Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Thao có tổng diện tích khoảng 59.800 km², trong đó phần lãnh thổ Việt Nam chiếm khoảng 12.000 km², còn lại thuộc Trung Quốc. Việc thiếu hụt số liệu quan trắc khí tượng, thủy văn từ phía Trung Quốc đã gây khó khăn lớn cho các nghiên cứu tài nguyên nước trên lưu vực này. Trước bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày càng rõ nét, việc đánh giá biến động nguồn nước trên lưu vực sông Thao trở nên cấp thiết nhằm phục vụ quản lý và phát triển bền vững tài nguyên nước. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-HCM để mô phỏng và phân tích biến động lượng mưa, dòng chảy trên lưu vực sông Thao trong điều kiện hiện trạng và dự báo tương lai theo các kịch bản BĐKH RCP 4.5 và RCP 8.5. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực sông Thao, cả phần lãnh thổ Việt Nam và Trung Quốc, với dữ liệu từ giai đoạn quá khứ đến năm 2100. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc dự báo tài nguyên nước, đánh giá tác động của các công trình thủy điện thượng nguồn và đề xuất các giải pháp quản lý nguồn nước hiệu quả trong điều kiện BĐKH.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mô hình khí tượng thủy văn vật lý thực và lý thuyết mô hình khí hậu khu vực (RCM). Mô hình WEHY-HCM là sự kết hợp giữa mô hình khí tượng động lực HCM và mô hình thủy văn vật lý thực WEHY, cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình khí tượng và thủy văn trên lưu vực. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Biến đổi khí hậu (BĐKH): sự thay đổi lâu dài về các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, gió, ảnh hưởng đến tài nguyên nước.
  • Kịch bản RCP (Representative Concentration Pathways): các kịch bản phát thải khí nhà kính được IPCC sử dụng để dự báo tương lai khí hậu, trong đó RCP 4.5 là kịch bản phát thải trung bình thấp, RCP 8.5 là kịch bản phát thải cao.
  • Mô hình khí tượng thủy văn vật lý thực: mô hình mô phỏng các quá trình vật lý liên quan đến khí tượng và thủy văn dựa trên dữ liệu đầu vào về địa hình, đất đai, thảm phủ và khí tượng.
  • Dữ liệu Reanalysis: dữ liệu khí tượng toàn cầu được tái phân tích từ nhiều nguồn quan trắc khác nhau, cung cấp thông tin đầu vào cho mô hình.
  • Dynamical downscaling: kỹ thuật chi tiết hóa dữ liệu khí hậu thô từ mô hình toàn cầu xuống độ phân giải cao hơn phù hợp với lưu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm dữ liệu khí tượng toàn cầu ERA-20C với độ phân giải 125 km, dữ liệu địa hình DEM độ phân giải 30 m từ ảnh vệ tinh ASTER, dữ liệu thảm phủ và độ che phủ lá cây (LAI) từ MODIS, dữ liệu đất Soilgrids độ phân giải 250 m, cùng các số liệu dòng chảy quan trắc tại các trạm trong lưu vực. Phương pháp phân tích sử dụng mô hình WEHY-HCM để mô phỏng lượng mưa, dòng chảy theo giờ trên toàn bộ lưu vực sông Thao, bao gồm cả phần lãnh thổ Trung Quốc không có số liệu quan trắc trực tiếp. Quá trình thiết lập mô hình gồm: thu thập và xử lý dữ liệu đầu vào, thiết lập domain mô hình khí tượng HCM với độ phân giải 9 km, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng số liệu quan trắc giai đoạn 1975-2010. Nghiên cứu tiến hành mô phỏng dòng chảy hiện trạng và dự báo tương lai theo các kịch bản BĐKH RCP 4.5 và RCP 8.5 từ năm 2019 đến 2100. Cỡ mẫu dữ liệu dòng chảy quan trắc tại các trạm chính như Lào Cai, Yên Bái được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ chuỗi số liệu có sẵn để đảm bảo tính đại diện. Phân tích kết quả dựa trên so sánh lưu lượng dòng chảy trung bình năm, mùa lũ, mùa kiệt và tần suất xuất hiện các trận lũ lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động lượng mưa: Lượng mưa trung bình năm trên lưu vực sông Thao dao động từ khoảng 1.500 đến 2.700 mm tùy vị trí, với mùa mưa chiếm khoảng 77-86% tổng lượng mưa năm. Mô hình WEHY-HCM mô phỏng chính xác phân bố lượng mưa theo không gian và thời gian, với sai số hiệu chỉnh dưới 10%.
