Tổng quan luận án
Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan trên phạm vi toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê của Ủy ban Quốc gia về Phòng chống thiên tai và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2017), chỉ trong vòng 15 năm tính đến thời điểm nghiên cứu, các loại hình thiên tai như bão, lũ, lũ quét, sạt lở đất, ngập lụt, hạn hán và xâm nhập mặn đã làm chết và mất tích hơn 10.711 người, gây thiệt hại tài sản ước tính khoảng 1,5% GDP mỗi năm. Khu vực Nam Trung Bộ với đặc điểm địa hình hẹp, phía Tây là sườn đông dãy Trường Sơn Nam có độ dốc lớn, phía Đông giáp Biển Đông, hệ thống sông suối ngắn và dốc, thường xuyên chịu tác động của bão, áp thấp nhiệt đới và không khí lạnh, dẫn đến các đợt mưa lớn cực đoan tập trung và lũ lên nhanh, rút chậm ở vùng hạ du. Các sự cố công trình do lũ vượt thiết kế trên thế giới (như vỡ đập Delhi, bang Iowa, Hoa Kỳ năm 2010) và trong nước (như vỡ đập Khe Mơ, Hà Tĩnh tháng 10/2010) cho thấy yêu cầu cấp thiết phải xem xét yếu tố BĐKH trong tính toán thủy văn công trình.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả Lê Thị Hải Yến xác định là: phần lớn các công bố và kịch bản BĐKH trước đây ở Việt Nam chủ yếu dựa trên kết quả trung bình hóa từ các mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) với lưới tính toán quy mô quốc gia hoặc quy mô vùng rộng lớn, chưa được chi tiết hóa cho các lưu vực vừa và nhỏ. Điều này dẫn đến sai số đáng kể khi áp dụng trực tiếp dữ liệu mưa tương lai vào tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế phục vụ các công trình thủy lợi, giao thông tại địa phương. Do đó, luận án tiến hành nghiên cứu chi tiết hóa lượng mưa từ các mô hình khí hậu toàn cầu về từng trạm quan trắc, từ đó định lượng mưa một ngày lớn nhất và dòng chảy lũ thiết kế có xét đến BĐKH cho khu vực Nam Trung Bộ.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm:
- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và thực tiễn tính toán mưa, lũ khu vực Nam Trung Bộ khi xét đến biến đổi khí hậu phục vụ tính toán thiết kế đa ngành, đánh giá an toàn các công trình thủy lợi, giao thông.
- Các mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu, tính toán mưa một ngày lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ bằng phương pháp chi tiết hóa lượng mưa từ các mô hình khí hậu toàn cầu.
- Xác định phương pháp tính lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu cho khu vực Nam Trung Bộ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mưa và lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu.
- Phạm vi không gian: Khu vực Nam Trung Bộ, bao gồm 8 tỉnh và thành phố: thành phố Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận.
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn thực đo lịch sử tại 93 trạm quan trắc đến năm 2014/2017; thời kỳ tính toán tương lai gồm hai giai đoạn: giai đoạn giữa thế kỷ (2040–2069) và giai đoạn cuối thế kỷ (2070–2099) theo hai kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện RCP4.5 và RCP8.5.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng quan hệ thống các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến biến động mưa cực đoan, phương pháp tính toán thủy văn thiết kế và đánh giá tác động của BĐKH:
- Về nghiên cứu biến đổi mưa cực đoan trên thế giới:
- Frich và nnk (2002), Alexander và nnk (2006) phân tích chuỗi số liệu quan trắc toàn cầu thế kỷ 20, chỉ ra xu thế gia tăng của các chỉ số mưa lớn tại phần lớn các khu vực như nam châu Phi, đông nam châu Úc, tây Nga, châu Âu và đông Hoa Kỳ, trong khi ghi nhận xu thế giảm tại đông Á và Siberia.
- Re và Barros (2009) phân tích khu vực đông nam Nam Mỹ; Penalba và Robledo (2009) khảo sát lưu vực La Plata; Aguilar và nnk (2009) nghiên cứu phía tây Trung Phi; Moberg và nnk (2006) nghiên cứu khu vực châu Âu và châu Á; Haylock và Nicholls (2000) khảo sát tại châu Úc. Các nghiên cứu này khẳng định sự phân hóa không gian và tính phức tạp của xu thế mưa cực đoan giữa các vùng địa lý.
- Về phương pháp tính toán lũ thiết kế truyền thống và hiện đại:
- Shaw (1964) tổng hợp phương pháp tính toán lũ thiết kế dựa trên diện tích lưu vực và điều kiện số liệu (lưu vực lớn áp dụng thống kê xác suất; lưu vực nhỏ áp dụng mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị).
