bảo tin cậy để mô 
phỏng dòng chảy trong lưu vực thể hiện trong 
Hình 5 và Hình 6. 
Bảng 3. Bộ thông số mô hình sau khi hiệu chỉnh và kiểm định lưu lượng dòng chảy 
Thông số Mô tả Khoảng giá trị Giá trị 
CN2 Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II -0,2 – 0,2 81 
SOL_K Độ dẫn thủy lực trong trường hợp bão hòa -0,3 – 0,3 0,0 
SOL_AWC 
Phạm vi nước hữu hiệu của đất (mm 
H2O/mm soil) 
0-1 0,118 
SOL_Z Độ dày lớp đất (mm) -0,5 – 0,5 0,0 
CANMX Độ che phủ lớn nhất 0 – 10 8,9 
ALPHA_BF Hệ số tiết giảm dòng chảy ngầm (ngày) 0,6 – 1,0 0,048 
GW_DELAY Thời gian trễ dòng chảy ngầm (ngày) 40 – 50 31 
CH_N1 Hệ số nhám cho kênh 0,01-30 0,014 
GWQMIN 
Độ sâu ngưỡng của nước trong tầng chứa 
nước nông cần thiết cho dòng chảy trở lại 
xảy ra 
0-5000 1000 
CH_N2 
Hệ số dẫn thủy lực của kênh chính 
[mm/giờ] 
0,01-0,3 0,014 
Hình 5. Đường quá trình lưu lượng dòng chảy 
tính toán và thực đo trạm Núi Hồng 
(Hiệu chỉnh) 
Hình 6. Đường quá trình lưu lượng 
dòng chảy tính toán và thực đo trạm 
Núi Hồng (kiểm định) 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 121 
Tiến hành phân tích độ nhạy các thông số mô 
phỏng chất lượng nước cho thấy các thông số có 
ảnh hưởng đáng kể đến mô phỏng nitrogen và 
photphorus lần lượt gồm hàm lượng nitrate ban 
đầu trong nước ngầm tầng nông (SHALLST_N), 
hệ số thấm nitrogen (NPERCO), hàm lượng 
nitrate ban đầu trong đất (SOL_NO3) và hàm 
lượng nitrogen hữu cơ ban đầu trong đất 
(SOL_ORGN); hệ số tỷ lệ photphorus trong đất 
(PHOSKD), hệ số thấm photphorus (PPERCO) 
và hàm lượng P hữu cơ ban đầu trong đất 
(SOL_ORGP) (J.G.Arnold, 2012). 
Sử dụng chuỗi số liệu thực đo chất lượng 
nước năm 2016-2017 tại vị trí Phú Cường (cầu 
Phú Thịnh) để kiểm nghiệm, đánh giá độ tin cậy 
của mô phỏng. Kết quả mô phỏng được kiểm tra 
bằng sai số PBIAS nhỏ hơn 70% đối với mô 
phỏng Nitogen và Photphorus, kết quả phần 
trăm sai số PBIAS các thông số BOD, Nitorat 
(NO3
-), Nitrit (NO2
-), Amoni (NH4
+), Photphat 
(PO4
3-) lần lượt đạt 18,4%; 2%; 12,5%; 
8%;14,3%. Kết quả cho thấy năm 2016 mô hình 
mô phỏng chất lượng nước khá tốt, tuy nhiên 
năm 2017 một số tháng có chỉ số thực tế thấp thì 
mô hình lại mô phỏng cho kết quả rất cao và 
ngược lại nguyên nhân chính do năm 2017 phát 
sinh rất nhiều nguồn thải phân tán chưa được 
kiểm soát do trong giới hạn bài báo chưa có 
thông tin số liệu tài liệu thiết lập trong mô hình, 
kết quả thể hiện từ Hình 7 đến Hình 11. 
