แบบจำลองสำหรับประเมินสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำในประเทศไทย |
||||||||||||||||||||||||||||||
Modelling for Evaluation of Critical Condition of Watershed in Thailand |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
บทคัดย่อ |
||||||||||||||||||||||||||||||
| การสร้างแบบจำลองสำหรับประเมินค่าสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำ มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้จัดเรียงลำดับความสำคัญก่อนหลังของลุ่มน้ำ ที่สมควรเข้าไปดำเนินการจัดการ โดยกำหนดให้อัตราการไหลของน้ำหลาก (peak flow) ปริมาณน้ำน้อย (low flow) และผลผลิตตะกอน (sediment yield) จากลุ่มน้ำเป็นดัชนีที่ใช้แสดงค่าสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำนั้น ๆ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| แบบจำลองที่ใช้ประเมินสภาวะวิกฤตประกอบด้วยปัจจัยน้ำฝน ค่า CN และขนาดพื้นที่ลุ่มน้ำ ค่า CN เป็นผลรวมของคะแนนจากปัจจัยความสูงต่ำของพื้นที่ การดูดซับน้ำของดิน การปกคลุมของพืชพรรณ และสภาพการเก็บกักน้ำที่ผิวดิน จากนั้นนำค่า CN ที่ได้มาปรับแก้ให้เป็นค่า CNp สำหรับประเมินค่าน้ำหลาก และเป็นค่า CNa สำหรับประเมินค่าน้ำน้อยและผลผลิตตะกอน โดยอาศัยค่าปริมาณความชื้นที่มีอยู่ก่อนในดิน ซึ่งแทนด้วยปริมาณ และการกระจายของฝน เป็นตัวกลางในการปรับเปลี่ยน สำหรับปัจจัยน้ำฝนประกอบไปด้วยปริมาณน้ำฝนรายวัน ที่ใช้ประเมินค่าน้ำหลาก และปริมาณน้ำฝนรายปี ที่ใช้ประเมินค่าน้ำน้อย และผลผลิตตะกอนนั้น หาได้จากวิธีการของ Gumbel นำผลที่ได้จากการประเมินค่าดัชนีทั้งสามมาเทียบกับเกณฑ์มาตรฐาน ที่เป็นตัวแทนของระดับปกติ ระดับเตือนภัย ระดับเสี่ยงภัย และระดับวิกฤต เกณฑ์มาตรฐานดังกล่าวประเมินจากแบบจำลองที่ใช้ข้อมูลที่เป็นค่าเฉลี่ยของแต่ละภาค นำขั้นตอนของการประเมินค่ามาเขียนเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ด้วยภาษาเทอร์โบเบสิก และสร้างโนโมกราฟ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| นำแบบจำลองที่ได้มาประเมินสภาวะวิกฤตของพื้นที่ลุ่มน้ำ 16 แห่งทั่วประเทศ ผลปรากฏว่าเฉพาะลุ่มน้ำที่ปกคลุมไปด้วยป่าดิบเขาเท่านั้นที่อยู่ในสภาวะปกติ ส่วนลุ่มน้ำเชิงเขาที่มีการใช้ประโยชน์ที่ดินด้วยการปลูกสร้างสวนป่า หรือการใช้ที่ดินที่หลากหลายอยู่ในสภาวะเตือนภัย ในขณะที่สวนป่าในบริเวณลุ่มที่สูงอยู่ในสภาวะเสี่ยงภัย ที่เหลือไปจากนี้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นการใช้ที่ดินที่หลากหลายบนที่สูงจะอยู่ในสภาวะวิกฤต | ||||||||||||||||||||||||||||||
Abstract |
||||||||||||||||||||||||||||||
| In order to classify the priority of watersheds in Thailand for management, the models for evaluation the critical condition of watershed were developed. The outputs of watershed systems which compose of peak flow discharge, low flow amount and sediment yield were employed as indicators to determine condition of watershed. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| The watershed characteristics reflecting hydrologic behavior in term of CN are obtained from the sum of numerical value of relief, soil infiltration, vegetative cover and surface storage. Then after, it is modified into CNp for peak flow estimation, and CNa for low flow amount including sediment yield prediction by rainfall characteristics and soil moisture condition. Gumbel method is used as a tool for predicting storm rainfall and annual rainfall in different return period. These data are input to the formulated models with the area and CN values of selected watersheds. The results of estimation are compared with an average values of upper limit of normal, warning and risky condition for each region which had been determined by the same models. The highest serious condition of indicator output is used to indicate the critical condition of watershed. Finally, computer program was written in TURBO BASIC and nomograph was contributed. