Luận văn thạc sĩ quản lý tài nguyên và môi trường dự báo diễn biến dòng chảy dưới tác động biến đổi khí hậu tại khu vực khô hạn và bán khô hạn tỉnh ninh thuận bằng mô hình khái niệm mưa dòng chảy gr4j

Luận văn về dự báo dòng chảy sông Ninh Thuận dưới tác động biến đổi khí hậu, sử dụng mô hình GR4J. Nghiên cứu quản lý tài nguyên và môi trường khu vực khô hạn.

• 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 diễn biến dòng chảy dưới tác động biến đổi khí hậu tại khu vực khô hạn và bán khô hạn tỉnh Ninh Thuận bằng mô hình khái niệm mưa-dòng chảy GR4J
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 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 Dự Báo Dòng Chảy Sông Cái Cách Tiếp Cận

Nguồn nước mặt đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế-xã hội của Việt Nam, đặc biệt với Ninh Thuận, tỉnh khô hạn nhất nước. Hiện, 76.40% nhu cầu sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của tỉnh phụ thuộc vào nguồn nước mặt. Khí hậu nhiệt đới gió mùa khô nóng khiến dòng chảy phân bố không đều. Mùa mưa ngắn (3 tháng) chiếm 56% lượng mưa hàng năm, gây ra tình trạng thừa nước vào mùa mưa và thiếu nước nghiêm trọng trong 9 tháng mùa khô. Biến đổi khí hậu làm trầm trọng thêm tình trạng này, thể hiện qua các hiện tượng thời tiết cực đoan như số ngày nắng nóng tăng và nhiệt độ trung bình năm tăng. Nhiều sông, suối cạn kiệt, ảnh hưởng đến trữ lượng nước trong các hồ chứa. Cụ thể, đầu năm 2018, tổng dung tích các hồ chứa chỉ còn khoảng 50 triệu m3, so với thiết kế 194 triệu m3. Để giải quyết vấn đề này, Ninh Thuận cần các biện pháp quản lý và khai thác nguồn nước hiệu quả, trong đó có công tác xác định và dự báo dòng chảy chính xác. Ứng dụng các mô hình thủy văn là một giải pháp tiềm năng. Các mô hình này giúp mô phỏng và dự báo dòng chảy, khắc phục hạn chế về dữ liệu và thời gian tính toán.

1.1. Tầm Quan Trọng của Dự Báo Dòng Chảy Chính Xác

Dự báo dòng chảy chính xác giúp Ninh Thuận quản lý nguồn nước hiệu quả hơn. Việc này bao gồm việc điều tiết nước hợp lý giữa các mùa, đảm bảo cung cấp đủ nước cho các ngành kinh tế và sinh hoạt. Dự báo cũng hỗ trợ cảnh báo sớm các nguy cơ hạn hán và lũ lụt, giảm thiểu thiệt hại cho người dân và nền kinh tế. Ứng dụng các mô hình thủy văn tiên tiến, như mô hình GR4J, có thể nâng cao độ chính xác của dự báo.

1.2. Thách Thức từ Biến Đổi Khí Hậu và Khô Hạn

Biến đổi khí hậu đang tạo ra những thách thức lớn cho nguồn nước của Ninh Thuận. Sự gia tăng nhiệt độ và thay đổi lượng mưa làm gia tăng nguy cơ hạn hán và lũ lụt. Các sông, suối đang đối mặt với tình trạng cạn kiệt, ảnh hưởng đến nông nghiệp và sinh hoạt của người dân. Cần có các giải pháp ứng phó hiệu quả để đảm bảo an ninh nguồn nước cho tỉnh. Luận văn này sẽ tập trung vào ứng dụng mô hình GR4J để dự báo diễn biến dòng chảy dưới tác động của biến đổi khí hậu.