Bảng 4. Bộ thông số mô hình sau khi hiệu chỉnh và kiểm định chất lượng nước 
Thông số Mô tả 
Khoảng 
giá trị 
Giá trị 
SHALLST_N 
Hàm lượng nitrate ban đầu trong nước ngầm tầng 
nông (mg/L) 
100-1000 1000 
NPERCO Hệ số thấm nitrogen 0 – 1 0,9 
PHOSKD Hệ số tỷ lệ photphorus trong đất 100 – 200 103 
PPERCO Hệ số thấm photphorusr 0-17.5 13 
SOL_NO3 Hàm lượng nitrate ban đầu trong đất (mg/kg) 0 – 2000 2000 
SOL_ORGN 
Hàm lượng nitrogen hữu cơ ban đầu trong đất 
(mg/kg) 
0 – 3000 2050 
SOL_ORGP 
Hàm lượng P hữu cơ ban đầu trong đất 
(mg/kg) 
1000 – 3000 3000 
Hình 7. Biểu đồ nồng độ BOD5 tính toán 
và thực đo tại Phú Cường 
Hình 8. Biểu đồ nồng độ NO3
- tính toán 
và thực đo tại Phú Cường 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 122 
Hình 9. Biểu đồ nồng độ NO2
- tính toán và thực 
đo tại Phú Cường 
Hình 10. Biểu đồ nồng độ NH4
+ tính toán và 
thực đo tại Phú Cường 
Hình 11. Biểu đồ nồng độ PO4
3- tính toán và 
thực đo tại Phú Cường 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Trong nghiên cứu này, tác giả đã áp dụng 
thành công mô hình SWAT cho mô phỏng dòng 
chảy và chất lượng nước mặt (gồm 5 thông số 
BOD5, NO2
-, NO3
-, NH4
+, PO4
3-) lưu vực sông 
Công. Qúa trình đánh giá độ tin cậy của mô 
hình đã được thực hiện với 2 chỉ số thống kê 
NSE và PBIAS cho thấy mô hình SWAT mô 
phỏng khá tốt dòng chảy và chất lượng nước 
mặt lưu vực sông Công. Ngoài ra, nghiên cứu 
này đã chứng minh khả năng ứng dụng của mô 
hình SWAT trong mô phỏng chất lượng nước 
tại các lưu vực đồi núi có xem xét tác động, ảnh 
hưởng của sử dụng đất, thay đổi thảm phủ và 
các hoạt động phát triển kinh tế xã hội phát sinh 
nước thải dạng nguồn điểm trên lưu vực sông 
Công là khá hiệu quả. 
Với kết quả đánh giá như trên có thể hỗ trợ 
cho các nghiên cứu chuyên sâu về đánh giá khả 
năng tiếp nhận nước thải – sức chịu tải của 
nguồn nước sông Công cũng như cung cấp một 
nguồn tài liệu cho công tác quản lý nhà nước 
về định hướng khai thác, sử dụng nguồn nước 
hiệu quả, phù hợp với các mục đích sử dụng 
khác nhau, cấp giấy phép xả nước thải vào 
nguồn nước trên lưu vực sông Công trong tình 
hình phát triển kinh tế - xã hội hiện nay của 
tỉnh Thái Nguyên. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Bộ Tài nguyên và Môi Trường, (2012), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt 
(QCVN 08:2015/BTNMT), Hà Nội. 
Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên, (2017), Kết quả quan trắc chất lượng nước mặt, nước 
thải trên sông Công tỉnh Thái Nguyên từ năm 2014-2017, tỉnh Thái Nguyên. 
Tuấn, N. T, (2011), Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước hồ Dầu 
Tiếng. Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh. 
Quy hoạch Phân bổ, quản lý và bảo vệ tài nguyên nước mặt tỉnh Thái Nguyên đến năm 2020, định 
hướng đến năm 2030, (2014), Thái Nguyên. 
Quy trình vận hành hồ chức nước Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên, (2006), tỉnh Thái Nguyên. 
 J.G.Arnold, R. Kinniry, R. Srinivasan, J.R. Villiams, E.B.Haney, S.L.Neitsch, (2012), 
Input/Output Documentation Version 2012, US. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 123 
S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water 
assessment tool theoretical documentation, USDA_ARS Publications. 
S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water 
assessment tool user’s manual, USDA_ARS Publications. 
The Soil and Water Assessment Tool, Historical Development, Applications, and Future Research 
Directions. In: Arnold, J et al, 2009. Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Global 
Applications. Special Publication No. 4, World Associatiom of Soil and Water Assessment Tool 
(SWAT): Global Applications. Special Publication No. 4, World Associatiom of Soil and Water 
Conservation, Bangkok: Funny Publishing, pp.25-93. (2009). US. 
Abstract: 
APPLICATION SWAT MODEL FOR EVALUATION 
OF WATER QUALITY IN THE CONG RIVER BASIN 
The paper aims to simulate the flow and water quality of the Cong River using SWAT (Soil and 
Water Assessment Tool) model. As the main land use types within the basin are forestry and 
agriculture, selected parameters used for water quality assessment include organic components 
such as BOD, Nitrite (NO2
-), Nitrate (NO3
-), Ammonium (NH4
+), and Phosphate (PO4
3-). The model 
was calibrated using SUFI-2 method integrated in SWAT-CUP tool. The results showed that the 
SWAT model provided good simulation of flow and water quality in the study area, in which R2 and 
NSE values were greater than 0.5, PBIAS was less than 5% for flow and 18.4% for water quality. 
The calibrated model, therefore, can be applied in flow and water quality forecasting for the Cong 
River basin in the future, as well as being a tool to better support water resources management of 
this basin. 
Keywords: SWAT, Water quality model, Cong river water quality, Soil and Water Assessment Tool. 
Ngày nhận bài: 02/5/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 06/6/2019