CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN 1.1 Khái niệm về hạn hán 1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán. Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn biến đổi đáng kể từ vùng này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn.
Bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một đặc trưng lâu dài của khí hậu [1]. So với các thảm họa tự nhiên khác như: xoáy, lũ lụt, động đất, núi lửa phun trào và sóng thần có sự khởi đầu nhanh chóng, có ảnh hưởng trực tiếp và có cấu trúc, thì hạn hán lại ngược lại. Hạn hán khác với các thảm họa tự nhiên khác theo các khía cạnh quan trọng sau [2]: Không tồn tại một định nghĩa chung về hạn hán. Hạn hán có sự khởi đầu chậm, là hiện tượng từ từ, dẫn đến khó có thể xác định được sự bắt đầu và kết thúc một thời kỳ hạn.
Thời gian hạn dao động từ vài tháng đến vài năm, vùng trung tâm và vùng xung quanh bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể thay đổi theo thời gian. Không có một chỉ thị hoặc một chỉ số hạn đơn lẻ nào có thể xác định chính xác sự bắt đầu và mức độ khắc nghiệt của sự kiện hạn cũng như các tác động tiềm năng của nó. Phạm vi không gian của hạn hán thường lớn hơn nhiều so với các thảm họa khác, do đó các ảnh hưởng của hạn thường trải dài trên nhiều vùng địa lý lớn. Các tác động của hạn nhìn chung không theo cấu trúc và khó định lượng.
Các tác động tích lũy lại và mức độ ảnh hưởng của hạn sẽ mở rộng khi các sự kiện hạn tiếp tục kéo dài từ mùa này sang mùa khác hoặc sang năm khác. Mặt khác, hạn hán ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực kinh tế và xã hội nên các định nghĩa 7 về hạn sẽ được đưa ra theo nhiều cách tiếp cận khác nhau: như các ngưỡng sử dụng, theo mục đích sử dụng, khu vực, địa phương… Hơn nữa, hạn xảy ra với tần suất thay đổi gần như ở tất cả các vùng trên toàn cầu, các tác động của hạn đến nhiều lĩnh vực cũng khác nhau theo không gian và thời gian. Như vậy để có được một định nghĩa chung nhất về hạn hán thì rất khó. Wilhite [2] cho rằng mặc dù các nhân tố khí hậu (nhiệt độ cao, gió mạnh, độ ẩm tương đối thấp) thường gắn liền với hạn hán ở nhiều vùng trên thế giới và có thể làm nghiêm trọng thêm mức độ hạn, song lượng mưa vẫn là nhân tố ảnh hưởng chính gây ra hạn hán và tác giả cũng đã đưa ra một định nghĩa về hạn: “hạn hán là kết quả của sự thiếu hụt lượng mưa tự nhiên trong một thời kỳ dài, thường là một mùa hoặc lâu hơn”.
Chính vì vậy, hạn hán thường được gắn liền với các khoảng thời điểm (mùa hạn chính, sự khởi đầu muộn của mùa mưa, sự xuất hiện mưa trong mối liên hệ với các giai đoạn sinh trưởng chính của cây trồng) và đặc tính của mưa (cường độ mưa, các đợt mưa). Với các thời điểm hạn xuất hiện khác nhau sẽ dẫn đến các sự kiện hạn khác nhau về tác động, phạm vi ảnh hưởng cũng như các đặc tính khí hậu của hạn khác nhau. Trong quấn sách nói về hạn hán và nông nghiệp (Drought and agriculture) của tổ chức WMO (Khí tượng Thế giới) [3], thì hạn hán được phân thành 4 loại là: (1) Hạn khí tượng; (2) Hạn thủy văn; (3) Hạn nông nghiệp; (4) Hạn kinh tế - xã hội. (1) Hạn khí tượng (Meteorological Drought): Hạn khí tượng là hiện tượng thiếu hụt nước trong suốt một khoảng thời gian nào đó do sự mất cân bằng giữa lượng giáng thủy và bốc hơi, hạn khí tượng phản ánh đặc trưng vật lý hạn hán.
Hạn khí tượng không phản ánh được ảnh hưởng của sự thiếu hụt dòng chảy nhưng lại phản ảnh tốt sự thiết hụt nước thực tế. (2) Hạn nông nghiệp (Agricultural Drought): Hạn nông nghiệp thường xảy ra ở nơi độ ẩm đất không đáp ứng đủ nhu cầu của một cây trồng cụ thể ở thời gian nhất định và cũng ảnh hưởng đến vật nuôi và các hoạt động nông nghiệp khác. Mối quan hệ giữa lượng mưa và lượng mưa thấm vào đất thường không được chỉ rõ. Sự thẩm thấu lượng mưa vào trong đất sẽ phụ thuộc vào các điều kiện ẩm trước đó, độ dốc của đất, loại đất, cường độ mưa.
Hạn nông nghiệp xảy ra sau hạn hán khí tượng, bởi vì hạn khí tượng có ảnh 8 hưởng đến lượng nước có trong đất, khả năng giữ nước trong đất thấp thì khả năng xảy ra hạn nông nghiệp sẽ cao và ngược lại. Ví dụ, một số loại đất có khả năng giữ nước tốt hơn thì các loại đất đó ít bị hạn hơn. (3) Hạn thuỷ văn (Hydrological Drought): Hạn thủy văn liên quan đến sự thiếu hụt nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm. Nó được lượng hóa bằng dòng chảy, tuyết, mực nước hồ, hồ chứa và nước ngầm.