- Chow và Maidment (1988) thiết lập các nguyên lý cơ bản về đường cong cường độ – thời gian – tần suất (IDF), biểu đồ mưa tích lũy 24 giờ, tính toán lượng mưa lớn nhất khả năng (PMP), phương pháp chuyển đổi mưa – dòng chảy và mô hình quan hệ cho lưu vực vừa và nhỏ ($Q = C \cdot I \cdot A$).
- Vijay (2002) phân tích 15 mô hình toán tính lũ cho lưu vực nhỏ và lớn trên thế giới; Raghunath (2006) trình bày các phương pháp đường lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark và đường lũ đơn vị SCS cho vùng Tapti (Ấn Độ).
- Tại Việt Nam: Lê Đình Thành (1997) nghiên cứu phương pháp tính PMP và PMF; Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) xây dựng phần mềm tính lũ theo Quy phạm QP.TL C-6-77 và phương pháp SCS; Đoàn Thị Nội (2016) ứng dụng GIS tính toán lũ công trình giao thông vùng núi Đông Bắc; Sổ tay Kỹ thuật Thủy lợi (Tập 4, Chương 3) và Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9845:2013 hướng dẫn tính toán dòng chảy lũ thiết kế và khẩu độ công trình thoát nước.
- Về đánh giá tác động của BĐKH đến mưa và dòng chảy lũ:
- Trên thế giới: Dankers và Feyen (2008) kết hợp mô hình khí hậu khu vực HIRHAM và mô hình thủy văn LISFLOOD cho châu Âu; Hyun-Han Kwon và nnk (2011) ứng dụng chuỗi Bayesian Markov và mô hình đa biến ngẫu nhiên cho đập Soyang (Hàn Quốc); Den Besten (2012) áp dụng chuỗi liên kết GCM – RCM – mô hình thủy văn; Graham và nnk (2007) sử dụng 15 mô hình khí hậu đánh giá thủy văn Bắc Âu; Kay và nnk (2006) sử dụng mô hình HadRM3 cho nước Anh; Lehner và nnk (2006) đánh giá tần suất lũ tại châu Âu. Các tiêu chuẩn thiết kế đập và công trình tại Na Uy, Ấn Độ (IS: 5477, IS: 11223-1985), Malaysia và New Zealand đã bắt đầu yêu cầu tích hợp yếu tố BĐKH.
- Tại Việt Nam: Dự án BĐKH ở châu Á (Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu, Nguyễn Ngọc Huấn, Trần Việt Liễn, 1994–1998); Thông báo Quốc gia lần 1 và lần 2 cho UNFCCC; Chương trình KC.08/06-10 của Bộ Khoa học và Công nghệ (2010); Lê Mạnh Hùng và Lê Thị Kim Cúc (nghiên cứu khu vực TP. Hồ Chí Minh với mô hình khí hậu của Nhật Bản theo kịch bản SRES A1B); Vũ Thanh Tâm và nnk (2013, phương pháp xáo trộn chỉ định); Vũ Thị Thu Lan và Hoàng Thanh Sơn (2012, tỉnh Quảng Nam); Lã Đức Dũng (2017, hệ thống Bắc Nam Hà với kịch bản B2 và RCP4.5); Ngô Lê An và nnk (2015, tính toán lại lũ hồ chứa A Vương với mô hình HadGEM theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5); Kịch bản BĐKH và nước biển dâng do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012 và 2016.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trước đây ở Việt Nam chủ yếu dùng kịch bản phát thải cũ (SRES) hoặc chỉ sử dụng đơn lẻ một vài mô hình GCM, dữ liệu đầu ra bị trung bình hóa không gian lớn, chưa phản ánh được độ bất định khí hậu và đặc trưng mưa địa phương. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách khai thác tổ hợp 11 mô hình GCMs thuộc CMIP5, áp dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số cho 93 trạm quan trắc, từ đó xây dựng bản đồ biến động mưa 1 ngày lớn nhất và tính toán đỉnh lũ thiết kế cho các lưu vực vừa, nhỏ và lớn khu vực Nam Trung Bộ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án xây dựng khung phân tích kết hợp giữa mô hình hóa khí hậu toàn cầu, phương pháp chi tiết hóa thống kê hiệu chỉnh sai số và các mô hình toán thủy văn mưa – dòng chảy.
- Cơ sở lý thuyết về mô hình khí hậu và kịch bản BĐKH:
- Kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP) của IPCC (2013, 2014) được sử dụng thay thế cho các kịch bản SRES. Luận án lựa chọn hai kịch bản: RCP4.5 (bức xạ tác động đạt 4,5 W/m² vào năm 2100, nồng độ CO₂ tương đương ~650 ppm, phát thải trung bình thấp, tương đương SRES B1) và RCP8.5 (bức xạ tác động đạt 8,5 W/m² vào năm 2100, nồng độ CO₂ tương đương ~1370 ppm, phát thải cao, tương đương SRES A1FI).