II. Xác Định Vấn Đề Dòng Chảy Sông Cái Khô Hạn Giải Pháp

Nguồn nước mặt ở Ninh Thuận đang đáp ứng 76.40% nhu cầu sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, dòng chảy phân bố không đều giữa các mùa. Mùa mưa chỉ kéo dài ba tháng (từ tháng 9 đến tháng 11). Điều này dẫn đến dòng chảy mặt ở khu vực Ninh Thuận khá phong phú trong mùa mưa. Song, nhiều sông, suối lại bị khô kiệt trong suốt 9 tháng mùa khô. Trong những năm gần đây, tình trạng cạn kiệt dòng chảy ở Ninh Thuận càng trở nên nghiêm trọng. Nguyên nhân là do biến đổi khí hậu thông qua các hiện tượng thời tiết cực đoan. Số ngày nắng nóng trong mùa khô ở tỉnh tăng bất thường trên 80 ngày. Nhiệt độ trung bình năm có xu hướng tăng 0.03oC trong một thập kỉ qua. Hậu quả là nhiều sông, suối trên địa bàn tỉnh đã giảm mực nước, thậm chí bị tắt dòng như năm 2016. Lượng nước chảy vào các hồ chứa ngày một ít đi. Trữ lượng nước trong các hồ cũng đối mặt với tình trạng cạn kiệt.

2.1. Thực Trạng Khô Kiệt Dòng Chảy và Hạn Hán tại Ninh Thuận

Tình trạng khô kiệt dòng chảy tại Ninh Thuận không chỉ là vấn đề thời tiết mà còn là hệ quả của biến đổi khí hậu và các hoạt động khai thác sử dụng nước không bền vững. Việc sử dụng nước quá mức cho nông nghiệp và công nghiệp, cùng với việc thiếu quy hoạch và quản lý chặt chẽ, đã làm gia tăng áp lực lên nguồn nước. Cần có các giải pháp đồng bộ để giải quyết vấn đề này, bao gồm cả việc cải thiện hiệu quả sử dụng nước và tăng cường khả năng dự báo và quản lý dòng chảy.

2.2. Tác Động Kinh Tế Xã Hội của Tình Trạng Thiếu Nước

Tình trạng thiếu nước nghiêm trọng tại Ninh Thuận gây ra những tác động lớn đến kinh tế và xã hội. Năng suất nông nghiệp giảm sút, ảnh hưởng đến thu nhập của người dân. Các ngành công nghiệp sử dụng nhiều nước cũng gặp khó khăn trong sản xuất. Tình trạng này còn có thể dẫn đến các vấn đề xã hội như di cư và xung đột về nguồn nước. Việc dự báo dòng chảy chính xác và triển khai các giải pháp quản lý nước hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu những tác động tiêu cực này.

III. Mô Hình GR4J Phương Pháp Dự Báo Dòng Chảy Sông Cái

Để giải quyết tình trạng phân bố dòng chảy không đồng đều và nguy cơ cạn kiệt của dòng chảy, Ninh Thuận cần có nhiều biện pháp. Mục tiêu là nâng cao hiệu quả quản lý và khai thác tổng hợp nguồn nước. Đặc biệt là công tác xác định và dự báo dòng chảy. Một trong những giải pháp đang được khuyến khích hiện nay cho vấn đề này là ứng dụng các mô hình thủy văn. Đây là công cụ hỗ trợ đắc lực cho mô phỏng và dự báo dòng chảy. Các mô hình thủy văn cũng có khả năng giải quyết các vấn đề về sự hạn chế của dữ liệu thủy văn cũng như thời gian tính toán. Với những lý do nêu trên, đề tài “Dự báo diễn biến dòng chảy dưới tác động biến đổi khí hậu tại vực khô hạn và bán khô hạn tại tỉnh Ninh Thuận bằng mô hình khái niệm mưa dòng chảy GR4J” cần được thực hiện.

3.1. Giới Thiệu về Mô Hình Thủy Văn GR4J

Mô hình GR4J là một mô hình thủy văn khái niệm, được sử dụng rộng rãi để mô phỏng và dự báo dòng chảy. Mô hình này có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng và yêu cầu ít dữ liệu đầu vào. GR4J dựa trên mối quan hệ giữa lượng mưa và dòng chảy, sử dụng bốn tham số để mô tả quá trình này. Mô hình đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều khu vực khác nhau trên thế giới, bao gồm cả các khu vực khô hạn và bán khô hạn.

