Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu đang là thách thức an ninh phi truyền thống mang tính toàn cầu, tác động trực tiếp và sâu sắc đến chu trình thủy văn cũng như nguồn tài nguyên nước mặt. Theo các công bố chính thức từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong vòng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình tại Việt Nam đã tăng từ 0,5 đến 0,7 độ C, mực nước biển dâng khoảng 20 cm, và dự báo nhiệt độ có thể tiếp tục tăng tới 3,0 độ C vào năm 2100. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông trọng điểm thuộc hệ thống sông Thái Bình ở miền Bắc Việt Nam, có diện tích lưu vực tự nhiên 6.030 km2 với chiều dài dòng chính đạt 288,5 km và mạng lưới 68 nhánh sông suối. Khu vực này bao phủ không gian lãnh thổ của 6 tỉnh, thành phố gồm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hà Nội, nơi tập trung hơn 3,74 triệu dân với mật độ dân số trung bình 553 người/km2.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định tính và định lượng mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu cơ bản, đồng thời xác định tác động nhiều chiều của biến đổi khí hậu đến các đặc trưng dòng chảy mặt như lưu lượng dòng chảy đến, tổng lượng dòng chảy năm và phân bố dòng chảy theo mùa. Nghiên cứu thực hiện đánh giá toàn diện chuỗi số liệu quan trắc lịch sử giai đoạn 1974-2013 và dự tính bức tranh dòng chảy tương lai trong giai đoạn 2014-2033. Kết quả nghiên cứu đóng vai trò là cơ sở khoa học then chốt phục vụ công tác quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai lũ quét, sạt lở đất và xây dựng các kịch bản an ninh nguồn nước bền vững cho toàn vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi khí hậu toàn cầu của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu kết hợp với nguyên lý bảo toàn và cân bằng nước trong chu trình thủy văn tự nhiên. Hệ thống lý thuyết tập trung vào mối quan hệ tương tác phức tạp giữa nhiệt độ, bốc thoát hơi nước, lượng giáng thủy và cơ chế hình thành dòng chảy mặt trên lưu vực sông nhiệt đới gió mùa.

Khung nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm khoa học chủ đạo: hệ thống khí hậu và tính biến động dài hạn, kịch bản phát thải khí nhà kính SRES với trọng tâm là kịch bản phát thải trung bình A1B, module dòng chảy mặt và cấu trúc cân bằng ẩm liên tục 5 bể chứa trong mô hình toán thủy văn. Mô hình khái niệm này mô phỏng cơ chế trữ ẩm tại lớp phủ mặt đất, tầng rễ cây, tầng sát mặt và hai tầng chứa nước ngầm liên tục, từ đó lượng hóa chính xác lượng nước tổn thất do bốc hơi thực tế và thành phần dòng chảy sinh thái.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài bao gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn chuẩn mực trong 40 năm liên tục từ năm 1974 đến năm 2013. Dữ liệu khí quyển được thu thập từ 6 trạm khí tượng bề mặt đại diện cho các tiểu vùng sinh thái gồm Bắc Kạn, Định Hóa, Thái Nguyên, Tam Đảo, Vĩnh Yên, Bắc Ninh, kết hợp với mạng lưới 6 trạm thủy văn chủ lực gồm Thác Riềng, Chợ Mới, Gia Bảy, Chã, Phúc Lộc Phương và Đáp Cầu. Phương pháp chọn mẫu áp dụng nguyên tắc bao phủ toàn bộ các điểm quan trắc có chuỗi dữ liệu lịch sử liên tục, đồng nhất và tin cậy cao sau khi đã vượt qua các bước kiểm tra giới hạn vật lý, tính tương thích không gian và sai số thống kê.

