Luận văn thạc sĩ về dự báo diễn biến dòng chảy do biến đổi khí hậu tại Ninh Thuận

Luận văn thạc sĩ môi trường nghiên cứu quản lý tài nguyên và môi trường dự báo diễn biến dòng chảy dưới tác động biến đổi khí hậu tại khu, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Minh Thơ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Công Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên Và Môi Trường
• Đề tài: Dự Báo Dòng Chảy Dưới Tác Động Biến Đổi Khí Hậu Tại Ninh Thuận
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.1. Phương pháp luận
• 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TỈNH NINH THUẬN VÀ LƯU VỰC SÔNG CÁI PHAN RANG
• 2.1. Điều kiện tự nhiên
• 2.1.1. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Đặc điểm địa hình
• 2.1.3. Đặc điểm đất đai
• 2.1.4. Thảm thực vật
• 2.1.5. Đặc điểm khí tượng, thủy văn
• 2.1.6. Biến đổi khí hậu
• 2.2. Tình hình kinh tế-xã hội
• 2.2.1. Dân số, lao động, việc làm và đời sống dân cư
• 2.2.2. Hiện trạng phát triển các ngành kinh tế chính
• 2.3. Hiện trạng khô kiệt dòng chảy và hạn hán tại tỉnh Ninh Thuận
• 2.3.1. Khái niệm khô hạn và bán khô hạn
• 2.3.2. Hiện trạng khô kiệt dòng chảy tại tỉnh Ninh Thuận
• 2.4. Giải pháp ứng phó hiện trạng khô kiệt dòng chảy và hạn hán tại tỉnh Ninh Thuận
• 2.5. Những nghiên cứu đã thực hiện ở Ninh Thuận
• 2.6. Đánh giá chung
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN VÀ MÔ HÌNH KHÁI NIỆM MƯA-DÒNG CHẢY GR4J
• 3.1. Tổng quan nghiên cứu mô hình thủy văn
• 3.1.1. Mô hình thủy văn
• 3.1.2. Mô hình mưa-dòng chảy
• 3.1.3. Ứng dụng của mô hình khái niệm mưa dòng chảy
• 3.2. Mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J
• 3.2.1. Lịch sử phát triển mô hình GR4J
• 3.2.2. Cấu trúc mô hình GR4J
• 3.2.3. Phần mềm chạy mô hình
• 3.2.4. Các ứng dụng của mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GR4J TẠI LƯU VỰC SÔNG CÁI TỈNH NINH THUẬN
• 4.1. Các số liệu đầu vào
• 4.1.1. Xác định lượng xả đập thủy điện Đa Nhim vào lưu vực sông CPR
• 4.1.2. Số liệu đầu vào
• 4.2. Các tiêu chí đánh giá mô hình
• 4.2.1. Các hàm mục tiêu được sử dụng hiệu chỉnh mô hình
• 4.2.2. Xác định hàm tối ưu cho tham số trong Source
• 4.3. Các bước chạy mô hình
• 4.3.1. Thiết lập lưu vực
• 4.3.2. Chọn mô hình mưa dòng chảy và thiết lập số liệu đầu vào
• 4.3.3. Hiệu chỉnh mô hình GR4J
• 4.3.4. Kiểm định mô hình GR4J
• 4.3.5. Dự báo dòng chảy bằng mô hình GR4J
• 4.4. Các trường hợp tính toán
• 4.4.1. Phân tích độ nhạy các tham số x1, x2, x3, x4 trong mô hình GR4J
• 4.4.2. Trường hợp 1: Đánh giá khả năng mô phỏng của GR4J cho lưu vực CPR ở nhiều thời đoạn khác nhau
• 4.4.3. Trường hợp 2: Đánh giá khả năng mô phỏng của GR4J cho lưu vực CPR tại các vị trí khác nhau
• 4.4.4. Trường hợp 3: Mô phỏng dòng chảy bằng GR4J tại điểm ra của lưu vực sông CPR
• 4.4.5. Trường hợp 4: Dự báo dòng chảy cho lưu vực sông CPR trong điều kiện BĐKH
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Phân tích kết quả
• 5.1.1. Phân tích độ nhạy các tham số mô hình
• 5.1.2. Đánh giá khả năng mô phỏng của GR4J tại trạm Tân Mỹ ở nhiều thời đoạn khác nhau (Trường hợp 1)
• 5.1.3. Đánh giá khả năng mô phỏng của GR4J cho lưu vực sông CPR tại các vị trí khác nhau (Trường hợp 2)
• 5.1.4. Mô phỏng dòng chảy tại điểm cửa ra của hệ thống sông Cái Phan Rang (Trường hợp 3)
• 5.1.5. Đánh giá khả năng dự báo dòng chảy của GR4J cho lưu vực sông Cái Phan Rang trong điều kiện biến đổi khí hậu (Trường hợp 4)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Tổng quan về dự báo dòng chảy tại Ninh Thuận dưới biến đổi khí hậu