  2. Dòng chảy hiện trạng: Lưu lượng dòng chảy trung bình năm tại trạm Yên Bái đạt khoảng 745 m³/s, tăng 42,8% so với trạm Lào Cai dù diện tích lưu vực chỉ tăng 17%, cho thấy phần lãnh thổ Việt Nam đóng góp đáng kể vào dòng chảy. Mùa lũ chiếm 70-80% tổng lượng dòng chảy năm, với các trận lũ lớn có thể chiếm tới 30% lượng nước năm tại một số trạm.
  3. Dự báo dòng chảy tương lai: Theo kịch bản RCP 4.5, tổng lượng mưa năm có xu hướng tăng nhẹ khoảng 5-10% đến cuối thế kỷ, dẫn đến dòng chảy trung bình năm tăng từ 3-7%. Kịch bản RCP 8.5 dự báo lượng mưa tăng mạnh hơn, khoảng 10-15%, dòng chảy tăng tương ứng 8-12%. Tuy nhiên, dòng chảy mùa kiệt có xu hướng giảm nhẹ do nhiệt độ tăng làm tăng bốc hơi.
  4. Tần suất lũ lớn: Tần suất xuất hiện các trận lũ 1-7 ngày lớn nhất có xu hướng tăng khoảng 10-20% theo cả hai kịch bản, đặc biệt dưới RCP 8.5, cảnh báo nguy cơ lũ lụt gia tăng trong tương lai.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân biến động dòng chảy được giải thích bởi sự thay đổi lượng mưa và nhiệt độ do BĐKH, cùng với tác động của các công trình thủy điện thượng nguồn Trung Quốc làm thay đổi chế độ dòng chảy. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về lưu vực sông đa quốc gia chịu ảnh hưởng BĐKH, như nghiên cứu tại lưu vực sông Kunhar (Pakistan) và sông Purus (Brazil). Việc mô hình WEHY-HCM cho phép mô phỏng chi tiết theo giờ giúp đánh giá chính xác hơn các biến động ngắn hạn và dài hạn của dòng chảy. Dữ liệu được trình bày qua biểu đồ phân bố lượng mưa theo tháng, biểu đồ dòng chảy trung bình năm và tần suất lũ lớn, cũng như bảng so sánh lưu lượng dòng chảy giữa các kịch bản hiện trạng và tương lai. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế xã hội bền vững trên lưu vực sông Thao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường hợp tác quốc tế: Thiết lập cơ chế chia sẻ số liệu khí tượng, thủy văn giữa Việt Nam và Trung Quốc nhằm nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn, giảm thiểu sai số trong dự báo dòng chảy. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Ngoại giao.
  2. Ứng dụng mô hình WEHY-HCM trong quản lý nguồn nước: Áp dụng mô hình WEHY-HCM để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm lũ lụt và hạn hán trên lưu vực sông Thao, nâng cao khả năng dự báo và giảm thiểu thiệt hại thiên tai. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, các địa phương liên quan.
  3. Quản lý và điều tiết các công trình thủy điện: Xây dựng quy hoạch khai thác nguồn nước và vận hành hồ chứa thủy điện hợp lý, giảm thiểu tác động tiêu cực đến dòng chảy hạ lưu, bảo vệ hệ sinh thái và phát triển bền vững. Thời gian: liên tục; chủ thể: Bộ Công Thương, các công ty thủy điện.
  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Đào tạo chuyên sâu về mô hình khí tượng thủy văn và ứng dụng công nghệ viễn thám cho cán bộ kỹ thuật, nhà khoa học nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu và quản lý tài nguyên nước. Thời gian: 3-5 năm; chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý tài nguyên nước: Luận văn cung cấp dữ liệu và mô hình dự báo giúp hoạch định chính sách quản lý nguồn nước hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh BĐKH và khai thác thủy điện thượng nguồn.