Phương pháp phân tích số liệu kết hợp chặt chẽ giữa thống kê toán học và mô hình hóa nâng cao. Xu thế biến đổi dài hạn của nhiệt độ và lượng mưa được xác minh qua phương trình hồi quy tuyến tính cùng kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall nhằm loại trừ sai số đột biến của chuỗi thời gian. Dữ liệu khí hậu tương lai giai đoạn 2014-2033 được trích xuất từ mô hình khí hậu khu vực RegCM3 với độ phân giải ngang 36 km và 18 tầng thẳng đứng thông qua phần mềm xử lý dữ liệu OpenGrADS. Mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM được lựa chọn làm công cụ mô phỏng chính nhờ ưu thế vượt trội trong việc tái hiện dòng chảy lưu vực có mạng lưới đo đạc dòng chảy thưa thớt nhưng giàu dữ liệu đo mưa, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn đánh giá chỉ số tương quan và độ hữu hiệu khắt khe của Tổ chức Khí tượng Thế giới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nền nhiệt độ không khí trên toàn lưu vực sông Cầu thể hiện xu thế tăng rõ rệt và đồng nhất qua chuỗi thời gian 40 năm. Nhiệt độ không khí trung bình năm dao động từ 18,1 độ C tại trạm vùng núi cao Tam Đảo đến 23,7 độ C tại trạm đồng bằng Vĩnh Yên. Tốc độ gia tăng nhiệt độ thể hiện rõ rệt nhất vào mùa đông, trong đó nhiệt độ cực đại tháng 1 có mức tăng bình quân đạt trên 0,4 độ C mỗi thập kỷ, làm cho mùa đông ấm lên nhanh chóng trong khi nhiệt độ cực tiểu mùa hè có mức tăng khoảng 0,2 độ C mỗi thập kỷ.

Thứ hai, chế độ mưa mang tính phân hóa không gian và thời gian vô cùng sâu sắc. Lượng mưa trung bình nhiều năm của toàn lưu vực đạt khoảng 1.700 mm/năm. Tuy nhiên, vùng đón gió Tam Đảo và vùng trung du Thái Nguyên ghi nhận lượng mưa rất cao, lần lượt đạt 2.495 mm/năm và 2.074 mm/năm, trái ngược với khu vực đồng bằng Bắc Ninh chỉ đạt khoảng 1.477 mm/năm. Các đợt mưa lớn cực đoan có lượng mưa ngày từ 50 mm trở lên có xu thế gia tăng cường suất cục bộ, gây nguy cơ xói mòn và sạt lở mạnh ở vùng thượng nguồn.

Thứ ba, sự phân phối dòng chảy mặt trong năm bị mất cân đối nghiêm trọng giữa mùa lũ và mùa kiệt. Mùa lũ kéo dài 4 tháng từ tháng 6 đến tháng 9 nhưng chiếm tới 75% đến 80% tổng lượng dòng chảy cả năm, với lưu lượng đỉnh lũ lịch sử quan trắc tại Thác Bưởi từng đạt tới 3.490 m3/s. Ngược lại, 8 tháng mùa cạn chỉ đóng góp 20% đến 25% tổng lượng nước năm, module dòng chảy kiệt thấp nhất trên lưu vực suy giảm xuống dưới 1,0 l/s/km2.

Thứ tư, dưới kịch bản phát thải trung bình A1B giai đoạn 2014-2033, diễn toán từ mô hình MIKE NAM chỉ ra rằng tổng lượng dòng chảy mặt có xu hướng tăng nhẹ khoảng 1,5% đến 3,2% trên toàn lưu vực. Dòng chảy các tháng mùa mưa lũ dự tính tăng mạnh từ 3,5% đến 6,2%, trong khi dòng chảy trong các tháng kiệt sâu nhất từ tháng 1 đến tháng 3 tiếp tục sụt giảm từ 2,8% đến 5,5%, làm gia tăng biên độ chênh lệch thủy văn giữa hai mùa.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm dòng chảy mùa kiệt và gia tăng dòng chảy mùa lũ xuất phát từ tác động kép của các hiện tượng khí hậu cực đoan và sự biến động diện tích thảm phủ rừng tự nhiên. Tình trạng đất trống đồi núi trọc chiếm khoảng 39% diện tích đất lâm nghiệp trong lưu vực đã làm suy giảm khả năng giữ nước ngầm và tăng cường hệ số dòng chảy tràn mặt đất trong các trận bão lớn.