Ninh Thuận, một tỉnh ven biển miền Trung Việt Nam, đang phải đối mặt với nhiều thách thức về nguồn nước do biến đổi khí hậu. Tình trạng khô hạn và bán khô hạn tại đây đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến dòng chảy sông và nguồn nước sinh hoạt. Việc dự báo diễn biến dòng chảy là cần thiết để quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn. Nghiên cứu này sẽ sử dụng mô hình GR4J để phân tích và dự báo dòng chảy trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

1.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội của Ninh Thuận

Ninh Thuận có khí hậu khô hạn, với lượng mưa không đồng đều. Tình hình kinh tế chủ yếu dựa vào nông nghiệp, nhưng nguồn nước đang ngày càng khan hiếm. Việc hiểu rõ đặc điểm này là cơ sở để dự báo dòng chảy chính xác hơn.

1.2. Tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước

Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, dẫn đến tình trạng khô kiệt dòng chảy. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ trung bình năm tại Ninh Thuận có xu hướng tăng, ảnh hưởng đến lượng nước mặt.

II. Vấn đề khô hạn và thách thức quản lý nước tại Ninh Thuận

Tình trạng khô hạn tại Ninh Thuận đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống và sản xuất. Nguồn nước mặt không đủ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp. Việc quản lý nước hiệu quả là cần thiết để giảm thiểu tác động của khô hạn.

2.1. Nguyên nhân gây khô hạn tại Ninh Thuận

Khí hậu khô nóng, cùng với sự gia tăng dân số và nhu cầu sử dụng nước, đã dẫn đến tình trạng khô hạn. Các nghiên cứu cho thấy rằng lượng mưa trung bình hàng năm không đủ để duy trì dòng chảy ổn định.

2.2. Hệ quả của khô hạn đối với đời sống

Khô hạn không chỉ ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp mà còn tác động đến sinh hoạt của người dân. Nhiều hộ gia đình phải đối mặt với tình trạng thiếu nước, ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống hàng ngày.

III. Phương pháp dự báo dòng chảy bằng mô hình GR4J

Mô hình GR4J là một công cụ mạnh mẽ trong việc dự báo dòng chảy sông. Mô hình này sử dụng dữ liệu mưa và các thông số thủy văn để mô phỏng dòng chảy. Việc áp dụng mô hình này tại Ninh Thuận sẽ giúp cải thiện khả năng dự báo và quản lý nguồn nước.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mô hình GR4J

Mô hình GR4J được xây dựng dựa trên các nguyên lý thủy văn cơ bản, cho phép mô phỏng dòng chảy từ lượng mưa. Cấu trúc của mô hình bao gồm các tham số chính ảnh hưởng đến dòng chảy.

3.2. Quy trình áp dụng mô hình GR4J tại Ninh Thuận

Quy trình áp dụng mô hình bao gồm thu thập dữ liệu, hiệu chỉnh mô hình và chạy mô phỏng. Các kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác.

IV. Kết quả dự báo dòng chảy và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ mô hình GR4J cho thấy dòng chảy tại Ninh Thuận có sự biến động lớn giữa các mùa. Dự báo cho thấy mùa mưa sẽ có lượng nước tăng cao, trong khi mùa khô sẽ tiếp tục thiếu nước. Những kết quả này có thể giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định hợp lý trong việc sử dụng và phân bổ nguồn nước.

4.1. Phân tích kết quả mô phỏng dòng chảy

Kết quả mô phỏng cho thấy dòng chảy mặt tại Ninh Thuận có sự chênh lệch lớn giữa các mùa. Mô hình đã dự đoán chính xác các biến động trong dòng chảy, giúp cải thiện khả năng quản lý nước.

4.2. Ứng dụng kết quả vào quản lý tài nguyên nước

Kết quả dự báo có thể được sử dụng để xây dựng các kế hoạch quản lý nước hiệu quả hơn. Các nhà quản lý có thể dựa vào thông tin này để điều chỉnh các chính sách và biện pháp ứng phó với khô hạn.