- Tổ hợp 11 mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) thuộc Dự án Đối chứng các Mô hình Khí hậu giai đoạn 5 (CMIP5) được đánh giá và lựa chọn, bao gồm: ACCESS1-3, CanESM2, CMCC-CMS, CNRM-CM5, NorESM1-M, HadGEM2-ES, CCSM4, MPI-ESM-LR, GFDL-CM3, NCAR-SST, HadGEM2-SST.
- Phương pháp chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số:
- Luận án sử dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê (Statistical Downscaling) kết hợp hiệu chỉnh sai số (bias correction) dựa trên hàm phân bố xác suất thực nghiệm (Quantile Mapping theo Gudmundsson và nnk).
- Dữ liệu lượng mưa ngày mô phỏng từ các ô lưới GCM thời kỳ nền được so sánh với số liệu thực đo tại từng trạm để xác định hàm sai số hệ thống, sau đó áp dụng hàm hiệu chỉnh này cho chuỗi số liệu mưa tương lai ở từng trạm trong hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099.
- Phương pháp nội suy không gian khoảng cách nghịch đảo (IDW) tích hợp trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) được dùng để xây dựng bản đồ phân bố lượng mưa một ngày lớn nhất trên toàn khu vực.
- Phương pháp tính toán lũ thiết kế:
- Đối với lưu vực vừa và nhỏ: Luận án áp dụng phương pháp Sokolovsky (Xokolopsky) và phương pháp cường độ giới hạn theo Quy phạm QP.TL C-6-77 và Tiêu chuẩn TCVN 9845:2013. Các tham số mưa thiết kế đầu vào được cập nhật từ kết quả mưa 1 ngày lớn nhất tương lai đã chi tiết hóa.
- Đối với lưu vực có diện tích lớn: Luận án sử dụng mô hình thông số bán phân bố NAM (Nielsen và Hansen, 1973) kết hợp mô hình cân bằng lượng trữ đoạn sông để mô phỏng dòng chảy ngày. Đồng thời, luận án thiết lập phương trình tương quan thực nghiệm giữa lưu lượng đỉnh lũ thực đo ($Q_{\max}$) và lưu lượng ngày lớn nhất ($Q_{\text{ngày max}}$) tại các trạm thủy văn chính để tính chuyển dòng chảy ngày sang đỉnh lũ tức thời phục vụ đánh giá an toàn công trình.
- Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu mưa ngày thực đo nhiều năm tại 93 trạm quan trắc khí tượng, đo mưa phân bố trên 8 tỉnh Nam Trung Bộ và vùng lân cận thuộc Tây Nguyên (Đà Nẵng, Trà My, Nông Sơn, Thành Mỹ, Ái Nghĩa, Quy Nhơn, Hoài Nhơn, Bình Tường, An Khê, Sơn Hòa, Pleiku, Ayun Pa, Kon Tum, M'Drăk...).
- Dữ liệu thủy văn: Chuỗi số liệu quan trắc lưu lượng thực đo tại các trạm Nông Sơn, Thành Mỹ (lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn), Bình Tường (lưu vực sông Kôn), Củng Sơn, An Khê (lưu vực sông Ba).
- Dữ liệu mô hình số trị: Đầu ra lượng mưa hàng ngày của 11 mô hình GCMs thuộc CMIP5 thời kỳ quá khứ và tương lai (2006–2100) theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu mưa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu
Chương 1 trình bày tổng quan điều kiện địa lý tự nhiên, đặc điểm khí tượng thủy văn và xu thế mưa, lũ tại khu vực Nam Trung Bộ:
- Điều kiện tự nhiên và sông ngòi: Khu vực gồm 8 tỉnh, thành phố với bờ biển dài, địa hình dẹp theo chiều Đông – Tây (trung bình 40–50 km), sườn núi dốc đứng. Ba hệ thống sông lớn nhất là Vu Gia – Thu Bồn, sông Kôn – Hà Thanh và sông Ba (sông Đà Rằng), cùng các sông nhỏ hơn như Trà Khúc, sông Cái, sông Sắt. Đặc điểm chung của sông ngòi Nam Trung Bộ là dòng ngắn, độ dốc lớn, thời gian tập trung nước nhanh, lũ lên nhanh và rút chậm ở hạ du do ảnh hưởng của triều cường.
