Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu. Chƣơng này luận án trình bày các nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ trên Thế giới và Việt Nam. Phân tích những hạn chế trong các nghiên cứu về mƣa và lũ có xét đến biến đổi khí hậu ở Việt Nam và đã định hƣớng nghiên cứu tính toán mƣa, lũ thiết kế cho khu vực Nam Trung Bộ. Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn tính mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu.
Chƣơng này trình bày cơ sở lý thuyết của các mô hình khí hậu toàn cầu, phân tích đánh giá và lựa chọn mô hình ứng dụng trong luận án. Thiết lập đƣợc những cơ sở khoa học để phân tích hiệu chỉnh sai số. Xây dựng mô hình thông số bán phân bố, mô phỏng dòng chảy cho các lƣu vực có diện tích lớn thuộc khu vực nghiên cứu 4 Chương 3: Tính toán mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi của biến đổi khí hậu khu vực Nam Trung Bộ. Chƣơng này trình bày các kết quả tính toán mƣa 1 ngày lớn nhất và phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các lƣu vực vừa, nhỏ cũng nhƣ lƣu vực lớn trong khu vực nghiên cứu 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MƢA, LŨ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về mƣa, lũ trong nƣớc và thế giới Mƣa, lũ là những hiện tƣợng tự nhiên gây ra những tác động to lớn đến con ngƣời, xã hội và môi trƣờng, đã có nhiều nghiên cứu về mƣa, lũ đƣợc thực hiện với các mục đích khác nhau.
Mỗi nghiên cứu đều có những đóng góp nhất định chọ sự phát triển bền vững của xã hội. Một số nghiên cứu điển hình có thể kể đến là: Những nghiên cứu dựa trên bộ số liệu quan trắc đƣợc thực hiện trên quy mô toàn cầu nhƣ công trình của Frich và nnk, 2002 [2]. Kết quả nghiên cứu của Alexander và nnk, 2006 [3] với các chỉ số đƣợc phân tích cho thấy xu thế tăng của mƣa lớn, mƣa cực trị chiếm ƣu thế. Ngoài xu thế tăng thể hiện ở các khu vực nhƣ phía nam Châu Phi, đông nam Châu Úc, phía tây nƣớc Nga, nhiều khu vực thuộc Châu Âu và phần phía đông của nƣớc Mỹ.
Nghiên cứu của Frich và nnk, 2002 [2] còn cho thấy xu thế giảm của mƣa lớn, mƣa cực trị ở phía đông Châu Á và khu vực Siberia. Những nghiên cứu trên hình thành bức tranh toàn cầu về sự biến đổi của mƣa lớn trong thế kỷ 20. Các nghiên cứu trên quy mô toàn cầu cung cấp những thông tin tổng quát về mƣa lớn và xu thế biến đổi của hiện tƣợng này trên hầu hết các khu vực trên thế giới. Những thông tin này là cơ sở để các nghiên cứu ở các quy mô nhỏ hơn có thể đánh giá sự phù hợp và khác biệt so với xu thế chung của thế giới.
Tuy nhiên, do việc sử dụng số liệu từ các nguồn khác nhau cùng với việc áp dụng các phƣơng pháp nghiên cứu, phân tích chƣa thống nhất nên giữa các kết quả nghiên cứu trên quy mô toàn cầu ở một số khu vực còn chƣa thực sự đồng nhất. Ngoài ra, số lƣợng trạm không đủ để cung cấp thông tin gây khó khăn trong việc phân tích chi tiết cho quy mô khu vực hoặc quốc gia. Việc tập hợp đƣợc bộ số liệu toàn cầu và kiểm soát chất lƣợng của toàn bộ số liệu là không dễ dàng. Mỗi khu vực có một chế độ khí hậu tƣơng đối khác nhau nên chỉ số mƣa lớn, mƣa cực trị cho các khu vực này cũng cần đƣợc thay đổi cho phù hợp.