V. Kết luận và hướng đi tương lai cho dự báo dòng chảy

Dự báo dòng chảy dưới tác động của biến đổi khí hậu là một nhiệm vụ quan trọng tại Ninh Thuận. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình GR4J có thể cải thiện khả năng dự báo và quản lý nguồn nước. Hướng đi tương lai cần tập trung vào việc nâng cao độ chính xác của mô hình và mở rộng ứng dụng của nó.

5.1. Tóm tắt các kết quả chính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình GR4J có khả năng dự báo dòng chảy chính xác, giúp các nhà quản lý có thông tin cần thiết để ra quyết định.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện mô hình và áp dụng các công nghệ mới trong dự báo dòng chảy. Việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn sẽ giúp nâng cao độ chính xác của dự báo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước mặt đóng vai trò huyết mạch đối với an ninh sinh thái và phát triển kinh tế tại khu vực Nam Trung Bộ, trong đó riêng tại Ninh Thuận, nước mặt đáp ứng tới 76,40% nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Tuy nhiên, lưu vực sông Cái Phan Rang với diện tích tự nhiên 2.490 km2 thuộc địa phận tỉnh Ninh Thuận (chiếm 82% toàn bộ lưu vực) đang đối mặt với tình trạng căng thẳng nguồn nước nghiêm trọng. Mùa mưa chỉ kéo dài trong 3 tháng (từ tháng 9 đến tháng 11) nhưng chiếm đến 56% tổng lượng nước cả năm, trong khi 9 tháng mùa khô dòng chảy suy kiệt rõ rệt. Lượng bốc hơi trung bình năm tại khu vực đạt mức rất cao lên đến 2.105 mm, gấp hơn hai lần lượng mưa ven biển (dao động từ 700 mm đến 1.000 mm/năm).

Dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiệt độ trung bình năm tại khu vực nghiên cứu đã tăng khoảng 0,03°C trong một thập kỷ qua, đi kèm hiện tượng số ngày nắng nóng cực đoan vượt mốc 80 ngày mỗi năm. Hậu quả thực tế là trữ lượng nước tại 20 hồ chứa trọng điểm trong tỉnh vào đầu năm 2018 chỉ còn khoảng 50 triệu m3 so với tổng dung tích thiết kế 194 triệu m3, đẩy 14 hồ chứa về mực nước chết.

Nghiên cứu được triển khai nhằm mô phỏng và dự báo diễn biến dòng chảy mặt lưu vực sông Cái Phan Rang trong giai đoạn lịch sử và dự phóng đến năm 2030 theo các kịch bản biến đổi khí hậu bằng mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J. Kết quả cung cấp luận cứ khoa học định lượng với độ tin cậy cao, phục vụ công tác quy hoạch, điều tiết liên hồ chứa và thích ứng bền vững với hạn hán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết chu trình thủy văn và nguyên lý cân bằng nước tổng thể lưu vực để mô tả mối quan hệ tương hỗ giữa lượng mưa, bốc thoát hơi nước tiềm năng và dòng chảy mặt. Mô hình khái niệm thủy văn mưa-dòng chảy GR4J (Génie Rural à 4 paramètres Journalier) được lựa chọn làm nền tảng tính toán trọng tâm. Cấu trúc mô hình bao gồm hai bể chứa chính: bể chứa đất ẩm được kiểm soát bởi dung tích trữ ẩm x1 (mm) cùng hệ số trao đổi nước ngầm x2 (mm/ngày), và bể định tuyến được điều phối bởi dung tích x3 (mm) cùng thời gian trễ đơn vị x4 (ngày).

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được tích hợp bao gồm: vùng khô hạn và bán khô hạn (đặc trưng bởi lượng mưa thấp dưới 600 mm và hệ sinh thái xavan), hạn khí tượng, hạn thủy văn, và kịch bản phát thải khí nhà kính nồng độ đại diện RCP4.5 và RCP8.5 do Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu thiết lập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn hàng ngày liên tục trong 18 năm (từ năm 1998 đến năm 2015) tại 6 trạm khí tượng thủy văn đại diện gồm trạm Phan Rang, Tân Mỹ, Sông Pha, Khánh Sơn, Phước Bình và Phước Hòa. Nghiên cứu tích hợp thêm lưu lượng bổ sung thực tế 537 triệu m3/năm từ đập thủy điện Đa Nhim xả vào lưu vực.

