Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang tác động mạnh mẽ đến các đặc trưng khí tượng thủy văn, đặc biệt là lượng mưa cực đoan, gây ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế và vận hành hệ thống thoát nước đô thị. Tại Hà Nội, thủ đô với dân số gần 10 triệu người và diện tích tự nhiên hơn 3.300 km², hệ thống thoát nước hiện nay không đáp ứng được nhu cầu do sự gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2016, nhiệt độ trung bình không khí tại Việt Nam đã tăng từ 0,42°C trước năm 1985 lên 0,62°C trong giai đoạn 1985-2016, làm thay đổi cường độ và tần suất các trận mưa. Hà Nội cũng chứng kiến nhiều trận mưa lớn gây ngập lụt nghiêm trọng, điển hình như trận mưa tháng 11/2008 với lượng mưa vượt dự báo, gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến mô hình mưa tiêu thiết kế cho khu vực Hà Nội, thông qua việc xây dựng và phân tích các đường cong cường độ mưa – thời đoạn – tần suất (IDF) dựa trên số liệu thực đo và các kịch bản khí hậu tương lai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hai trạm khí tượng Láng và Hà Đông, với dữ liệu mưa thời đoạn ngắn từ năm 1980 đến 2013. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cập nhật mô hình mưa thiết kế, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế hệ thống thoát nước, giảm thiểu rủi ro ngập lụt và thiệt hại kinh tế xã hội tại Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn hiện đại, trong đó có:

  • Lý thuyết phân bố xác suất cực trị Gumbel: được sử dụng để mô tả tần suất xuất hiện của lượng mưa cực đại theo thời đoạn, giúp xây dựng đường cong IDF.
  • Mô hình mưa tiêu thiết kế dạng khối xen kẽ (block method): mô hình này phân phối lượng mưa theo các khối thời gian, với đỉnh mưa nằm ở giữa thời đoạn, phù hợp với đặc điểm mưa tại Hà Nội.
  • Phương pháp tỷ lệ đơn giản (Simple Scale): dùng để chi tiết hóa lượng mưa từ dữ liệu ngày sang các thời đoạn ngắn hơn (giờ, phút), nhằm xây dựng đường IDF cho các thời kỳ tương lai khi dữ liệu mô phỏng chỉ có độ phân giải ngày.
  • Hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm (Quantile Mapping): áp dụng để hiệu chỉnh sai số lượng mưa mô phỏng từ các mô hình khí hậu vùng (RCMs) cho phù hợp với điều kiện thực tế tại địa phương.

Các khái niệm chính bao gồm: mưa tiêu thiết kế, đường cong IDF, phân bố xác suất Gumbel, mô hình khí hậu vùng (RCM), và kịch bản biến đổi khí hậu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu mưa thời đoạn ngắn (5 đến 1440 phút) tại hai trạm Láng và Hà Đông giai đoạn 1980-2013, cùng dữ liệu mô phỏng lượng mưa theo các kịch bản biến đổi khí hậu từ các mô hình khí hậu vùng (RCMs).

Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  1. Phân tích đặc trưng các trận mưa thực đo, xác định các trận mưa độc lập, phân loại theo cường độ và thời gian.
  2. Xây dựng đường cong IDF cho giai đoạn nền dựa trên phân bố Gumbel và số liệu thực đo.
  3. Hiệu chỉnh sai số lượng mưa mô phỏng từ RCMs bằng phương pháp phân vị kinh nghiệm.
  4. Áp dụng phương pháp tỷ lệ đơn giản để chi tiết hóa lượng mưa ngày sang các thời đoạn ngắn hơn, phục vụ xây dựng đường IDF cho các kịch bản khí hậu tương lai.
  5. Xây dựng mô hình mưa tiêu thiết kế dạng khối xen kẽ dựa trên đường IDF đã hiệu chỉnh.
  6. So sánh và đánh giá sự thay đổi của đường IDF và mô hình mưa thiết kế giữa giai đoạn nền và các kịch bản tương lai.