3.2. Ưu Điểm của GR4J trong Dự Báo Thủy Văn

Mô hình GR4J có nhiều ưu điểm so với các mô hình thủy văn khác. Đầu tiên, nó đơn giản và dễ sử dụng, giúp các nhà quản lý và kỹ thuật viên dễ dàng áp dụng vào thực tế. Thứ hai, GR4J yêu cầu ít dữ liệu đầu vào, điều này rất quan trọng đối với các khu vực thiếu dữ liệu quan trắc. Cuối cùng, mô hình này đã được chứng minh là có độ chính xác cao trong nhiều trường hợp khác nhau. Cụ thể, trong nghiên cứu của Trần Minh Thơ, hiệu suất mô phỏng của GR4J được đánh giá bằng các hệ số NSE > 0.95 và VB < 5%.

IV. GR4J Ứng Dụng Dự Báo Dòng Chảy Ninh Thuận Hiệu Quả

Nghiên cứu này hướng đến việc đánh giá và dự báo diễn biến dòng chảy mặt trên hệ thống sông Cái Phan Rang tại vùng khô hạn và bán khô hạn của tỉnh Ninh Thuận. Mục tiêu sử dụng các trường hợp tính toán dòng chảy khác nhau về không gian và thời gian. Mô hình thủy văn khái niệm GR4J được dùng trong dự án này. Hiệu suất mô phỏng của GR4J được đánh giá bằng cách sử dụng Hệ số hiệu quả Nash- Sutcliffe (NSE); hệ số tương quan của Pearson (Pearson's Correlation Coefficient); hệ số sai số thể tích (Volume Bias). Các tham số mô hình tối ưu thu được sau đó được sử dụng để mô phỏng dòng chảy tại cửa sông của lưu vực sông Cái Phan Rang và dự đoán dòng chảy mặt trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

4.1. Các Bước Triển Khai Mô Hình GR4J tại Ninh Thuận

Việc triển khai mô hình GR4J tại Ninh Thuận bao gồm nhiều bước. Đầu tiên, cần thu thập và xử lý dữ liệu đầu vào, bao gồm dữ liệu mưa, nhiệt độ, và dòng chảy. Sau đó, mô hình được hiệu chỉnh (calibration) để tìm ra các tham số phù hợp nhất với điều kiện địa phương. Tiếp theo, mô hình được kiểm định (validation) bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế. Cuối cùng, mô hình được sử dụng để dự báo dòng chảy trong các kịch bản khác nhau.

4.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy của Kết Quả Dự Báo

Đánh giá độ tin cậy của kết quả dự báo là rất quan trọng để đảm bảo tính hữu ích của mô hình. Các hệ số đánh giá như NSE và VB được sử dụng để đo lường mức độ phù hợp giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực tế. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của dự báo, như chất lượng dữ liệu đầu vào và sự thay đổi của điều kiện khí hậu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, kết quả hiệu chỉnh và kiểm định hiệu suất mô hình thể hiện sự phù hợp giữa hai dòng chảy thực đo và tính toán từ mô hình với giá trị đánh giá NSE lớn hơn 0.95; VB nhỏ hơn 5% trong tất cả trường hợp tính toán.

4.3. Ứng dụng phần mềm Source trong mô hình GR4J

Source được dùng để triển khai mô hình GR4J. Thiết lập lưu vực được thực hiện trên Source sau đó chọn mô hình mưa dòng chảy và thiết lập số liệu đầu vào. Mục tiêu hiệu chỉnh và hàm mục tiêu cũng được thiết lập thông qua phần mềm. Source giúp tự động xác định “bộ tham số tích hợp”. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình GR4J trên phần mềm Source giúp quan sát và đánh giá kết quả. Cuối cùng, dự báo dòng chảy tại nút dòng vào theo các kịch bản khác nhau.

V. Kết Quả Dự Báo Dòng Chảy và Tác Động Biến Đổi Khí Hậu

Với bộ tham số tối ưu (x1 = 453.20), kết quả mô phỏng dòng chảy của mô hình GR4J cho thấy dòng chảy mặt tại hạ lưu lưu vực sông Cái Phan Rang có sự chênh lệch rất lớn giữa các mùa trong năm. Dòng chảy cũng có xu hướng suy giảm nguồn nước. Đồng thời, với dự báo dòng chảy mặt theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5, lượng nước mặt trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận có sự đối lập rõ rệt giữa hai mùa. Mùa mưa lượng mưa tăng cao dẫn đến nguy cơ ngập lụt cho vùng hạ lưu. Trong khi đó, mùa kiệt tình trạng thiếu nước ngày càng nghiêm trọng hơn. Tình trạng này phụ thuộc nhiều vào lượng nước xả của thủy điện Đa Nhim và sự điều tiết nước của các hồ chứa phía thượng lưu của lưu vực.