Phương pháp mô hình hóa được vận hành trên nền tảng phần mềm eWater Source. Lý do lựa chọn mô hình GR4J xuất phát từ ưu thế cấu trúc tinh gọn với 4 tham số, giúp hạn chế hiện tượng dư thừa tham số và giảm thiểu độ bất định khi dữ liệu địa chất thủy văn còn thiếu thốn. Hiệu suất mô hình được tối ưu hóa qua thuật toán Shuffled Complex Evolution và đánh giá nghiêm ngặt qua 3 chỉ số thống kê: Hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE > 0,95), Hệ số tương quan Pearson (r từ 0,70 đến 1,00) và Sai số thể tích (Volume Bias - VB < 5%). Tiến độ nghiên cứu được thực hiện từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 12 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình GR4J thể hiện khả năng mô phỏng dòng chảy mặt vượt trội trên toàn lưu vực sông Cái Phan Rang với bộ tham số tối ưu gồm dung tích bể trữ ẩm x1 = 453,20 mm, hệ số trao đổi nước ngầm x2 = -0,24 mm/ngày, dung tích bể định tuyến x3 = 54,67 mm và thời gian trễ x4 = 1,22 ngày. Trong giai đoạn hiệu chỉnh (2005-2008) và các giai đoạn kiểm định (1998-2000, 2001-2004 tại trạm Tân Mỹ; 2013-2015 tại trạm Phước Hòa), hệ số NSE đều đạt trên 0,95 và sai số thể tích VB luôn duy trì ở mức dưới 5%.

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân hóa dòng chảy theo mùa vô cùng sâu sắc. Dòng chảy 3 tháng mùa mưa chiếm từ 58% đến 65% tổng lượng dòng chảy năm, trong khi 9 tháng mùa khô dòng chảy kiệt suy giảm mạnh. Lưu lượng dòng chảy tự nhiên vào mùa kiệt tại hạ lưu gần như cạn kiệt nếu không có lượng nước xả bổ sung bình quân 537 triệu m3/năm từ nhà máy thủy điện Đa Nhim.

Theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 đến năm 2030, lượng mưa một ngày lớn nhất năm có xu thế tăng mạnh từ 31,4% đến 48,1% tại các trạm thượng nguồn như Phước Bình và Phước Đại. Xu thế này làm gia tăng nguy cơ lũ quét và ngập lụt cục bộ tại hạ lưu Phan Rang trong mùa mưa. Ngược lại, vào mùa khô, nền nhiệt độ tăng thêm khoảng 0,6°C đến 1,2°C khiến lượng bốc hơi tăng cao, dẫn đến nguy cơ suy giảm dòng chảy mùa kiệt thêm 8% đến 12%.

Thảo luận kết quả

Sự phân hóa dòng chảy cực đoan bắt nguồn từ cấu trúc thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật của khu vực. Toàn lưu vực có đến 48,54% là đất đỏ vàng tầng mỏng và 29,49% đất xám bán khô hạn, trong khi diện tích rừng lá rộng thường xanh chỉ chiếm 28% tổng diện tích. Điều này làm giảm đáng kể dung lượng trữ nước ngầm tự nhiên và gia tăng hệ số tập trung dòng chảy mặt khi xuất hiện các trận mưa lớn.

Dữ liệu mô phỏng được minh họa rõ nét qua biểu đồ thủy văn dòng chảy (hydrograph) so sánh dòng chảy thực đo và tính toán theo bước thời gian ngày tại trạm Tân Mỹ, kết hợp cùng bảng ma trận độ nhạy tham số x1 đến x4. So với các mô hình phân tán phức tạp như MIKE BASIN hay SWAT từng được áp dụng trước đây tại miền Trung, GR4J đạt độ chuẩn xác tương đương nhưng rút ngắn hơn 60% thời gian xử lý và hiệu chỉnh tham số.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả dự báo dòng chảy mặt, các giải pháp quản lý tài nguyên nước bền vững được khuyến nghị cụ thể như sau:

