Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày càng gia tăng, tài nguyên nước trên toàn cầu, đặc biệt là tại các lưu vực sông lớn, đang chịu áp lực nghiêm trọng. Tại Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, nhiệt độ trung bình năm đã tăng từ 0,5 đến 0,7°C trong vòng 50 năm qua, trong khi lượng mưa hàng năm giảm khoảng 2%. Lưu vực sông Đồng Nai, với tổng lượng dòng chảy hàng năm khoảng 37,4 tỷ m³ và lượng mưa trung bình 2000 mm/năm, là một trong những vùng kinh tế năng động nhất phía Nam Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong cung cấp nước cho sản xuất và sinh hoạt. Tuy nhiên, lưu vực này đang đối mặt với những biến đổi phức tạp về thủy văn do tác động của BĐKH, gây ra hiện tượng can kiệt dòng chảy vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước mặt tại thượng lưu vực sông Đồng Nai, thông qua việc thiết lập các kịch bản BĐKH dựa trên mô hình khí hậu toàn cầu CanESM2 GCM với các kịch bản phát thải RCP2.6, RCP4.5 và RCP8.5 cho các giai đoạn tương lai 2025 (2015-2040), 2055 (2045-2070) và 2085 (2075-2100). Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy văn SWAT kết hợp với công cụ chỉ tiết hóa thống kê SDSM để mô phỏng và dự báo sự thay đổi dòng chảy và các thành phần cân bằng nước trong lưu vực. Kết quả dự báo cho thấy dòng chảy năm có xu hướng tăng lần lượt khoảng 0,4%, 1,2% và 3,7% cho các giai đoạn trên, cung cấp thông tin quan trọng hỗ trợ quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Lý thuyết biến đổi khí hậu và tác động thủy văn: Biến đổi khí hậu được định nghĩa là những biến đổi có hại trong môi trường vật lý và sinh học, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và hoạt động kinh tế - xã hội. Các kịch bản BĐKH được xây dựng dựa trên các đường dẫn nồng độ khí nhà kính đại diện (RCPs) của IPCC, phản ánh các mức phát thải khác nhau.

  2. Mô hình thủy văn SWAT (Soil and Water Assessment Tool): SWAT là mô hình phân bố, mô phỏng các quá trình vật lý trong lưu vực sông như cân bằng nước, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc thoát hơi nước, và các quá trình liên quan đến đất đai và sử dụng đất. Lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực và đơn vị thủy văn (HRU) dựa trên đặc điểm sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc. Mô hình sử dụng phương trình cân bằng nước tổng quát:

$$ SW_t = SW_0 + \sum_{i=1}^t (R_{day} - Q_{sur} - E - W_{seep} - Q_{gw}) $$

trong đó các thành phần được tính toán chi tiết theo các phương pháp như SCS Curve Number cho dòng chảy mặt, Penman-Monteith cho bốc thoát hơi, và các phương trình vật lý khác cho dòng chảy ngầm và thấm nước.

  1. Mô hình chỉ tiết hóa thống kê SDSM (Statistical DownScaling Model): SDSM được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu khí hậu toàn cầu có độ phân giải thô từ mô hình GCM sang dữ liệu khí hậu khu vực có độ phân giải cao hơn, phù hợp với khu vực nghiên cứu. Phương pháp này dựa trên mối quan hệ thống kê giữa các biến khí hậu quy mô lớn và dữ liệu quan trắc tại địa phương.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi khí hậu, kịch bản RCP, mô hình thủy văn SWAT, chỉ tiết hóa thống kê, cân bằng nước lưu vực, và đơn vị thủy văn HRU.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu khí tượng thủy văn từ 10 trạm mưa và 3 trạm thủy văn với chuỗi số liệu dài từ cuối thế kỷ 19 đến năm 2013. Bản đồ địa hình số (DEM) với độ phân giải 90m, bản đồ sử dụng đất và thổ nhưỡng được thu thập và xử lý qua GIS. Dữ liệu khí hậu toàn cầu được lấy từ kho lưu trữ CMIP5, mô hình CanESM2 GCM.