5.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Dự Báo Dòng Chảy

Phân tích kết quả mô phỏng và dự báo dòng chảy cho thấy rõ sự biến động của dòng chảy theo mùa và theo kịch bản biến đổi khí hậu. Mùa mưa có xu hướng tăng lượng mưa và dòng chảy, gây ra nguy cơ lũ lụt. Mùa khô có xu hướng giảm lượng nước, gây ra tình trạng thiếu nước. Việc này đòi hỏi các giải pháp quản lý nước linh hoạt và hiệu quả để ứng phó với cả hai tình huống.

5.2. Các Kịch Bản Biến Đổi Khí Hậu và Ảnh Hưởng Đến Dòng Chảy

Các kịch bản biến đổi khí hậu, như RCP4.5, cho thấy rõ tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy của sông Cái Phan Rang. Việc sử dụng các kịch bản này giúp các nhà quản lý và kỹ thuật viên hiểu rõ hơn về các nguy cơ tiềm ẩn và có thể đưa ra các quyết định phù hợp. Cần có các nghiên cứu sâu hơn về các kịch bản khác nhau để có được bức tranh toàn diện về tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước.

VI. Kết Luận Dự Báo Dòng Chảy Sông Cái và Giải Pháp Bền Vững

Đề tài “Dự báo diễn biến dòng chảy dưới tác động biến đổi khí hậu tại vực khô hạn và bán khô hạn tại tỉnh Ninh Thuận bằng mô hình khái niệm mưa dòng chảy GR4J” đã đạt được những kết quả quan trọng. Nghiên cứu này đã nâng cao năng lực dự báo sự thay đổi dòng chảy của các con sông trong tỉnh. Mục tiêu là hướng đến khuyến nghị các giải pháp sử dụng nước hiệu quả và bền vững cho tỉnh Ninh Thuận trong tương lai. Các giải pháp này bao gồm việc cải thiện hiệu quả sử dụng nước, tăng cường khả năng dự báo và quản lý dòng chảy, và ứng phó với các tác động của biến đổi khí hậu.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Nghiên cứu đã thành công trong việc áp dụng mô hình GR4J để dự báo dòng chảy của sông Cái Phan Rang. Các kết quả mô phỏng và dự báo cho thấy rõ tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước của tỉnh. Nghiên cứu cũng đã đưa ra các khuyến nghị cụ thể về các giải pháp quản lý nước hiệu quả và bền vững.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế

Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau và tác động của chúng đến nguồn nước của Ninh Thuận. Cần cũng có các nghiên cứu về các giải pháp thích ứng và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu. Các kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để xây dựng các chính sách và kế hoạch quản lý nước hiệu quả và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước mặt đóng vai trò huyết mạch trong cấu trúc phát triển kinh tế và an sinh xã hội tại Việt Nam, đặc biệt tại khu vực khô hạn và bán khô hạn đặc thù như tỉnh Ninh Thuận. Hiện nay, nguồn nước mặt tại địa phương đang đáp ứng tới 76,40% tổng nhu cầu phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của người dân toàn tỉnh. Tuy nhiên, do chịu ảnh hưởng sâu sắc từ chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa khô nóng, dòng chảy mặt phân bố bất đối xứng nghiêm trọng theo thời gian: mùa mưa chỉ kéo dài vỏn vẹn 3 tháng (từ tháng 9 đến tháng 11) nhưng tập trung từ 55% đến 65% tổng lượng mưa cả năm, trong khi 9 tháng mùa khô đối mặt với tình trạng cạn kiệt kéo dài.

Diễn biến khí hậu cực đoan trong những năm gần đây khiến nguy cơ mất an ninh nguồn nước tại địa phương gia tăng nhanh chóng. Nhiệt độ trung bình năm tại Ninh Thuận có xu hướng tăng 0,03°C mỗi thập kỷ và số ngày nắng nóng cực đoan trong mùa khô vượt mốc 80 ngày. Đỉnh điểm vào đầu năm 2018, tổng dung tích tích trữ của 20 hồ chứa trên toàn tỉnh chỉ còn khoảng 50 triệu m³ so với dung tích thiết kế 194 triệu m³, đưa 14/20 hồ chứa rơi vào trạng thái xấp xỉ hoặc chạm mực nước chết.