• Xây dựng quy chế phối hợp vận hành linh hoạt liên hồ chứa giữa Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi Ninh Thuận và Công ty Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi. Mục tiêu duy trì lưu lượng xả tối thiểu mùa kiệt từ 10 m3/s đến 12 m3/s, đảm bảo cấp đủ 80% nhu cầu nước tưới cho hạ du trong giai đoạn 2021-2023.
• Chuyển đổi cơ cấu cây trồng và mùa vụ thích ứng hạn hán do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Ninh Thuận chủ trì. Tiến hành chuyển đổi tối thiểu 1.500 ha diện tích trồng lúa kém hiệu quả tại các huyện Ninh Phước, Thuận Nam và Ninh Hải sang trồng nho, táo, bắp và cỏ chăn nuôi, giúp tiết kiệm từ 30% đến 40% lượng nước tưới tiêu trong giai đoạn 2022-2025.
• Thiết lập hệ thống hỗ trợ ra quyết định và cảnh báo sớm dòng chảy tích hợp mô hình GR4J do Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh quản lý. Phấn đấu nâng cao độ chính xác dự báo lưu lượng trước 7 đến 10 ngày đạt trên 85%, giảm thiểu thiệt hại kinh tế do hạn hán xuống dưới 50 tỷ đồng mỗi năm từ năm 2023 đến 2026.
• Thực hiện chương trình phục hồi rừng phòng hộ đầu nguồn sông Cái do Ủy ban Nhân dân tỉnh chỉ đạo Chi cục Kiểm lâm triển khai. Nâng tỷ lệ che phủ rừng lá rộng từ 28% lên 35% và hoàn thiện hệ thống hồ tích trữ nước phân tán với dung tích bổ sung 25 triệu m3 đến 30 triệu m3 trong giai đoạn 2024-2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

• Các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và nông nghiệp: Cán bộ tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn có thêm cơ sở định lượng để xây dựng quy hoạch phân bổ tài nguyên nước và phê duyệt kế hoạch cấp nước mùa cạn cho 21 hồ chứa trên toàn tỉnh.
• Đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi và thủy điện: Các kỹ sư vận hành tại hệ thống hồ đập sông Cái Phan Rang và thủy điện Đa Nhim có thể sử dụng bộ tham số x1 = 453,20 mm để tính toán lưu lượng lũ về hồ và điều phối dòng kiệt theo thời gian thực.
• Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học: Giới học thuật thuộc các ngành Quản lý Tài nguyên Nước, Kỹ thuật Môi trường và Biến đổi Khí hậu có thể sử dụng đề tài làm tài liệu tham khảo tiêu biểu về ứng dụng mô hình khái niệm GR4J trên nền phần mềm eWater Source tại lưu vực bán khô hạn.
• Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan phát triển quốc tế: Các chuyên gia thiết kế dự án sinh kế thích ứng biến đổi khí hậu có nguồn số liệu tin cậy về rủi ro khô hạn và ngập lụt để xây dựng các chương trình tài trợ an ninh nguồn nước tại Nam Trung Bộ.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình GR4J có ưu thế gì nổi bật khi mô phỏng dòng chảy tại khu vực bán khô hạn như Ninh Thuận? Mô hình GR4J sở hữu cấu trúc tinh gọn chỉ với 4 tham số đầu vào, giúp giảm thiểu hiện tượng quá thừa tham số trong điều kiện chuỗi dữ liệu địa chất và thảm phủ thực vật còn hạn chế. Hiệu suất mô phỏng đạt hệ số Nash-Sutcliffe vượt 0,95 và sai số thể tích dưới 5%, chứng minh độ tin cậy vượt trội so với các mô hình thực nghiệm truyền thống.

Kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 tác động như thế nào đến lưu lượng dòng chảy sông Cái Phan Rang? Theo kịch bản RCP4.5, lượng mưa 1 ngày lớn nhất năm 2030 có xu thế tăng mạnh từ 31,4% đến 48,1%, làm tăng lưu lượng đỉnh lũ và nguy cơ ngập lụt mùa mưa. Trong khi đó, nhiệt độ tăng từ 0,6°C đến 1,2°C khiến bốc hơi gia tăng, làm dòng chảy kiệt mùa khô tiếp tục suy giảm từ 8% đến 12%.

Nguồn nước xả từ thủy điện Đa Nhim có tầm quan trọng ra sao đối với dòng chảy hạ lưu sông Cái? Thủy điện Đa Nhim bổ sung lượng nước điều tiết bình quân 537 triệu m3/năm từ lưu vực hồ Đơn Dương sang sông Cái Phan Rang. Nguồn nước này đóng vai trò quyết định, duy trì dòng chảy cơ bản cho hạ du và cung cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu cho hơn 70% diện tích canh tác trong suốt 9 tháng mùa khô.

Tham số x1 = 453,20 mm trong mô hình GR4J mang ý nghĩa vật lý gì? Tham số x1 biểu thị dung tích trữ ẩm tối đa của tầng đất mặt trên lưu vực sông Cái Phan Rang. Giá trị tối ưu 453,20 mm phản ánh đúng đặc tính thổ nhưỡng chiếm ưu thế là đất đỏ vàng và đất xám bán khô hạn, giúp kiểm soát chính xác quá trình thấm, bốc thoát hơi và hình thành dòng chảy tràn mặt đất.