Những kết quả này hoàn toàn đồng nhất với các công bố khoa học trước đây về tác động của biến đổi khí hậu trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, nơi dòng chảy lũ được dự báo tăng từ 2,0% đến 4,0% và dòng chảy kiệt giảm từ 3,0% đến 10,0%. Các xu thế biến đổi này có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ phân bố đường xu thế tuyến tính Mann-Kendall kết hợp bảng ma trận so sánh lượng dòng chảy tháng giữa hai thời kỳ lịch sử và tương lai, làm nổi bật bức tranh phân hóa dòng chảy theo không gian địa hình từ thượng lưu Bắc Kạn xuống hạ lưu Bắc Ninh.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, hoàn thiện và áp dụng quy trình vận hành liên hồ chứa thông minh trên lưu vực sông Cầu. Cơ quan chủ quản là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp cùng Ủy ban nhân dân các tỉnh Thái Nguyên, Bắc Kạn thực hiện trong lộ trình 2024-2028, hướng tới mục tiêu chủ động cắt giảm từ 10% đến 15% đỉnh lũ trong mùa mưa bão và đảm bảo lưu lượng xả duy trì dòng chảy môi trường tối thiểu lớn hơn 4,5 m3/s tại trạm Thác Bưởi trong các tháng mùa cạn.

Thứ hai, triển khai chương trình phục hồi và khoanh nuôi rừng phòng hộ đầu nguồn trên các tiểu lưu vực xung yếu. Chi cục Kiểm lâm các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên và Vĩnh Phúc đóng vai trò chủ trì giai đoạn 2024-2030, hướng đến mục tiêu nâng độ che phủ rừng lưu vực lên trên 55%, đồng thời giảm tỷ lệ đất trống đồi núi trọc từ mức 39% hiện nay xuống dưới 15% nhằm tăng cường khả năng điều tiết nước ngầm tự nhiên.

Thứ ba, nâng cấp và hiện đại hóa mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn tự động. Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia cùng các Sở Tài nguyên và Môi trường liên tỉnh triển khai trong giai đoạn 2024-2027, thực hiện mục tiêu tự động hóa 100% các điểm đo mưa và trạm thủy văn trọng điểm như Gia Bảy, Chã và Đáp Cầu, nâng thời gian dự báo cảnh báo sớm lũ lụt trước 48 đến 72 giờ với độ chính xác đạt trên 85%.

Thứ tư, tái cơ cấu mùa vụ nông nghiệp và ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước tại các vùng đồng bằng trung và hạ lưu. Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh và Hà Nội chủ trì trong giai đoạn 2025-2030, đặt chỉ tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% lượng nước tiêu thụ lãng phí trong canh tác nông nghiệp mùa khô, thích ứng linh hoạt với tình trạng thiếu hụt nguồn nước mặt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và thực tiễn phong phú cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất là các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và nông nghiệp, bao gồm Cục Quản lý Tài nguyên nước, Cục Thủy lợi và Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu. Luận văn cung cấp luận cứ định lượng để xây dựng quy hoạch tổng hợp tài nguyên nước và kế hoạch hành động ứng phó biến đổi khí hậu cấp địa phương.

Thứ hai là các kỹ sư công trình thủy lợi, cấp thoát nước và quy hoạch hạ tầng đô thị. Nguồn số liệu thủy văn phục hồi cùng các thông số dòng chảy lũ và kiệt cực trị là đầu vào kỹ thuật cần thiết để tính toán khẩu độ công trình cống, đập, trạm bơm tưới tiêu tại các đô thị lớn như Thái Nguyên, Bắc Ninh, Vĩnh Yên.

Thứ ba là các nhà nghiên cứu, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Khí tượng, Thủy văn, Biến đổi khí hậu và Khoa học môi trường. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về quy trình kết nối mô hình khí hậu khu vực RegCM3 với mô hình thủy văn MIKE NAM.

Thứ tư là các ban quản lý khu công nghiệp và doanh nghiệp khai thác nước mặt trên địa bàn lưu vực. Dữ liệu dự báo suy giảm dòng chảy mùa kiệt giúp các đơn vị chủ động xây dựng phương án trữ nước sản xuất, bảo đảm an toàn vận hành liên tục.

