Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến đổi đặc trưng thủy văn dòng chảy tại Kon Tum trong bối cảnh biến đổi khí hậu

• Tác giả: Boonsy Sitthideth
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Hoài Nam
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học và Tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu Biến Đổi Thủy Văn Tại Kon Tum Dưới Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan chung về tác động của BĐKH đến các lưu vực sông
• 1.2. Tình hình nghiên cứu về biến đổi các đặc trưng thủy văn, dòng chảy của lưu vực sông trong bối cảnh BĐKH
• 1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.3. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 1.3.1. Vị trí địa lý
• 1.3.2. Đặc điểm địa hình
• 1.3.3. Đặc điểm địa chất
• 1.3.4. Đặc điểm khí tượng, khí hậu
• 1.3.5. Đặc điểm thủy văn, dòng chảy
• 1.3.6. Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
• 2.1. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu tác động của BĐKH
• 2.2. Mô hình khí hậu có độ phân giải siêu cao
• 2.3. Mô hình thủy văn Mike-NAM
• 2.3.1. Cấu trúc của mô hình
• 2.3.2. Hiệu chỉnh các thông số của mô hình
• 2.3.3. Điều kiện ban đầu
• 2.3.4. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô phỏng của mô hình
• 2.3.5. Kiểm định mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN, DÒNG CHẢY THIẾT KẾ LƯU VỰC SÔNG PÔ-KÔ
• 3.1. Xác định các đặc trưng thủy văn, dòng chảy thiết kế cho giai đoạn cơ sở (1989-2008)
• 3.2. Mô phỏng dòng chảy cho giai đoạn cơ sở
• 3.3. Các đặc trưng thủy văn, dòng chảy thiết kế giai đoạn cơ sở (1989-2008)
• 3.4. Xác định các đặc trưng thủy văn, dòng chảy thiết kế cho giai đoạn trung hạn (2020-2039)
• 3.5. Xác định các đặc trưng thủy văn, dòng chảy thiết kế cho giai đoạn trung hạn (2080-2099)
• 3.6. Đánh giá sự biến đổi của các đặc trưng thủy văn, dòng chảy thiết kế
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• BÀI BÁO KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng quan về biến đổi khí hậu và thủy văn tại Kon Tum

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã trở thành một trong những thách thức lớn nhất đối với môi trường và tài nguyên nước toàn cầu. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Kon Tum, tác động của BĐKH đến các đặc trưng thủy văn đang ngày càng rõ rệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng lên, kéo theo sự thay đổi trong chế độ thủy văn và dòng chảy. Ở Kon Tum, các hiện tượng thời tiết cực đoan như lũ lụt và hạn hán đã trở nên phổ biến hơn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống và sản xuất của người dân. Theo báo cáo của IPCC, lượng mưa trong tương lai có thể tăng vào mùa mưa nhưng lại giảm trong mùa khô, gây ra sự bất ổn trong nguồn nước. Do đó, việc đánh giá và dự báo sự biến đổi của các đặc trưng thủy văn trong bối cảnh BĐKH là rất cần thiết để hỗ trợ công tác quản lý nước và quy hoạch phát triển bền vững.

1.1. Tình hình nghiên cứu về tác động của BĐKH

Nghiên cứu về biến đổi khí hậu và thủy văn đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam. Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc đánh giá tác động của BĐKH đến chế độ dòng chảy và các đặc trưng thủy văn. Tại Kon Tum, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng biến đổi khí hậu đã làm thay đổi đáng kể chế độ mưa và dòng chảy. Ví dụ, nghiên cứu của Jason và đồng sự đã sử dụng phép thử Mann-Kendall để xác định mức độ ảnh hưởng của khí hậu đến lưu vực sông Churchill-Nelson, Canada, và có thể áp dụng tương tự cho lưu vực sông Pô Kô ở Kon Tum. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao nhận thức về tác động của BĐKH mà còn hỗ trợ cho việc xây dựng các chiến lược quản lý nước hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Luận văn này sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu và mô hình hóa để đánh giá sự biến đổi của các đặc trưng thủy văn tại lưu vực sông Pô Kô. Mô hình Mike-NAM được áp dụng để mô phỏng dòng chảy dựa trên lượng mưa tính toán từ mô hình khí hậu. Việc lựa chọn mô hình này nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng dự đoán tốt hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các giai đoạn nghiên cứu được chia thành ba thời kỳ: cơ sở (1989-2008), trung hạn (2020-2039) và dài hạn (2080-2099). Kết quả mô phỏng sẽ giúp đánh giá tác động của BĐKH đến các đặc trưng thủy văn, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho công tác quản lý nước và quy hoạch phát triển bền vững.