Làm thế nào để nông nghiệp Ninh Thuận thích ứng với nguy cơ cạn kiệt nguồn nước trong tương lai? Giải pháp then chốt là chuyển đổi hơn 1.500 ha lúa nước sang các giống cây trồng cạn chịu hạn như nho, táo, mỳ, nha đam và cỏ chăn nuôi. Đồng thời, địa phương cần áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước nhỏ giọt và điều tiết nhịp nhàng 21 hồ chứa để đảm bảo an ninh nguồn nước bền vững.

Kết luận

• Đã thiết lập thành công quy trình mô phỏng thủy văn cho lưu vực sông Cái Phan Rang có diện tích 2.490 km2 bằng mô hình khái niệm GR4J trên nền tảng eWater Source.
• Xác định được bộ tham số tối ưu chuẩn xác cho lưu vực khô hạn với x1 = 453,20 mm, mang lại chỉ số đánh giá xuất sắc với NSE đạt trên 0,95 và sai số thể tích VB dưới 5%.
• Định lượng rõ nét bức tranh phân hóa dòng chảy theo mùa và dự báo thành công xu thế biến động nguồn nước năm 2030 dưới tác động của kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5.
• Đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, tập trung vào vận hành liên hồ chứa, chuyển đổi cây trồng và nâng cao năng lực cảnh báo sớm.
• Khẳng định tính ưu việt của mô hình GR4J như một công cụ dự báo dòng chảy tin cậy, tiết kiệm chi phí cho các lưu vực sông thiếu dữ liệu quan trắc tại Việt Nam.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là việc tiên phong ứng dụng và chuẩn hóa bộ thông số mô hình GR4J tại vùng khô hạn và bán khô hạn Ninh Thuận, tạo tiền đề khoa học vững chắc cho việc mở rộng tính toán dòng chảy ở các lưu vực lân cận.

Trong giai đoạn 2025-2030, các bước nghiên cứu tiếp theo cần tập trung tích hợp mô hình chất lượng nước và cân bằng nước ngầm tầng sâu. Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành thủy lợi cần nhanh chóng tiếp nhận, ứng dụng kết quả dự báo này vào thực tiễn điều hành nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội bền vững cho địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Khái quát về điều kiện tự nhiên và tình hình kinh tế-xã hội của tỉnh Ninh Thuận; trong đó có đánh giá hiện trạng hạn hán, sự thay đổi dòng chảy, và công tác quản lý nguồn nước mặt trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận. Chương 2: Tổng quan nghiên cứu về mô hình thủy văn và mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J trong việc mô phỏng và dự báo dòng chảy tại khu vực khô hạn và bán khô hạn trên thế giới và tại Việt Nam. Chương 3: Ứng dụng mô hình GR4J để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông Cái Phan Rang tỉnh Ninh Thuận. Chương 4: Phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng, dự báo dòng chảy; từ đó đề xuất các khuyến nghị để hỗ trợ công tác quản lý nguồn nước tại khu vực khô hạn và bán khô hạn tại tỉnh Ninh Thuận trong mùa khô.

Chương 5: Tóm tắt các kết luận chính của đề tài, đồng thời đưa ra các khuyến nghị.2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Dự báo diễn biến dòng chảy trong tương lai tại khu vực khô hạn và bán khô hạn bằng mô hình GR4J phục vụ công tác quản lý hiệu quả nguồn nước mặt trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Diễn biến dòng chảy trên hệ thống lưu vực sông Cái Phan Rang (CPR) tỉnh Ninh Thuận 1.3 Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, các nội dung (ND) sau sẽ được thực hiện: 3 ND1: Tổng quan và đánh giá hiện trạng hạn hán, sự thay đổi dòng chảy, và công tác quản lý nguồn nước mặt trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận; tổng quan về mô phỏng và dự báo dòng chảy tại khu vực khô hạn và bán khô hạn bằng mô hình GR4J trên thế giới và tại Việt Nam. ND2: Phân tích và đánh giá diễn biến dòng chảy thông qua mô hình GR4J cho các trường hợp tính toán; ND3: Đề xuất ứng dụng mô hình vào công tác quản lý nguồn nước tại khu vực khô hạn và bán khô hạn tại tỉnh Ninh Thuận trong mùa khô.3 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp luận Với mục tiêu nghiên cứu khả năng ứng dụng của mô hình GR4J vào dự báo sự biến đổi dòng chảy trong công tác quản lý nguồn nước tại lưu vực sông CPR tỉnh Ninh Thuận, một số phương pháp đã được áp dụng để hỗ trợ các quá trình phân tích, xử lý số liệu đầu vào; so sánh và phân tích kết quả tính toán. Các phương pháp được trình bày cụ thể trong các mục sau: 4 Hình 1-1. Sơ đồ quy trình thực hiện nghiên cứu Cụ thể trình tự thực hiện nghiên cứu như sau: 1.