Trước thách thức đó, nghiên cứu được triển khai trên lưu vực sông Cái Phan Rang với tổng diện tích tự nhiên 3.043 km² (trong đó phần lưu vực thuộc Ninh Thuận chiếm 82%, tương đương 74% diện tích tự nhiên toàn tỉnh) nhằm lượng hóa và dự báo dòng chảy mặt bằng mô hình khái niệm mưa - dòng chảy GR4J. Nghiên cứu cung cấp hệ thống luận cứ khoa học thực nghiệm, tối ưu hóa công tác quản trị và lập quy hoạch tài nguyên nước mặt thích ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn đến năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng thủy văn học hiện đại kết hợp lý thuyết mô hình hóa dòng chảy lưu vực sông. Nền tảng cốt lõi là phương trình cân bằng nước dạng tổng quát:

$$\frac{dS}{dt} = P - Q_s - ET \pm GW$$

Trong đó đại lượng thể hiện sự biến thiên lượng nước tích trữ ($dS/dt$), lượng mưa ($P$), dòng chảy mặt ($Q_s$), lượng bốc thoát hơi nước ($ET$) và dòng ngầm ($GW$).

Mô hình khái niệm mưa - dòng chảy GR4J (Génie Rural à 4 paramètres Journalier) được áp dụng để mô phỏng quan hệ mưa - dòng chảy theo bước thời gian ngày. Cấu trúc mô hình được xây dựng dựa trên 4 tham số không gian tập trung:

• $x_1$: Dung tích bể chứa sản xuất (Production store capacity, tính bằng mm).
• $x_2$: Hệ số trao đổi nước ngầm (Groundwater exchange coefficient, tính bằng mm/ngày).
• $x_3$: Dung tích bể chứa định tuyến dòng chảy 1 ngày (Routing store capacity, tính bằng mm).
• $x_4$: Thời gian cơ bản của đường thủy văn đơn vị (Unit hydrograph time base, tính bằng ngày).

Song song đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết phân vùng khô hạn theo tiêu chuẩn Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), tiếp cận 3 loại hình chính: hạn khí tượng, hạn thủy văn và hạn nông nghiệp. Đề tài khai thác kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành, dự báo mức biến đổi của nhiệt độ và lượng mưa cực đoan một ngày lớn nhất (Rx1day) tại vùng duyên hải Nam Trung Bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào đồng bộ từ hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn trong lưu vực sông Cái Phan Rang, bao gồm trạm thủy văn Tân Mỹ, Phước Hòa và các trạm đo mưa Phan Rang, Sông Pha, Khánh Sơn, Phước Bình, Phước Đại. Nguồn nước bổ sung ngoại lưu từ đập thủy điện Đa Nhim (hồ Đơn Dương) với lưu lượng trung bình nhiều năm đạt 537 triệu m³/năm cũng được đưa vào tính toán tường minh tại biên dòng vào.

Quy trình mô phỏng được thực hiện trên nền tảng phần mềm thủy văn Source với các giai đoạn cụ thể:

• Giai đoạn hiệu chỉnh mô hình: Sử dụng chuỗi số liệu đo đạc thực tế giai đoạn 2005 - 2008 tại trạm Tân Mỹ để dò tìm bộ tham số tối ưu thông qua thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu.
• Giai đoạn kiểm định mô hình: Kiểm chứng độ tin cậy của bộ tham số trên hai chuỗi số liệu độc lập giai đoạn 1998 - 2000 và 2001 - 2004 tại trạm Tân Mỹ, kết hợp kiểm định không gian tại trạm Phước Hòa giai đoạn 2013 - 2015.
• Đánh giá chất lượng mô hình: Sử dụng 3 chỉ số thống kê quốc tế gồm Hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE), Hệ số tương quan Pearson ($r$) và Hệ số sai số thể tích (Volume Bias - VB). Lý do lựa chọn mô hình GR4J là nhờ cấu trúc tinh giản, số lượng tham số ít, tốc độ tính toán nhanh và phù hợp với các lưu vực có chuỗi dữ liệu thủy văn hạn chế nhưng đòi hỏi độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích độ nhạy và mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cái Phan Rang mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

Thứ nhất, mô hình GR4J đạt độ chính xác xuất sắc trong việc mô phỏng dòng chảy lưu vực. Bộ tham số tối ưu được xác lập với giá trị $x_1 = 453,20$ mm. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định tại các trạm Tân Mỹ và Phước Hòa cho hệ số NSE đều vượt ngưỡng 0,95, hệ số tương quan Pearson ($r$) tiệm cận mức 0,97 và sai số thể tích (VB) kiểm soát dưới 5,00%, chứng minh sự trùng khớp giữa đường quá trình dòng chảy mô phỏng và thực đo.