2.1. Mô hình khí hậu và thủy văn

Mô hình khí hậu có độ phân giải siêu cao được sử dụng để dự báo lượng mưa cho lưu vực sông Pô Kô. Kết quả từ mô hình khí hậu được đưa vào mô hình thủy văn Mike-NAM để mô phỏng dòng chảy. Việc hiệu chỉnh các thông số của mô hình là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong các dự báo. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô phỏng cũng được thực hiện để kiểm định tính khả thi của mô hình. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc xây dựng các công trình thủy lợi và quy hoạch quản lý nước tại Kon Tum.

III. Đánh giá sự biến đổi các đặc trưng thủy văn

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự biến đổi rõ rệt của các đặc trưng thủy văn tại lưu vực sông Pô Kô trong các giai đoạn khác nhau. Cụ thể, trong giai đoạn cơ sở, dòng chảy có xu hướng ổn định, nhưng dự báo sẽ có sự gia tăng trong giai đoạn trung hạn và dài hạn do ảnh hưởng của BĐKH. Các đặc trưng như lượng mưa, tần suất và cường độ mưa lớn cũng sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến khả năng thoát nước và quản lý lũ lụt. Điều này đặt ra thách thức lớn cho công tác quản lý nước và yêu cầu có các biện pháp thích ứng kịp thời. Các mô hình dự báo cũng cho thấy rằng, việc không tính đến tác động của BĐKH trong quy hoạch có thể dẫn đến những sai lệch lớn trong thiết kế các công trình thủy lợi.

3.1. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng dòng chảy cho thấy sự biến đổi đáng kể trong các đặc trưng thủy văn theo thời gian. Đặc biệt, trong giai đoạn dài hạn, lượng mưa dự báo sẽ tăng lên, kéo theo sự gia tăng của dòng chảy lũ. Đây là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quy hoạch và thiết kế các công trình thủy lợi. Việc đánh giá sự biến đổi này sẽ giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan hơn về tình hình thủy văn trong bối cảnh BĐKH, từ đó đưa ra các quyết định chính xác hơn trong công tác quản lý tài nguyên nước.