  • Phương pháp phân tích: Dữ liệu khí hậu toàn cầu được chỉ tiết hóa bằng SDSM để tạo ra các kịch bản khí hậu khu vực cho các giai đoạn tương lai. Mô hình SWAT được thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định bằng phần mềm SWAT-CUP với các chỉ số đánh giá như NSE, PBIAS, R² và RSR để đảm bảo độ chính xác mô phỏng dòng chảy. Phân tích độ nhạy được thực hiện để xác định các tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến kết quả mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào ba giai đoạn tương lai: 2025 (2015-2040), 2055 (2045-2070) và 2085 (2075-2100), so sánh với giai đoạn hiện tại để đánh giá sự thay đổi tài nguyên nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT: Mô hình SWAT được hiệu chỉnh với dữ liệu lưu lượng tại các trạm Tà Lài, Tà Pao và Phú Hiệp cho giai đoạn 1980-2013 đạt các chỉ số đánh giá rất tốt với NSE > 0,75, PBIAS < 10%, R² > 0,9, chứng tỏ mô hình có khả năng mô phỏng chính xác dòng chảy thực tế.

  2. Thay đổi dòng chảy theo kịch bản BĐKH: Dòng chảy năm tại thượng lưu vực sông Đồng Nai dự báo tăng lần lượt khoảng 0,4% vào giai đoạn 2025, 1,2% vào 2055 và 3,7% vào 2085 theo kịch bản phát thải cao RCP8.5. Các kịch bản phát thải thấp và trung bình cũng cho thấy xu hướng tăng nhưng với mức độ thấp hơn.

  3. Biến đổi thành phần cân bằng nước: Lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng và thực tế có xu hướng tăng nhẹ theo thời gian, trong khi lượng nước mặt và nước ngầm cũng có sự thay đổi tương ứng, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước cho các hoạt động thủy điện và sinh hoạt.

  4. Phân bố không gian và thời gian: Lượng mưa và dòng chảy phân bố không đồng đều trong lưu vực, với mùa mưa chiếm 80-90% tổng lượng mưa năm, gây ra hiện tượng lũ lụt vào mùa mưa và thiếu nước vào mùa khô. Sự thay đổi khí hậu làm gia tăng tính bất ổn định này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi dòng chảy là do sự gia tăng nhiệt độ trung bình và biến đổi lượng mưa theo mùa, làm thay đổi chu trình thủy văn trong lưu vực. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, như nghiên cứu tại lưu vực sông Mê Công và các lưu vực sông tại Bắc Bộ Việt Nam, cho thấy BĐKH có tác động rõ rệt đến tài nguyên nước.

Việc sử dụng mô hình SWAT kết hợp với SDSM cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình thủy văn và dự báo chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống. Dữ liệu được trình bày qua các biểu đồ thay đổi dòng chảy theo thời gian và bản đồ phân bố các thành phần cân bằng nước giúp minh họa rõ nét tác động của BĐKH.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách và quản lý tài nguyên nước trong việc xây dựng các chiến lược ứng phó với BĐKH, đảm bảo phát triển bền vững khu vực thượng lưu vực sông Đồng Nai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và cập nhật dữ liệu khí tượng thủy văn: Thiết lập hệ thống quan trắc hiện đại, liên tục cập nhật dữ liệu để nâng cao độ chính xác mô hình và dự báo tài nguyên nước, nhằm giảm thiểu rủi ro do biến đổi khí hậu.

  2. Phát triển và áp dụng các mô hình thủy văn tích hợp: Khuyến khích sử dụng mô hình SWAT kết hợp với các công cụ chỉ tiết hóa thống kê như SDSM để đánh giá tác động BĐKH trên các lưu vực sông khác, phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên nước.