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| The model has been used to evaluate the critical condition of sixteen selected watersheds throughout Thailand. It was found that only the watershed which covered by hill-evergreen forest was identified as the normal condition. The forest plantation and mixed land use over low land watersheds are classified as warning condition. In contrary, the forest plantation on high land watershed is in risky condition. The other sites, which compose of any land uses on the high land watershed, are in critical condition. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Key words : model, critical watershed, curve number (CN) | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
คำนำ |
||||||||||||||||||||||||||||||
| ภายใต้สภาวะวิกฤตที่ถดถอยเช่นในปัจจุบัน การดำเนินการจัดการลุ่มน้ำถูกจำกัดโดยจำนวนเงินงบประมาณ และอัตรากำลังเจ้าหน้าที่ ทำให้การจัดเรียงลำดับความสำคัญของลุ่มน้ำเพื่อเข้าไปดำเนินการจัดการ มีความจำเป็นมากขึ้น ภายใต้หลักการที่ว่าลุ่มน้ำใดมีสภาวะวิกฤตมากที่สุดลุ่มน้ำนั้นสมควรได้รับการจัดการก่อน | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ดังนั้นวัตถุประสงค์ของงานวิจัยชิ้นนี้ คือ (1) สร้างแบบจำลอง (model) เพื่อใช้ประเมินค่าสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำ สำหรับประเทศไทย (2) จัดทำโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และโนโมกราฟ เพื่อใช้สำหรับการประเมินค่า (3) ตรวจสอบสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำในภาคต่าง ๆ ของประเทศไทย | ||||||||||||||||||||||||||||||
อุปกรณ์และวิธีการ |
||||||||||||||||||||||||||||||
| อุปกรณ์ที่ใช้ในการศึกษาประกอบด้วย แผนที่ภูมิประเทศจากกรมแผนที่ทหาร แผนที่ดินจาก กรมพัฒนาที่ดิน แผนที่ป่าไม้จากกรมป่าไม้ ข้อมูลน้ำฝนรายวัน น้ำท่า (น้ำไหลในลำธาร) รายวัน และปริมาณตะกอนรายปี ในช่วงปี พ.ศ. 2521-2537 ของพื้นที่ลุ่มน้ำที่มีขนาด 50-500 ตร.กม. จำนวน 12 ลุ่มน้ำที่กระจายอยู่ทั่วทั้งประเทศจากกรมชลประทาน และข้อมูลน้ำฝนรายวันที่ตกมากที่สุดในรอบปี น้ำฝนรายปี และปริมาณน้ำระเหยรายปี ของทุกจังหวัดในช่วงระหว่างปี พ.ศ. 2504-2533 จากกรมอุตุนิยมวิทยา | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ขั้นตอนในการสร้างแบบจำลองประกอบไปด้วย (1) สร้างแนวความคิด (2) ขยายแนวความคิดให้เป็นแบบจำลองคณิตศาสตร์ (3) การตรวจสอบแบบจำลอง (4) การจัดทำโปรแกรมคอมพิวเตอร์และโนโมกราฟ (5) การนำแบบจำลองไปใช้ตรวจสอบ (Tangtham, 1988) สำหรับแนวความคิดนั้น เกิดขึ้นจากการมองลุ่มน้ำเป็นระบบ (system) ที่ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณน้ำฝนที่เข้ามาในระบบ (input) ให้กลายเป็นน้ำท่า หรือน้ำไหลในลำธาร ออกไปจากระบบ (output) ถ้าลุ่มน้ำดี และ/หรือ input เป็นปกติ น้ำท่าจะไหลสม่ำเสมอและเป็นปกติ แต่ถ้าลุ่มน้ำเสื่อมโทรม และ/หรือ input ผิดปกติ จะเกิดเป็นปัญหาน้ำบ่าไหลหลาก กับ การกัดชะพังทลายของดินในช่วงฤดูฝน และปัญหาการขาดแคลนน้ำใช้ในช่วงฤดูแล้ง (เกษม, 2515) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ดังนั้นจึงกำหนดให้ อัตราการไหลของน้ำหลาก (Qp) ปริมาณน้ำน้อย