Câu hỏi thường gặp

Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến lượng mưa tại lưu vực sông Cầu? Lượng mưa trung bình năm toàn lưu vực duy trì ở mức 1.700 mm nhưng có sự phân hóa cục bộ rất lớn. Khu vực núi Tam Đảo ghi nhận lượng mưa lên tới 2.495 mm/năm trong khi Bắc Ninh chỉ đạt 1.477 mm/năm. Xu thế chung là lượng mưa gia tăng cường độ cực đoan vào các tháng mùa hè và sụt giảm trong mùa đông, làm tăng nguy cơ ngập lụt lẫn hạn hán.

Tại sao mô hình MIKE NAM lại được lựa chọn để khôi phục dòng chảy? Mô hình MIKE NAM sở hữu cấu trúc 5 bể chứa liên tục, mô phỏng chính xác chu trình giữ nước, thấm và tạo dòng chảy ngầm ở vùng nhiệt đới gió mùa. Mô hình rất phù hợp với điều kiện thực tế lưu vực sông Cầu khi phần lớn các trạm thủy văn lịch sử như Thác Riềng, Thác Bưởi đã dừng đo, giúp tái hiện chuỗi dòng chảy 40 năm với độ hữu hiệu cao.

Dòng chảy mùa lũ trên sông Cầu chiếm bao nhiêu phần trăm tổng lượng nước cả năm? Dòng chảy mùa lũ diễn ra trong 4 tháng từ tháng 6 đến tháng 9, chiếm từ 75% đến 80% tổng lượng dòng chảy năm. Đỉnh lũ lịch sử tại Thác Bưởi đạt mức 3.490 m3/s, trong khi lượng nước 8 tháng mùa cạn chỉ chiếm 20% đến 25%, gây ra áp lực ngập lụt nghiêm trọng cho các vùng ven sông hạ lưu.

Kịch bản phát thải trung bình A1B dự báo xu thế dòng chảy giai đoạn 2014-2033 ra sao? Theo kịch bản A1B, tổng lượng dòng chảy năm dự kiến tăng nhẹ từ 1,5% đến 3,2%. Tuy nhiên, dòng chảy mùa mưa lũ tăng mạnh từ 3,5% đến 6,2%, trong khi dòng chảy 8 tháng mùa cạn tiếp tục suy giảm từ 2,8% đến 5,5%, khiến tình trạng thiếu nước mùa khô thêm gay gắt.

Đâu là giải pháp căn cơ nhất để thích ứng với biến đổi dòng chảy trên lưu vực sông Cầu? Giải pháp quan trọng nhất là phục hồi diện tích rừng đầu nguồn nhằm nâng độ che phủ lên trên 55%, kết hợp ban hành quy chế vận hành liên hồ chứa để cắt 10% đến 15% đỉnh lũ và bảo đảm lưu lượng xả đáy duy trì dòng chảy kiệt tối thiểu trên 4,5 m3/s.

Kết luận

  • Nền nhiệt độ toàn lưu vực sông Cầu có xu thế ấm lên rõ rệt trong 40 năm qua, đặc biệt nhiệt độ cực đại mùa đông tăng trên 0,4 độ C mỗi thập kỷ.
  • Lượng mưa trung bình năm đạt 1.700 mm nhưng phân hóa sâu sắc theo không gian từ 1.477 mm đến 2.495 mm/năm, gia tăng các đợt mưa lớn cực đoan.
  • Dòng chảy mặt mất cân đối nghiêm trọng khi mùa lũ 4 tháng chiếm 75% đến 80% tổng lượng nước, trong khi mùa cạn 8 tháng chỉ đóng góp 20% đến 25%.
  • Kịch bản phát thải trung bình A1B giai đoạn 2014-2033 dự tính lưu lượng mùa lũ tiếp tục tăng tới 6,2% và lưu lượng mùa kiệt suy giảm sâu tới 5,5%.
  • Ứng dụng thành công chuỗi mô hình RegCM3 và MIKE NAM cung cấp bộ dữ liệu khoa học tin cậy phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên nước.

Luận văn đã hoàn thành mục tiêu xây dựng bức tranh đánh giá định lượng toàn diện đầu tiên về tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mặt lưu vực sông Cầu. Để giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo đảm an ninh nguồn nước, các cơ quan ban ngành và địa phương cần khẩn trương tích hợp các kịch bản thủy văn này vào quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn 2025-2030, đồng thời triển khai đồng bộ các giải pháp công trình và phi công trình ngay từ hôm nay.