Cỡ mẫu dữ liệu mưa thực đo gồm hàng nghìn trận mưa với thời đoạn từ 5 phút đến 24 giờ, được chọn lọc kỹ lưỡng để đảm bảo tính đại diện. Phương pháp chọn mẫu là chọn các trận mưa độc lập theo tiêu chí thời gian cách nhau tối thiểu 6 giờ. Phân tích sử dụng phần mềm thống kê và mô hình thủy văn chuyên dụng, thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh sai số mô hình khí hậu vùng (RCMs): Sau hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm, lượng mưa mô phỏng phù hợp hơn với số liệu thực đo, sai số trung bình giảm khoảng 15-20%. Điều này giúp tăng độ tin cậy khi sử dụng dữ liệu mô phỏng cho xây dựng đường IDF tương lai.

  2. Biến động lượng mưa một ngày lớn nhất: Lượng mưa cực đại 1 ngày tại trạm Láng và Hà Đông có xu hướng tăng nhẹ trong các kịch bản biến đổi khí hậu tương lai, với mức tăng trung bình khoảng 10-25% so với giai đoạn nền (1980-2013).

  3. Xây dựng đường IDF theo phương pháp tỷ lệ đơn giản: Đường IDF xây dựng từ dữ liệu thực đo và dữ liệu mô phỏng sau hiệu chỉnh cho thấy sự gia tăng cường độ mưa thiết kế ở các thời đoạn ngắn (5-60 phút) trong tương lai, đặc biệt với chu kỳ lặp 50-100 năm, tăng từ 15% đến 30%.

  4. Sự thay đổi mô hình mưa tiêu thiết kế: Mô hình mưa tiêu thiết kế dạng khối xen kẽ cho thấy đỉnh mưa có xu hướng dịch chuyển về thời gian ngắn hơn và cường độ cao hơn trong các kịch bản khí hậu tương lai, làm tăng nguy cơ quá tải hệ thống thoát nước hiện tại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi này là do biến đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ trung bình và độ ẩm, dẫn đến sự gia tăng cường độ và tần suất các trận mưa cực đoan. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước về tác động của BĐKH đến lượng mưa cực đoan và mưa thiết kế. Việc sử dụng nhiều mô hình khí hậu vùng và hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm giúp giảm thiểu sai số và tăng tính chính xác của dự báo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường IDF so sánh giữa giai đoạn nền và các kịch bản tương lai, bảng thống kê mức tăng cường độ mưa theo chu kỳ lặp và thời đoạn, cũng như biểu đồ phân bố thời gian đỉnh mưa trong mô hình mưa thiết kế. Những thay đổi này cho thấy hệ thống thoát nước hiện tại có thể không đáp ứng được yêu cầu trong tương lai, đòi hỏi phải cập nhật thiết kế và quy hoạch.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cập nhật đường cong IDF và mô hình mưa thiết kế định kỳ: Các cơ quan quản lý và thiết kế hệ thống thoát nước cần xây dựng và cập nhật đường IDF dựa trên dữ liệu thực đo mới nhất và các kịch bản biến đổi khí hậu, nhằm đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện: 3 năm; Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Viện Thủy văn.

  2. Nâng cấp và mở rộng hệ thống thoát nước đô thị: Dựa trên các mô hình mưa thiết kế cập nhật, tiến hành nâng cấp công suất hệ thống thoát nước hiện có, đồng thời xây dựng các công trình thoát nước mới phù hợp với dự báo lượng mưa tăng trong tương lai. Thời gian thực hiện: 5-7 năm; Chủ thể: UBND Thành phố Hà Nội, Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng.

  3. Áp dụng các giải pháp quản lý dòng chảy tại nguồn (LID): Khuyến khích sử dụng các giải pháp phát triển đô thị thân thiện với môi trường như mái nhà xanh, vật liệu thấm nước, hộp trồng cây để giảm thiểu dòng chảy bề mặt và áp lực lên hệ thống thoát nước. Thời gian thực hiện: 2-4 năm; Chủ thể: Sở Xây dựng, các chủ đầu tư dự án đô thị.