Thứ hai, kết quả mô phỏng dòng chảy tại cửa ra lưu vực giai đoạn 1998 - 2015 phản ánh sự phân hóa sâu sắc về lưu lượng dòng chảy theo mùa. Lượng dòng chảy mùa mưa chiếm trên 56% tổng lượng dòng chảy năm. Ngược lại, mùa kiệt kéo dài 9 tháng liên tục có lưu lượng duy trì ở mức rất thấp, phụ thuộc tới hơn 70% vào lưu lượng xả phát điện ổn định của nhà máy thủy điện Đa Nhim.

Thứ ba, theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 định hướng năm 2030, lượng mưa một ngày lớn nhất (Rx1day) tại các trạm thượng nguồn như Phước Bình tăng 32,80% và Phước Đại tăng 28,20%. Điều này làm gia tăng đột biến lưu lượng đỉnh lũ tại vùng hạ lưu đồng bằng Phan Rang. Trái lại, vào mùa khô, nền nhiệt độ tăng thêm từ 0,60°C đến 1,20°C kết hợp bốc hơi cao khiến dòng chảy kiệt tự nhiên tiếp tục suy giảm từ 12% đến 18%.

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch dòng chảy theo mùa và không gian tại lưu vực bắt nguồn trực tiếp từ cấu trúc địa hình và thổ nhưỡng. Lưu vực sông Cái Phan Rang có độ dốc bình quân lên đến 17,70%, tạo mạng lưới sông suối dốc ngắn. Thảm phủ thực vật toàn lưu vực khá nghèo nàn khi rừng lá rộng thường xanh chỉ bao phủ 28% diện tích, trong khi nhóm đất đỏ vàng chiếm 48,54% và đất đỏ xám bán khô hạn chiếm 29,49% có tầng canh tác mỏng, khả năng giữ nước kém. Điều này thúc đẩy quá trình tập trung dòng chảy lũ diễn ra nhanh trong mùa mưa nhưng triệt tiêu nguồn bổ cập ngầm cho mùa kiệt.

Khi đối chiếu với các nghiên cứu trước đây trên cùng lưu vực sử dụng mô hình FRASC hay MIKE BASIN, mô hình GR4J cho thấy ưu thế vượt trội về việc giảm thiểu số lượng thông số cần hiệu chỉnh mà vẫn duy trì hệ số NSE trên 0,95. Dữ liệu dòng chảy mô phỏng khi được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường hydrograph cho thấy mô hình bắt khớp chính xác cả đỉnh lũ đột xuất lẫn giai đoạn suy kiệt kéo dài. Kết quả dạng bảng ma trận dòng chảy trung bình tháng nhiều năm là công cụ trực quan giúp nhà quản lý xác định chính xác thời điểm thiếu hụt nguồn nước mặt trong năm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả dự báo diễn biến dòng chảy, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất triển khai cụ thể:

1. Thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực

• Hành động: Ban hành quy chế phối hợp điều tiết nước xả giữa hồ thủy điện Đơn Dương (Đa Nhim) và hệ thống 21 hồ chứa thủy lợi nội tỉnh.
• Mục tiêu: Duy trì lưu lượng xả tối thiểu liên tục từ 12 m³/s đến 16 m³/s trong các tháng cao điểm khô hạn (tháng 2 đến tháng 6), ngăn chặn triệt để hiện tượng tụt giảm dòng chảy về dưới mực nước chết.
• Thời gian: Hoàn thiện trong giai đoạn 2021 - 2023.
• Chủ thể thực hiện: Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình Thủy lợi Ninh Thuận chủ trì, phối hợp Công ty Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi.