Xác định vấn đề cần nghiên cứu là bước đầu tiên và khá quan trọng trong nghiên cứu này. Việc này được thực hiện thông qua phân tích tổng quan các vấn đề cần giải quyết trong vùng nghiên cứu như chất lượng nước, trữ lượng nước, tác động của BĐKH, diễn biến dòng chảy, và tình hình hạn hán; đồng thời xem xét các giải pháp ứng dụng mô hình để giải quyết vấn đề. Kế đến, cần thu thập thông tin, dữ liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu. Đối với vấn đề dự báo dòng chảy bằng mô hình GR4J thì các dữ liệu cần thiết gồm dữ liệu khí tượng (mưa, bốc hơi), thủy văn (dòng chảy), các loại đất và bản đồ số cao độ của khu vực nghiên cứu.

Bước tiếp theo là mô phỏng dòng chảy bằng mô hình GR4J thông qua việc hiệu chỉnh mô hình trên phần mềm Source sử dụng hệ số hiệu suất mô hình NASH để tìm ra bộ 4 tham số tối ưu của X1, X2, X3, X4 (xem định nghĩa của các tham số này trong mục 3. Trong bước này, mô hình ban đầu sẽ mô phỏng dòng chảy từ các dữ liệu mưa và bốc hơi theo ngày cùng với 4 tham số được giả định. Nếu kết quả của lần mô phỏng này có hệ số NASH thấp (<0.5) thì phần mềm Source sẽ tự động thay đổi giá trị 4 tham số và chạy lại mô hình GR4J. Quá trình này sẽ được lặp lại cho tới khi hệ số NASH đạt giá trị tốt nhất (tiến tới 1).

Khi đó, 4 tham số tìm được trong lần chạy cuối cùng chính là 4 tham số tối ưu nhất của GR4J để mô phỏng dòng chảy cho khu vực Ninh Thuận. Trong bước này, mô hình xây dựng ở Bước 3 sẽ được kiểm nghiệm bằng cách so sánh chuỗi dữ liệu dòng chảy thực đo với kết quả của mô hình, trong đó hệ số tương quan sẽ được sử dụng như một tiêu chuẩn so sánh. Nếu hệ số tương quan nằm trong khoảng 0,7-1, thì các giá trị thực đo và kết quả mô hình là tương đồng, và khi đó có thể kết luận mô hình GR4J có khả năng mô phỏng tốt dòng chảy tại khu vực Ninh Thuận. Bước cuối cùng là dự báo sự thay đổi dòng chảy trong tương lai của các con sông trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận theo các kịch bản khác nhau với bộ tham số tối ưu và kiến nghị các giải pháp thích hợp để giải quyết vấn đề hiện trạng trong khu vực.2 Phương pháp nghiên cứu a.

Phương pháp mô hình Nghiên cứu này sử dụng mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J để dự báo diễn biến dòng chảy cho khu vực khô hạn và bán khô hạn tỉnh Ninh Thuận, với quy trình thực hiện gồm: Dòng chảy ban đầu sẽ được tính toán và mô phỏng dựa trên mối quan hệ tương quan lý thuyết giữa lượng mưa, lượng bốc hơi và dòng chảy (đây là bộ dữ liệu đầu vào của mô hình); Sau khi được mô phỏng, dòng chảy sẽ được kiểm định với chuỗi số liệu thực đo để đánh giá mức độ sai số trong quá trình 6 mô phỏng của mô hình; từ đó hiệu chỉnh và tìm ra bộ thông số tốt nhất cho công tác dự báo dòng chảy trong tương lai, chi tiết được trình bày tại Chương 4. Phương pháp tổng quan tài liệu Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp các tài liệu hạn hán, hiện trạng quản lý môi trường nước trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận và thu thập số liệu khí tượng thủy văn phục vụ việc chạy mô hình. Phương pháp thống kê và xử lý dữ liệu Dựa vào phương pháp này, các số liệu thủy văn ban đầu và kết quả tính toán được thống kê, lưu trữ và biểu diễn thành dạng bảng và biểu đồ. Riêng với các số liệu đầu vào của mô hình được xử lý sơ bộ trước khi sử dụng để hạn chế sai số do dữ liệu bị thiếu hoặc không theo định dạng yêu cầu của mô hình.