ซึ่งเป็นปริมาณน้ำท่าที่ไหลตั้งแต่ฤดูฝนสิ้นสุดลง จนถึงฤดูฝนของปีถัดไป (Ql) และปริมาณตะกอนในลำน้ำ (Sd) เป็นดัชนีที่ใช้ชี้วัดสภาวะวิกฤตของลุ่มน้ำ โดยเชื่อมโยงกับปัจจัยต่างๆ ที่มีบทบาทต่อดัชนีทั้งสาม ซึ่งประกอบไปด้วย ปริมาณน้ำฝน (Hewlett and Nutter, 1969) ลักษณะทางอุทกวิทยาของลุ่มน้ำ ที่เป็นผลรวมระหว่างสภาพพื้นที่กับความชื้น ในดิน (Schwab et al, 1971) และขนาดของพื้นที่ลุ่มน้ำ (Lee, 1980) และเพื่อการเปรียบเทียบอยู่บนฐานเดียวกัน จึงกำหนดให้ดัชนีทั้งสามอยู่ในรูปของปริมาณต่อหน่วยพื้นที่ลุ่มน้ำ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| การสร้างแบบจำลองประกอบไปด้วย 4 ขั้นตอนคือ (1) ประเมินสถานภาพของลุ่มน้ำต่อการให้น้ำท่า ในรูปของค่า CN หรือ curve number เพื่อใช้แทนค่าลักษณะทางอุทกวิทยาของลุ่มน้ำ (2) หาสมการที่ใช้ประเมินค่าดัชนีทั้งสามคือ Qp/A, Ql/A และ Sd/A จากปัจจัยทั้งสามคือ ปริมาณน้ำฝน (R) ค่าของ CN และพื้นที่ลุ่มน้ำ (A) โดยมีรูปลักษณ์ของแบบจำลองดังนี้ | ||||||||||||||||||||||||||||||
Qp/A, Ql/A, Sd/A = a*Rb*CNc*Ad (1) |
||||||||||||||||||||||||||||||
| เมื่อ a, b, c และ d เป็นค่าสัมประสิทธิ์ สำหรับการหาค่า Qp/A จะใช้ค่าน้ำฝนที่ทำให้เกิดน้ำบ่าไหลหลากในครั้งนั้น (Rp) กับค่า CN ในขณะนั้น (CNp) ส่วนค่า Ql/A และ Sd/A จะใช้ค่าน้ำฝนรายปี (Ra) และค่า CN ที่เป็นค่าเฉลี่ยตลอดทั้งปี หรือ CNa (3) ค้นหาวิธีการในการแปลงค่าลักษณะทางอุทกวิทยาของลุ่มน้ำให้เป็นค่า CN โดยใช้ค่าความชื้นที่มีอยู่ก่อนในดิน หรือ antecedent moisture content (AMC) เป็นตัวเชื่อม และ (4) นำแบบจำลองภายหลังการปรับแก้ (calibration) ไปหาค่ามาตรฐานของดัชนีทั้งสามของแต่ละภาคของประเทศไทย สำหรับใช้เปรียบเทียบกับลุ่มน้ำที่ต้องการตรวจสอบสภาวะวิกฤต โดยอาศัยค่า Rp, Ra, CNp และ CNa รายปีของแต่ละภาค นำดัชนีรายปีที่ได้มาหาค่าเฉลี่ย (mean, m ) และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (standard deviation, s ) แล้วจึงมากำหนดเป็นค่าระดับความวิกฤต ซึ่งกำหนดให้มี 4 ระดับคือ สภาวะปกติ (น้อยกว่า m + s ) สภาวะเตือนภัย (m + s ถึง m + 2s ) สภาวะเสี่ยงภัย (m + 2s ถึง m + 3s ) และสภาวะวิกฤต (มากกว่า m + 3s ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ส่วนการตรวจสอบแบบจำลองประกอบด้วย 4 ขั้นตอนคือ (1) การตรวจสอบการทำงานของแบบจำลอง หรือ verification (2) การทดสอบความไวของตัวแปร หรือ sensitivity เพื่อใช้ในการ (3) ปรับแก้ค่าสัมประสิทธิ์ หรือ calibration ทั้งสามขั้นตอนนี้จะดำเนินการควบคู่ไปกับการสร้างแบบจำลอง สุดท้ายเป็นการ (4) ทดสอบใช้แบบจำลองกับพื้นที่อื่นๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลอง หรือ validation | ||||||||||||||||||||||||||||||
ผลและวิจารณ์ |
||||||||||||||||||||||||||||||
| ผลของการสร้างแบบจำลองตามขั้นตอนทั้ง 4 ปรากฏเป็นรูปลักษณ์ของแบบจำลอง ที่ประกอบด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้ คือ (1) แปลงค่าลักษณะทางอุทกวิทยาของลุ่มน้ำ ซึ่งประกอบไปด้วย ความสูงต่ำของภูมิประเทศ (relief) ความสามารถในการดูดซับน้ำของดิน (soil infiltration) ชนิด และปริมาณการปกคลุมดินของพืช (vegetative cover) และสภาพของแอ่งน้ำที่ผิวดิน (surface storage) ให้เป็นค่า CN ด้วย ตารางที่ 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
ตารางที่ 1 การหาค่า CN จากปัจจัยพื้นที่ลุ่มน้ำ (พัฒนามาจาก Schwab et al, 1971) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
| (2) นำปัจจัยความชื้นในดินเข้ามาปรับแก้ค่า CN ให้เป็น CNp สำหรับประเมินค่า Qp/A ด้วย ภาพที่ 1 และตารางที่ 2 และปรับแก้ค่า CN ให้เป็น CNa เพื่อประเมินค่า Ql/A และ Sd/A ด้วยตารางที่ 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