2. Đẩy mạnh chuyển đổi cơ cấu cây trồng thích ứng khô hạn

• Hành động: Chuyển đổi linh hoạt diện tích đất lúa kém hiệu quả sang các loại cây trồng cạn có nhu cầu nước thấp như bắp, nho, táo, nha đam và cỏ chăn nuôi.
• Mục tiêu: Hoàn thành chuyển đổi tối thiểu 721,60 ha đất lúa vụ Hè Thu tại các huyện thường xuyên thiếu nước như Ninh Hải, Thuận Nam, Ninh Phước và Bác Ái, giúp giảm 30% lượng nước tưới mặt ruộng.
• Thời gian: Giai đoạn 2022 - 2025.
• Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Ninh Thuận và Ủy ban nhân dân các huyện.

3. Xây dựng mạng lưới công trình kết nối và chuyển nước liên lưu vực nội tỉnh

• Hành động: Đầu tư xây dựng các tuyến kênh tiếp nước liên hồ, dẫn dòng từ các lưu vực có nguồn nước dồi dào (khu vực sông Sắt, hồ Tân Gian) sang bổ trợ cho các vùng trũng khô hạn cục bộ (hồ Phước Trung, Phước Nhơn, Bầu Zôn, Ông Kinh).
• Mục tiêu: Tăng cường dung tích hữu ích khả dụng toàn tỉnh lên mức tối thiểu 80% dung tích thiết kế trong mùa khô.
• Thời gian: Kế hoạch đầu tư công trung hạn giai đoạn 2023 - 2028.
• Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân tỉnh Ninh Thuận và Sở Tài nguyên và Môi trường.

4. Ứng dụng mô hình số GR4J vào hệ thống cảnh báo sớm và dự báo hạn - mặn

• Hành động: Số hóa toàn diện hệ thống quan trắc lượng mưa, bốc hơi và tích hợp mô hình GR4J vào cổng điều hành quản trị tài nguyên nước thông minh của tỉnh.
• Mục tiêu: Nâng cao độ chính xác dự báo dòng chảy đến trước 7 - 10 ngày, giảm thiểu 50% thiệt hại nông nghiệp do các đợt hạn hán bất thường.
• Thời gian: Triển khai từ năm 2022, vận hành chính thức năm 2024.
• Chủ thể thực hiện: Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Ninh Thuận phối hợp Sở Khoa học và Công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và nông nghiệp: Các chuyên viên, lãnh đạo tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Ninh Thuận và các tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ có thể sử dụng kết quả dự báo làm căn cứ xây dựng kế hoạch phân bổ hạn ngạch nước mặt và quy hoạch chuyển đổi đất nông nghiệp bền vững.

2. Đơn vị quản lý, khai thác công trình thủy lợi và thủy điện: Ban điều hành Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình Thủy lợi Ninh Thuận, Công ty Thủy điện Đa Nhim sử dụng phương pháp tính toán và các tham số tối ưu để thiết lập kịch bản xả nước, cân đối giữa nhu cầu phát điện và cấp nước tưới hạ du.

3. Chuyên gia, nhà nghiên cứu và học viên cao học: Giảng viên, sinh viên và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Quản lý Môi trường, Biến đổi khí hậu tham khảo khung phương pháp ứng dụng mô hình GR4J trên nền tảng phần mềm Source đối với các lưu vực khan hiếm dữ liệu thực đo.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan phát triển quốc tế: Các chuyên gia hoạt động trong lĩnh vực giảm nhẹ rủi ro thiên tai, phòng chống sa mạc hóa và thích ứng biến đổi khí hậu khai thác các chỉ số định lượng về dòng chảy để tài trợ và xây dựng các dự án an ninh nguồn nước cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình GR4J lại đặc biệt thích hợp cho lưu vực sông Cái Phan Rang? Mô hình GR4J chỉ yêu cầu 4 tham số không gian tập trung và dữ liệu đầu vào cơ bản gồm mưa, bốc hơi tiềm năng và lưu lượng dòng vào. Cấu trúc tinh giản này giúp hạn chế hiện tượng thừa tham số, rút ngắn thời gian tính toán và hoạt động ổn định tại các lưu vực có mạng lưới trạm quan trắc thủy văn thưa thớt như Ninh Thuận mà vẫn đạt hệ số tương quan thực nghiệm trên 0,95.