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã và đang tác động sâu rộng đến các lưu vực sông trên toàn cầu, làm thay đổi các đặc trưng thủy văn và dòng chảy thiết kế. Theo báo cáo của Ban Liên chính phủ về BĐKH (IPCC), nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng khoảng 0.74°C trong thế kỷ 20 và dự báo sẽ tăng thêm khoảng 2.8°C vào cuối thế kỷ 21. Sự gia tăng nhiệt độ này kéo theo sự thay đổi về lượng mưa, với xu hướng tăng trong mùa mưa và giảm trong mùa khô, cùng với sự dịch chuyển mùa mưa muộn hơn và kéo dài hơn. Tại Việt Nam, các lưu vực sông như Pô Kô ở tỉnh Kon Tum đang chịu ảnh hưởng rõ rệt của BĐKH, với các biến đổi về lượng mưa, dòng chảy và các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng gia tăng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá sự biến đổi các đặc trưng thủy văn và dòng chảy thiết kế tại lưu vực sông Pô Kô trong các giai đoạn cơ sở (1989-2008), trung hạn (2020-2039) và dài hạn (2080-2099) dưới tác động của BĐKH. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Pô Kô, tỉnh Kon Tum, với diện tích khoảng 3.530 km², địa hình phức tạp và khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng của Tây Nguyên. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và xây dựng các giải pháp thích ứng với BĐKH tại khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết biến đổi khí hậu và mô hình thủy văn. Lý thuyết biến đổi khí hậu tập trung vào các cơ chế vật lý của sự gia tăng nhiệt độ và biến đổi lượng mưa, ảnh hưởng đến chu trình thủy văn. Mô hình thủy văn Mike-NAM được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực, bao gồm các khái niệm chính như bể chứa mặt, bể chứa tầng rễ cây, dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Ngoài ra, mô hình khí hậu toàn cầu AGCM3.2S với độ phân giải siêu cao (20 km) được áp dụng để dự báo lượng mưa trong các giai đoạn nghiên cứu, giúp phản ánh chính xác các biến động khí hậu cục bộ và cực đoan.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc tại tỉnh Kon Tum và vùng lân cận, với chuỗi số liệu từ năm 1974 đến 2010. Dữ liệu địa hình DEM 10x10m được sử dụng để phân chia lưu vực và xác định trọng số các trạm mưa theo phương pháp đa giác Theisson. Phương pháp phân tích dựa trên mô hình khí hậu AGCM3.2S để dự báo lượng mưa cho các giai đoạn trung hạn và dài hạn theo kịch bản phát thải khí nhà kính ALB. Mô hình thủy văn Mike-NAM được hiệu chỉnh và kiểm định với cỡ mẫu số liệu lưu lượng từ năm 1991-1997 tại trạm Trung Nghĩa, sử dụng phương pháp hiệu chỉnh các thông số mô hình như hệ số dòng chảy mặt, ngưỡng dòng chảy, hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Timeline nghiên cứu trải dài từ giai đoạn cơ sở (1989-2008) đến dự báo trung hạn (2020-2039) và dài hạn (2080-2099).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Biến đổi lượng mưa: Lượng mưa trung bình nhiều năm tại lưu vực Pô Kô dự báo tăng khoảng 4.2% trong giai đoạn trung hạn và dài hạn so với giai đoạn cơ sở. Lượng mưa cực đại trong 1 ngày (R1d_max) và 3 ngày (R3d_max) cũng có xu hướng tăng từ 10-20%, làm gia tăng nguy cơ lũ lụt.

2. Thay đổi dòng chảy năm: Dòng chảy trung bình năm tại lưu vực dự kiến tăng từ 5-8% trong giai đoạn trung hạn và dài hạn, đặc biệt là dòng chảy mùa mưa tăng mạnh, chiếm tới 70-80% tổng lượng dòng chảy năm.

3. Biến động dòng chảy lũ: Tần suất và cường độ dòng chảy lũ thiết kế tăng khoảng 15-25% so với giai đoạn cơ sở, với khả năng xuất hiện lũ lớn nhất tập trung vào các tháng mùa mưa như tháng VI, VII và VIII.

4. Dòng chảy kiệt: Dòng chảy mùa khô có xu hướng giảm nhẹ khoảng 10-15%, làm tăng nguy cơ hạn hán và ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến đổi trên là do sự gia tăng nhiệt độ làm tăng bốc hơi nước, kết hợp với sự thay đổi phân bố lượng mưa theo mùa và cường độ mưa cực đoan. So sánh với các nghiên cứu trong khu vực Đông Nam Á và Việt Nam, kết quả phù hợp với xu hướng gia tăng dòng chảy mùa mưa và giảm dòng chảy mùa khô. Việc sử dụng mô hình khí hậu có độ phân giải siêu cao giúp mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng mưa cục bộ và cực đoan, từ đó nâng cao độ tin cậy của mô hình thủy văn Mike-NAM trong dự báo dòng chảy. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường tần suất dòng chảy năm và lũ thiết kế, bảng so sánh lượng mưa và dòng chảy giữa các giai đoạn, giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy lợi: Áp dụng các đặc trưng thủy văn và dòng chảy thiết kế mới dựa trên kết quả mô phỏng BĐKH để nâng cao độ an toàn và hiệu quả vận hành, thực hiện trong vòng 3 năm tới, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Kon Tum chủ trì.

2. Xây dựng kế hoạch quản lý nguồn nước thích ứng: Tăng cường giám sát và điều phối nguồn nước trong mùa khô để giảm thiểu tác động hạn hán, với mục tiêu giảm thiểu thiệt hại khoảng 20% trong 5 năm, do Ban Quản lý lưu vực sông Pô Kô phối hợp với các địa phương thực hiện.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm lũ lụt: Sử dụng mô hình thủy văn kết hợp dữ liệu khí tượng để cảnh báo kịp thời các sự kiện lũ lớn, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản, triển khai trong 2 năm, do Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh Kon Tum đảm nhiệm.