Hạn thủy văn xuất hiện trễ hơn hạn khí tượng và nông nghiệp, sau khi kết thúc một đợt hạn khí tượng và nông nghiệp thì hạn thủy văn phải mất một khoảng thời gian dài mới kết thúc. Cũng giống như hạn nông nghiệp, hạn thủy văn không chỉ ra được mối quan hệ rõ ràng giữa lượng mưa và trạng thái cung cấp nước bề mặt trong các hồ, bể chứa, tầng ngập nước, dòng suối. Bởi vì quá trình hình thành dòng chảy rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thành phần trong hệ thống thủy văn, như sự tưới tiêu, kiểm soát lũ lụt, vận chuyển nước, phát điện, cung cấp nước sinh hoạt và bảo tồn môi trường. (4) Hạn kinh tế-xã hội khác hoàn toàn với các loại hạn khác.
Bởi nó phản ánh mối quan hệ giữa sự cung cấp và nhu cầu hàng hóa kinh tế (ví dụ như cung cấp nước, thủy điện), nó phụ thuộc vào lượng mưa. Sự cung cấp đó biến đổi hàng năm như là một hàm của lượng mưa và nước. Nhu cầu nước cũng dao động và thường có xu thế dương do sự tăng dân số, sự phát triển của kinh tế và các nhân tố khác. Khi lượng mưa hiệu quả giảm, lượng bốc hơi tăng trong quá trình thay đổi khí hậu sẽ dẫn đến biểu hiện đầu tiên của hạn hán đó là hạn khí tượng.
Hạn khí tượng sẽ quyết định đến việc có xuất hiện hạn hán hay không và nó cũng là cơ sở phát sinh các loại hạn hán khác. Khi thảm phủ thực vật dày (như rừng rậm) sẽ làm giảm tốc độ dòng khí có lợi cho quá trình ngư tụ hơi nước dẫn đến lượng mưa tăng, ngược lại khi thảm phủ thực vật mỏng sẽ làm tăng tốc độ dòng khí làm giảm khả năng gây mưa. Do đó, hạn khí tượng xảy ra ở một mức độ nào đó sẽ dẫn đến hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và ngược lại. Sản lượng nông nghiệp chủ yếu phụ thuộc vào công tác thủy lợi, thậm chi khi lượng mưa và độ ẩm đất giảm nhưng cây trồng vẫn cho năng suất cao.
Hạn thủy văn cũng có tác động đến hạn nông nghiệp; hạn thủy văn là trang thái khô cằn cực đoan của lưu vực trong một khoảng thời gian dài (ít nhất là một quý hoặc 1 năm), quá trình hình thành dòng chảy bao gồm toàn bộ quá trình vật lý của lưu vực như lượng mưa, bốc hơi mặt 9 ruộng, bốc hơi mặt đất và quá trình ngấm từ mặt đất xuống tầng nước ngầm. Hạn thủy văn làm cho lượng nước trong lưu vực thiếu hụt, mực nước ngầm hạ thấp làm ảnh hưởng đến công tác thủy lợi, gây khó khăn cho việc cung cấp nước cho cây [4]. Từ những phân tích ở trên cho thấy, 4 loại hạn hán ở trên có sự liên quan và tương hỗ chặt chẽ với nhau, được thể hiện như trong hình 1. Hạn khí tượng Hạn kinh tế - xã hội Hạn nông nghiệp Hạn thủy văn Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5] Ghi chú: nét liền là mối liên quan trực tiếp, nét đứt là mối liên quan gián tiếp.2 Các chỉ số hạn Theo H.
Tallaksen [6], thuật ngữ “định nghĩa sự kiện hạn hán” và “chỉ số hạn hán” vẫn còn chưa rõ ràng. Chỉ số hạn hán thường là một con số đặc trưng cho trạng thái chung của hạn hán tại một thời điểm đo được. Còn định nghĩa một sự kiện hạn hán được áp dụng để lựa chọn các sự kiện hạn hán trong một chuỗi thời gian bao gồm sự bắt đầu và kết thúc của các đợt hạn hán. Việc dự tính hạn hán dựa trên các chỉ số hạn hán được trình bày chi tiết bởi WMO [3] và Richard R.
Tuy nhiên, mỗi chỉ số hạn hán đều được lựa chọn sao cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và mục đích nghiên cứu. Dưới đây là một số chỉ số đã được dùng phổ biến trên thế giới.1 Chỉ số hạn khí tượng Hạn khí tượng là sự thiếu hụt lượng nước bất thường được tạo ra do sự mất cân bằng giữa lượng giáng thủy và bốc hơi, chỉ số hạn khí tượng chủ yếu được tính toán từ các yếu tố như lượng giáng thủy, nhiệt độ không khí, bốc hơi và các yếu tố khí tượng khác. Chỉ số hạn khí tượng thường được phân thành hai loại là chỉ số giáng thủy và chỉ số đa yếu tố khí tượng. 10 (1) Chỉ số giáng thủy ① Tần số phân bố giáng thuỷ hàng năm Phân bố giáng thủy là một trong những dạng nhận biết cơ bản của hiện tượng hạn hán trong một vùng nhất định.
Và tần số phân bố giáng thủy được xác định trong khoảng (WMO [3]): Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy Giá trị P Điều kiện P < P 2 P - Rất khô P 2 P < P < P P - Khô P P < P < P P - Bình thường P>PP - Ẩm Trong đó: P là lượng giáng thuỷ trong một năm xem xét; 𝑃 là lượng giáng thuỷ trung bình trong thời kì chuẩn; là độ lệch chuẩn. ② Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index – SPI) SPI là một chỉ số dựa vào khả năng có thể của giáng thuỷ cho bất cứ thang thời gian nào.