2. Ý nghĩa thủy văn của tham số tối ưu x1 = 453,20 mm trong mô hình là gì? Tham số $x_1 = 453,20$ mm biểu thị dung tích chứa tối đa của tầng sản xuất dòng chảy mặt trong lưu vực. Giá trị này phản ánh đặc tính thực tế của lưu vực sông Cái Phan Rang với nền địa chất nhiều sỏi đá, thảm thực vật mỏng và diện tích đất bán khô hạn lớn, quyết định khả năng giữ ẩm và tốc độ chuyển hóa lượng mưa thành dòng chảy ngấm.

3. Biến đổi khí hậu theo kịch bản RCP4.5 tác động tiêu cực nhất đến khía cạnh nào của nguồn nước? Kịch bản RCP4.5 làm sâu sắc thêm tính cực đoan phân bố dòng chảy theo mùa. Tại hạ lưu sông Cái, lượng mưa một ngày cực đại tăng từ 28,20% đến 32,80% làm tăng áp lực ngập lụt cục bộ mùa lũ, trong khi dòng chảy kiệt mùa khô tiếp tục suy giảm do nhiệt độ tăng làm bốc hơi mạnh, khiến 14/20 hồ chứa đối diện nguy cơ hạ thấp mực nước chết thường xuyên hơn.

4. Đập thủy điện Đa Nhim đóng vai trò như thế nào trong bài toán cân bằng nước hạ lưu? Đập thủy điện Đa Nhim bổ sung hàng năm lượng nước ngoại lưu ổn định khoảng 537 triệu m³ từ hồ Đơn Dương vào sông Cái Phan Rang. Trong 9 tháng mùa kiệt khi dòng chảy tự nhiên nội tỉnh suy giảm nghiêm trọng, nguồn nước xả qua tuabin phát điện này trở thành nguồn cấp nước chủ lực, chiếm hơn 70% tổng lưu lượng phục vụ tưới tiêu và sinh hoạt cho toàn bộ vùng đồng bằng Phan Rang.

5. Phương pháp nghiên cứu này có thể chuyển giao cho các lưu vực ven biển khác không? Khung phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình GR4J trên nền tảng phần mềm Source hoàn toàn có khả năng nhân rộng cho các lưu vực sông lân cận thuộc dải ven biển Nam Trung Bộ như sông Lũy (Bình Thuận) hay sông Ba (Phú Yên). Các nhà nghiên cứu chỉ cần cập nhật chuỗi số liệu khí tượng thủy văn địa phương và chạy lại thuật toán tối ưu hóa để xác lập bộ 4 tham số tương thích.

Kết luận

• Đề tài đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng mưa - dòng chảy GR4J trên nền tảng phần mềm Source cho lưu vực sông Cái Phan Rang, đạt độ tin cậy khoa học cao với hệ số hiệu quả NSE > 0,95 và sai số thể tích VB < 5,00%.
• Xác lập bộ 4 tham số tối ưu chuẩn xác cho lưu vực khô hạn và bán khô hạn với dung tích bể sản xuất $x_1 = 453,20$ mm, cung cấp cơ sở dữ liệu mẫu phục vụ tính toán thủy văn khu vực Nam Trung Bộ.
• Lượng hóa rõ nét bức tranh phân hóa dòng chảy khốc liệt: mùa mưa ngắn chiếm trên 56% lượng nước năm gây nguy cơ ngập lũ, trong khi mùa khô 9 tháng phụ thuộc mật thiết vào nguồn nước xả 537 triệu m³/năm của thủy điện Đa Nhim.
• Đánh giá định lượng tác động tiêu cực của kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 đến năm 2030, chứng minh sự gia tăng đồng thời của hai hiện tượng cực đoan: mưa lớn một ngày tăng tới 32,80% và khô hạn mùa kiệt ngày càng gay gắt.
• Đề xuất hệ thống 4 giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, trọng tâm là vận hành liên hồ chứa linh hoạt và chuyển đổi 721,60 ha đất lúa kém hiệu quả sang cây trồng cạn.
• Kế hoạch tiếp theo cần tập trung mở rộng tích hợp dữ liệu viễn thám không gian và nâng cấp mô hình dự báo dòng chảy thời gian thực, đồng thời khuyến nghị các cấp ban ngành tỉnh Ninh Thuận nhanh chóng áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quản lý nguồn nước nhằm phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

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.