  4. Tăng cường giám sát và nghiên cứu liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn hiện đại, thu thập dữ liệu thời gian thực và nghiên cứu sâu về tác động của biến đổi khí hậu đến thủy văn đô thị để điều chỉnh chính sách và thiết kế kịp thời. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Viện Khoa học Thủy lợi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quy hoạch và thiết kế hệ thống thoát nước đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cập nhật mô hình mưa thiết kế, đảm bảo hệ thống thoát nước phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu, giảm thiểu rủi ro ngập lụt.

  2. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Áp dụng các khuyến nghị trong quản lý và giám sát tài nguyên nước, xây dựng chính sách thích ứng với biến đổi khí hậu.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành thủy văn, khí tượng: Tham khảo phương pháp luận, dữ liệu và kết quả nghiên cứu để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về tác động biến đổi khí hậu đến thủy văn đô thị.

  4. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển đô thị: Sử dụng thông tin để hoạch định chiến lược phát triển đô thị bền vững, tích hợp các giải pháp giảm thiểu ngập lụt và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng như thế nào đến mô hình mưa thiết kế?
    Biến đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ và độ ẩm, dẫn đến gia tăng cường độ và tần suất các trận mưa cực đoan. Điều này làm thay đổi đường cong IDF và mô hình mưa thiết kế, khiến các thiết kế cũ có thể không còn phù hợp.

  2. Tại sao cần hiệu chỉnh sai số mô hình khí hậu vùng (RCMs)?
    Mô hình RCMs thường có sai số do giản lược quá trình khí tượng phức tạp và độ phân giải không đủ chi tiết. Hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm giúp điều chỉnh dữ liệu mô phỏng phù hợp với điều kiện thực tế địa phương, tăng độ chính xác dự báo.

  3. Phương pháp tỷ lệ đơn giản có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép chi tiết hóa lượng mưa từ dữ liệu ngày sang các thời đoạn ngắn hơn, rất cần thiết khi dữ liệu mô phỏng chỉ có độ phân giải ngày, giúp xây dựng đường IDF chính xác cho các thời kỳ tương lai.

  4. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế hệ thống thoát nước?
    Kết quả cung cấp các đường cong IDF cập nhật theo kịch bản biến đổi khí hậu, giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống thoát nước với công suất phù hợp, giảm thiểu nguy cơ ngập lụt do mưa cực đoan tăng.

  5. Ai là chủ thể nên thực hiện các giải pháp khuyến nghị?
    Chủ thể chính gồm các cơ quan quản lý tài nguyên môi trường, sở xây dựng, ban quản lý dự án đầu tư xây dựng, cùng các nhà quy hoạch và thiết kế hệ thống thoát nước đô thị.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công bộ đường cong IDF cho khu vực Hà Nội dựa trên số liệu thực đo và các kịch bản biến đổi khí hậu tương lai, cho thấy xu hướng gia tăng cường độ mưa cực đoan.
  • Phương pháp hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm và tỷ lệ đơn giản được áp dụng hiệu quả để xử lý dữ liệu mô phỏng khí hậu vùng, nâng cao độ chính xác mô hình.
  • Mô hình mưa tiêu thiết kế dạng khối xen kẽ cho thấy sự thay đổi rõ rệt về cường độ và thời gian đỉnh mưa trong tương lai, cảnh báo nguy cơ quá tải hệ thống thoát nước hiện tại.
  • Đề xuất các giải pháp cập nhật thiết kế, nâng cấp hệ thống thoát nước và áp dụng các biện pháp quản lý dòng chảy tại nguồn nhằm giảm thiểu rủi ro ngập lụt.
  • Khuyến nghị tiếp tục giám sát, nghiên cứu và cập nhật dữ liệu để đảm bảo hệ thống thoát nước đô thị Hà Nội thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu trong các giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào quy hoạch và thiết kế hệ thống thoát nước, đồng thời tăng cường hợp tác nghiên cứu liên ngành để phát triển các giải pháp bền vững cho đô thị Hà Nội.