4. Tăng cường nghiên cứu và đào tạo: Đào tạo cán bộ kỹ thuật về mô hình khí hậu và thủy văn, nâng cao năng lực phân tích và ứng dụng kết quả nghiên cứu trong quy hoạch và quản lý lưu vực, thực hiện liên tục, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy hoạch và quản lý lưu vực sông thích ứng với BĐKH, nâng cao hiệu quả khai thác và bảo vệ nguồn nước.

2. Các nhà quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi: Cung cấp dữ liệu và phương pháp cập nhật đặc trưng thủy văn thiết kế phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu, đảm bảo an toàn và bền vững công trình.

3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, khí tượng: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng mô hình khí hậu siêu cao và mô hình thủy văn trong đánh giá tác động BĐKH đến lưu vực sông.

4. Các tổ chức phát triển và quản lý thiên tai: Hỗ trợ xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, kế hoạch ứng phó lũ lụt và hạn hán dựa trên dự báo dòng chảy và biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn lưu vực sông Pô Kô làm nghiên cứu?
   Lưu vực Pô Kô có diện tích khoảng 3.530 km², địa hình phức tạp và khí hậu đặc trưng của Tây Nguyên, là khu vực chịu ảnh hưởng rõ rệt của BĐKH, phù hợp để đánh giá biến đổi thủy văn và dòng chảy thiết kế.

2. Mô hình khí hậu AGCM3.2S có ưu điểm gì?
   Mô hình có độ phân giải siêu cao (20 km), mô phỏng chính xác các hiện tượng mưa cục bộ và cực đoan, giúp dự báo lượng mưa và tác động BĐKH chi tiết hơn so với các mô hình có độ phân giải thấp.

3. Phương pháp hiệu chỉnh mô hình Mike-NAM như thế nào?
   Sử dụng số liệu lưu lượng thực đo tại trạm Trung Nghĩa giai đoạn 1991-1997 để điều chỉnh các thông số như hệ số dòng chảy mặt, ngưỡng dòng chảy, hằng số thời gian nhằm đảm bảo mô hình mô phỏng chính xác dòng chảy thực tế.

4. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến dòng chảy mùa khô?
   Dòng chảy mùa khô có xu hướng giảm khoảng 10-15%, làm tăng nguy cơ hạn hán, ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp tại lưu vực.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý lưu vực?
   Kết quả cung cấp cơ sở khoa học để cập nhật tiêu chuẩn thiết kế công trình, xây dựng kế hoạch quản lý nguồn nước, phát triển hệ thống cảnh báo sớm và đào tạo cán bộ kỹ thuật, giúp nâng cao khả năng thích ứng với BĐKH.

Kết luận

• Đã đánh giá được sự biến đổi đáng kể của các đặc trưng thủy văn và dòng chảy thiết kế tại lưu vực sông Pô Kô trong các giai đoạn cơ sở, trung hạn và dài hạn dưới tác động của BĐKH.
• Lượng mưa và dòng chảy mùa mưa có xu hướng tăng, trong khi dòng chảy mùa khô giảm nhẹ, làm gia tăng rủi ro lũ lụt và hạn hán.
• Mô hình khí hậu AGCM3.2S và mô hình thủy văn Mike-NAM là công cụ hiệu quả trong việc mô phỏng và dự báo các biến đổi thủy văn do BĐKH.
• Kết quả nghiên cứu hỗ trợ thiết thực cho công tác quy hoạch, thiết kế công trình thủy lợi và quản lý tài nguyên nước tại tỉnh Kon Tum.
• Đề xuất các giải pháp cập nhật tiêu chuẩn thiết kế, quản lý nguồn nước, cảnh báo sớm và đào tạo nhằm nâng cao khả năng thích ứng với BĐKH trong vòng 2-5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục cập nhật dữ liệu và mô hình để nâng cao độ chính xác và hiệu quả ứng phó với biến đổi khí hậu.