  2. Các nhà nghiên cứu khí tượng thủy văn: Cung cấp phương pháp ứng dụng mô hình WEHY-HCM kết hợp dữ liệu viễn thám và reanalysis, mở rộng nghiên cứu cho các lưu vực sông đa quốc gia thiếu số liệu quan trắc.
  3. Cơ quan phòng chống thiên tai: Thông tin về biến động dòng chảy và tần suất lũ lớn giúp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và hạn hán.
  4. Các nhà hoạch định phát triển kinh tế vùng: Dữ liệu về tài nguyên nước và dự báo biến động giúp lập kế hoạch phát triển nông nghiệp, thủy lợi, thủy điện và bảo vệ môi trường phù hợp với điều kiện khí hậu tương lai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình WEHY-HCM có ưu điểm gì so với các mô hình thủy văn khác?
    WEHY-HCM kết hợp mô hình khí tượng động lực và thủy văn vật lý thực, cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình khí tượng và thủy văn theo giờ, thích hợp cho lưu vực thiếu số liệu quan trắc. Ví dụ, mô hình đã được áp dụng thành công tại nhiều lưu vực đa quốc gia và khu vực núi cao.

  2. Dữ liệu đầu vào cho mô hình được thu thập như thế nào khi thiếu số liệu quan trắc?
    Luận văn sử dụng dữ liệu Reanalysis toàn cầu ERA-20C, dữ liệu viễn thám về địa hình, thảm phủ, đất đai và khí tượng, kết hợp kỹ thuật chi tiết hóa động lực để tạo dữ liệu đầu vào có độ phân giải cao phù hợp với lưu vực nghiên cứu.

  3. Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5 và RCP 8.5 khác nhau như thế nào trong dự báo dòng chảy?
    RCP 4.5 là kịch bản phát thải khí nhà kính trung bình thấp, dự báo lượng mưa và dòng chảy tăng nhẹ; RCP 8.5 là kịch bản phát thải cao, dự báo tăng mạnh hơn về lượng mưa và dòng chảy, đồng thời tăng tần suất lũ lớn, cảnh báo rủi ro thiên tai cao hơn.

  4. Ảnh hưởng của các công trình thủy điện thượng nguồn Trung Quốc đến dòng chảy lưu vực ra sao?
    Các công trình thủy điện làm thay đổi chế độ dòng chảy, giảm lưu lượng đỉnh lũ và thay đổi thời gian xuất hiện lũ, ảnh hưởng đến nguồn nước hạ lưu và hệ sinh thái. Nghiên cứu mô phỏng dòng chảy từ thượng nguồn giúp đánh giá tác động này chính xác hơn.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý thực tiễn?
    Kết quả mô phỏng và dự báo có thể được sử dụng để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, quy hoạch khai thác nguồn nước, điều tiết hồ chứa và lập kế hoạch phát triển kinh tế xã hội phù hợp với biến đổi khí hậu, giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc ứng dụng mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-HCM để mô phỏng biến động nguồn nước trên lưu vực sông Thao trong điều kiện thiếu hụt số liệu quan trắc.
  • Kết quả mô phỏng lượng mưa và dòng chảy hiện trạng phù hợp với số liệu quan trắc, đảm bảo độ tin cậy cho dự báo tương lai.
  • Dự báo theo các kịch bản BĐKH cho thấy xu hướng tăng lượng mưa và dòng chảy trung bình năm, đồng thời tăng tần suất lũ lớn, cảnh báo nguy cơ thiên tai gia tăng.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững lưu vực sông Thao.
  • Các bước tiếp theo cần tập trung vào nâng cao hợp tác quốc tế, ứng dụng mô hình trong quản lý thực tiễn và đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn cao.

Call-to-action: Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và cơ quan liên quan nên phối hợp triển khai ứng dụng mô hình WEHY-HCM và kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và ứng phó với biến đổi khí hậu trên lưu vực sông Thao.