Do vậy, những nghiên cứu trên quy mô nhỏ hơn là cần thiết để có đƣợc những phân tích chi tiết và phù hợp hơn với chế độ khí hậu cũng nhƣ các đặc điểm mƣa lớn, mƣa cực trị của một vùng hoặc quốc gia. 6 Dự án số liệu và đánh giá khí hậu Châu Âu đã xây dựng một bộ chỉ số riêng phù hợp với điều kiện khí hậu của các nƣớc thuộc khu vực Châu Âu. Nghiên cứu trên quy mô Châu lục tiêu biểu nhƣ công trình của Re và Barros, 2009 [4] cho khu vực Đông Nam của Nam Mỹ. Nghiên cứu này cho thấy cƣờng độ và tần suất mƣa lớn có xu thế gia tăng đối với khu vực nghiên cứu.
Xu thế biến đổi của mƣa lớn trên khu vực lòng chảo La Plata thuộc Châu Mỹ đƣợc Penalba và Robledo, 2009 [5] đánh giá theo các mùa. Kết quả cho thấy xu thế tăng của mƣa trong các mùa xuân, hè và thu với khu vực La Plata. Xu thế tăng này chỉ phát hiện đƣợc trong mùa hè với khu vực phía Nam của Brazil và xu thế giảm xuất hiện vào mùa đông trong khu vực nghiên cứu. Khu vực phía Tây của Trung Phi và một số nƣớc lân cận đƣợc Aguilar và nnk, 2009 [6] tập trung nghiên cứu và thấy đƣợc xu thế giảm của mƣa trên khu vực quan tâm.
Xu thế biến đổi của mƣa ở khu vực Châu Âu nhìn chung là tăng với hầu hết các chỉ số. Xu thế tăng về mƣa nhanh hơn so với xu thế tăng của tổng lƣợng mƣa năm. Ở các trạm có xu thế mƣa cực trị giảm thì lƣợng mƣa trung bình năm ở các trạm này cũng giảm. Các kết luận về xu thế biến đổi của mƣa lớn trên khu vực Châu Âu đƣợc rút ra từ công trình của Moberg và nnk, 2006 [7] thực hiện nghiên cứu cho các khu vực Nam Á, Trung Á và Đông Nam Á và thấy rằng tần suất của các sự kiện mƣa lớn với hầu hết các trạm.
Cƣờng độ tăng trên một số trạm ở Úc, Fiji, New Caledonia, French Polynesia và Nhật Bản. Những đặc điểm biến đổi của mƣa lớn trên khu vực Châu Úc đƣợc nghiên cứu bởi Haylock và Nicholls, 2000 [8]. Nghiên cứu này cho thấy tần suất mƣa ở phía Tây nam Châu Úc giảm mạnh, ở phía Bắc sự gia tăng tần suất là không đáng kể. Shaw (1964) [9] viết cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đƣờng lũ đơn vị và quan hệ lƣu lƣợng với diện tích và thời gian.
Chow, Maidment (1988) [10] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ 7 đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phƣơng pháp tính lũ cho lƣu vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lƣu vực, I là cƣờng độ mƣa, C là hệ số dòng chảy. Ngoài ra, các đƣờng lũ đơn vị cũng đƣợc đề cập sử dụng cho các lƣu vực vừa và nhỏ.
Vijay (2002) [11] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment. Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc theo phƣơng pháp hồi quy đa biến.
Lê Đình Thành (1997) [13] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng. Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [14] đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6- 77 [15] nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield.
Hạn chế là phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra. 8 Hà Văn Khối và nnk (2012) [16] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn công trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình bày các phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính toán đều theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế nhƣ mô hình toán thủy văn bao gồm các mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mƣa, các mô hình lũ đơn vị. Doãn Thị Nội (2016) [17], Luận án Tiến sỹ với đề tài: “ Nghiên cứu sự biến động của mƣa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam”.
Luận án đã bổ sung phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông trên cơ sở ứng dụng thành tựu công nghệ hiện đại là hệ thống thông tin địa lý (GIS). Mặc khác, luận án đã bƣớc đầu xây dựng đƣợc phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông. Tuy nhiên, luận án mới dừng lại ở việc xem xét sự biến động của mƣa mà chƣa đánh giá đƣợc biến động của lũ trên toàn bộ khu vực nghiên cứu.