  3. Xây dựng kế hoạch quản lý nước linh hoạt theo kịch bản BĐKH: Thiết kế các giải pháp quản lý nguồn nước phù hợp với từng kịch bản phát thải, bao gồm điều tiết hồ chứa, quy hoạch sử dụng đất và phát triển hạ tầng thủy lợi nhằm giảm thiểu tác động mùa khô và mùa mưa.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ quản lý và cộng đồng về tác động của BĐKH đến tài nguyên nước và các biện pháp ứng phó hiệu quả, đảm bảo sự tham gia rộng rãi và đồng thuận trong quản lý tài nguyên nước.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 5-10 năm tới, với sự phối hợp giữa các cơ quan quản lý nhà nước, viện nghiên cứu và cộng đồng địa phương nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch quản lý nguồn nước phù hợp với tác động của biến đổi khí hậu.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận, mô hình và dữ liệu để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu về thủy văn và biến đổi khí hậu tại các lưu vực sông khác.

  3. Cơ quan hoạch định chính sách phát triển kinh tế - xã hội: Áp dụng thông tin dự báo tài nguyên nước để cân đối phát triển kinh tế, đặc biệt trong các lĩnh vực thủy điện, nông nghiệp và đô thị hóa.

  4. Cộng đồng và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước, từ đó tham gia tích cực vào các hoạt động bảo vệ và sử dụng bền vững tài nguyên nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng như thế nào đến tài nguyên nước tại lưu vực sông Đồng Nai?
    Biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa và nhiệt độ, dẫn đến sự biến động dòng chảy theo mùa, tăng nguy cơ lũ lụt mùa mưa và thiếu nước mùa khô. Nghiên cứu dự báo dòng chảy năm tăng nhẹ nhưng phân bố không đều, gây áp lực lên quản lý nguồn nước.

  2. Tại sao mô hình SWAT được lựa chọn trong nghiên cứu này?
    SWAT là mô hình phân bố mạnh, miễn phí, có khả năng mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp trong lưu vực rộng lớn và đa dạng, phù hợp với điều kiện lưu vực sông Đồng Nai. Mô hình cũng cho phép hiệu chỉnh và kiểm định với dữ liệu thực tế để nâng cao độ chính xác.

  3. Phương pháp chỉ tiết hóa thống kê SDSM có ưu điểm gì?
    SDSM dễ áp dụng, ít tốn kém và phù hợp với các khu vực có dữ liệu khí hậu hạn chế. Nó giúp chuyển đổi dữ liệu khí hậu toàn cầu có độ phân giải thô sang dữ liệu khu vực chi tiết hơn, phục vụ cho mô hình thủy văn và đánh giá tác động BĐKH.

  4. Các kịch bản RCP được sử dụng trong nghiên cứu có ý nghĩa gì?
    Các kịch bản RCP phản ánh các mức phát thải khí nhà kính khác nhau, từ thấp (RCP2.6) đến cao (RCP8.5), giúp dự báo các kịch bản biến đổi khí hậu tương lai và đánh giá tác động đa dạng đến tài nguyên nước.

  5. Làm thế nào để kết quả nghiên cứu hỗ trợ quản lý tài nguyên nước?
    Kết quả cung cấp dự báo dòng chảy và các thành phần cân bằng nước theo các kịch bản BĐKH, giúp các nhà quản lý xây dựng kế hoạch điều tiết nước, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững, đồng thời nâng cao khả năng ứng phó với biến đổi khí hậu.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết lập và hiệu chỉnh thành công mô hình thủy văn SWAT kết hợp với công cụ chỉ tiết hóa SDSM để đánh giá tác động biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước thượng lưu vực sông Đồng Nai.
  • Dòng chảy năm dự báo tăng nhẹ theo các kịch bản phát thải khí nhà kính, với mức tăng từ 0,4% đến 3,7% trong giai đoạn 2025 đến 2085.
  • Các thành phần cân bằng nước như bốc thoát hơi, dòng chảy mặt và ngầm có sự biến đổi theo mùa và không gian, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước cho phát triển kinh tế và sinh hoạt.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc xây dựng các chính sách quản lý tài nguyên nước và ứng phó với biến đổi khí hậu tại lưu vực sông Đồng Nai.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các lưu vực khác, cập nhật dữ liệu liên tục và phát triển các giải pháp quản lý nước linh hoạt, bền vững.

Quý độc giả và các nhà quản lý được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.