Phương pháp so sánh Phương pháp này được sử dụng trong nội dung phân tích và so sánh kết quả mô phỏng. Khi đó các giá trị dòng chảy mô phỏng được so sánh với giá trị dòng chảy thực đo hoặc các kết quả được so sánh với kết quả của các nghiên cứu trước đây để kiểm nghiệm hiệu suất của mô hình GR4J; từ đó làm cơ sở cho kết quả dự báo diễn biến dòng chảy cho tương lai và đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả nguồn nước tại Ninh Thuận. Phương pháp phân tích hệ thống Phương pháp này được sử dụng để phân tích các thành phần và các bước thực hiện nghiên cứu và mối quan hệ giữa chúng nhằm hoàn thành tất cả các nội dung nghiên cứu một cách logic và hợp lý. Phương pháp này cũng được sử dụng để phân tích kết quả tính toán từ mô hình GR4J cho các kịch bản thay đổi dòng chảy khác nhau.1 Ý nghĩa khoa học GR4J là một mô hình khái niệm mưa dòng chảy khá mới nhưng có tính ứng dụng cao.

Nhờ việc sử dụng ít tham số, mô hình đã được ứng dụng để tính toán cho nhiều vấn đề và lưu vực khác như mô phỏng và dự báo dòng chảy, tính cân bằng nước cho vùng lũ hay vùng ngập nước. Đặc biệt, GR4J cho kết quả tương đối tốt 7 đối với vùng khô hạn và bán khô hạn. Tuy nhiên, như đã đề cập trong 3.3, mô hình này hầu như chưa được ứng dụng ở Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu này sẽ là cơ sở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc ứng dụng mô hình GR4J cho các vùng khác ở nước ta.

Ngoài ra, nghiên cứu này cũng đã đưa ra được bộ tham số tối ưu của mô hình GR4J cho khu vực có đặc tính khô hạn hoặc bán khô hạn như tỉnh Ninh Thuận. Vì vậy, nó sẽ góp phần giảm bớt thời gian hiệu chỉnh mô hình khi ứng dụng GR4J cho các lưu vực tương tự như hệ thống sông CPR.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu mô phỏng và dự báo dòng chảy có ý nghĩa quan trọng, góp phần hỗ trợ công tác quản lý nguồn nước mặt theo hướng bền vững hơn cho một vùng khan hiếm nguồn nước như Ninh Thuận. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sự thay đổi dòng chảy cả trong quá khứ và tương lai cho toàn lưu vực đặc biệt và vùng hạ lưu của sông CPR. Kết quả này được mong đợi giúp các cơ quan chức năng của tỉnh Ninh Thuận nhận biết được thực trạng và diễn biến dòng chảy hiện nay hạ lưu sông CPR ở trong tương lai toàn lưu vực, từ đó có những giải pháp quản lý nguồn nước phù hợp hơn.

TỔNG QUAN VỀ TỈNH NINH THUẬN VÀ LƯU VỰC SÔNG CÁI PHAN RANG 2.1 Điều kiện tự nhiên 2.1 Vị trí địa lý Lưu vực sông Cái có vị trí địa lý 11o23’00”-12o10’00” vĩ Bắc và 108o20’30”- 109o30’00” kinh Đông (Hình 1-1), với dòng chảy bắt nguồn từ vùng núi cao Lâm Đồng hướng theo phía Tây Bắc-Đông Nam và đổ ra biển Đông tại cửa biển Đông Giang-Tp. Phan Rang, Ninh Thuận [12]. Lưu vực sông Cái có diện tích tự nhiên vào khoảng 3,043km2, thuộc địa phận các tỉnh Khánh Hòa, Lâm Đồng, và Ninh Thuận; trong đó, phần lưu vực thuộc Ninh Thuận (gọi là lưu vực sông Cái Phan Rang) chiếm đến 82% toàn hệ thống sông Cái và 74% toàn tỉnh Ninh Thuận. Vị trí lưu vực song Cái [1] 9 2.2 Đặc điểm địa hình Lưu vực sông CPR được bao bọc bởi đồi núi theo 3 hướng Bắc, Tây và Tây Nam, với hướng dốc thấp dần từ Tây sang Đông và từ Tây Bắc sang Đông Nam.

Lưu vực có 3 dạng địa hình chính: đồng bằng ven biển, đồi thấp và núi cao; trong đó, vùng đồi thấp và núi cao có độ cao trung bình từ 200-1,000m [13] độ dốc bình quân đạt đến 17.70% ảnh hưởng đến sự phát triển mạng lưới sông, suối và mật độ sông trung bình chỉ khoảng 0.