- Đặc điểm mưa lũ và hình thế gây mưa lớn: Mùa mưa tập trung từ tháng IX đến tháng XII, trong đó lượng mưa hai tháng X và XI chiếm từ 40% đến 50% tổng lượng mưa cả năm. Khoảng 68% các đợt mưa lớn trong 25 năm qua do xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) hoạt động đơn lẻ hoặc kết hợp với không khí lạnh (KKL) và dải hội tụ nhiệt đới (HTNĐ). Tần suất xuất hiện lũ lớn nhất năm tập trung cao nhất vào tháng X và XI (trên sông Vu Gia – Thu Bồn đạt từ 32,4% đến 50,0% vào tháng X; trên sông Kôn và sông Ba đạt từ 47,1% đến 69,2% vào tháng XI).
| Tên trạm |
Sông |
Tháng V (%) |
Tháng VI (%) |
Tháng IX (%) |
Tháng X (%) |
Tháng XI (%) |
Tháng XII (%) |
Tổng (%) |
| Nông Sơn |
Thu Bồn |
2,9 |
0,0 |
8,8 |
44,1 |
35,3 |
8,8 |
100 |
| Thành Mỹ |
Vu Gia |
2,9 |
0,0 |
11,8 |
50,0 |
32,4 |
2,9 |
100 |
| Bình Tường |
Kôn |
0,0 |
2,9 |
2,9 |
29,4 |
55,9 |
11,8 |
100 |
| Củng Sơn |
Ba |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
23,1 |
69,2 |
7,7 |
100 |
- Phân tích xu thế mưa một ngày lớn nhất qua chuỗi số liệu thực đo: Kết quả hồi quy tuyến tính cho thấy sự phân hóa rõ nét giữa các trạm quan trắc. Trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn, đa số các trạm có xu thế tăng lượng mưa 1 ngày lớn nhất: Tam Kỳ (+2,63 mm/năm), Giao Thủy (+1,75 mm/năm), Nông Sơn (+1,46 mm/năm), Cầu Lâu (+1,27 mm/năm), Thành Mỹ (+1,27 mm/năm), Tiên Phước (+1,10 mm/năm), Ái Nghĩa (+0,83 mm/năm). Ngược lại, một số trạm có xu thế giảm như Đà Nẵng (-0,87 mm/năm), Phước Sơn (-0,18 mm/năm). Trên lưu vực sông Kôn và sông Ba, trạm Hoài An giảm (-2,53 mm/năm), Vân Canh giảm (-1,78 mm/năm), Ayun Pa giảm (-1,39 mm/năm), trong khi trạm Kon Tum tăng (+0,75 mm/năm) và Chư Sê tăng (+0,23 mm/năm).
Chương 2: Cơ sở khoa học tính mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu
Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết, công cụ tính toán và quy trình xử lý dữ liệu cho bài toán mưa và lũ thiết kế:
- Lựa chọn mô hình khí hậu: Đánh giá 11 mô hình GCMs thuộc CMIP5 dựa trên mức độ tương thích về mặt cấu trúc lưới và khả năng mô phỏng các hoàn lưu gió mùa nhiệt đới khu vực Đông Nam Á.
| STT |
Tên mô hình GCM |
Quốc gia / Nhóm phát triển |
Kịch bản phát thải |
| 1 |
ACCESS1-3 |
CSIRO-BOM, Úc |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 2 |
CanESM2 |
CCCma, Canada |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 3 |
CMCC-CMS |
CMCC, Ý |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 4 |
CNRM-CM5 |
CNRM-CERFACS, Pháp |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 5 |
NorESM1-M |
NCC, Na Uy |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 6 |
HadGEM2-ES |
Met Office Hadley Centre, Vương quốc Anh |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 7 |
CCSM4 |
NCAR, Hoa Kỳ |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 8 |
MPI-ESM-LR |
MPI-M, Đức |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 9 |
GFDL-CM3 |
NOAA GFDL, Hoa Kỳ |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 10 |
NCAR-SST |
NCAR, Hoa Kỳ |
RCP4.5, RCP8.5 |
| 11 |
HadGEM2-SST |
Met Office Hadley Centre, Vương quốc Anh |
RCP4.5, RCP8.5 |
- Thiết lập phương pháp chi tiết hóa thống kê: Dữ liệu mô phỏng của 11 GCMs được trích xuất về 93 trạm mưa; áp dụng kỹ thuật hiệu chỉnh sai số phân vị (Quantile Mapping) để loại bỏ sai số hệ thống so với chuỗi quan trắc lịch sử.
- Xây dựng sơ đồ mô phỏng dòng chảy lưu vực lớn: Mô hình NAM được thiết lập cấu trúc cho 4 lưu vực chính: Nông Sơn, Thành Mỹ (sông Vu Gia – Thu Bồn), Bình Tường (sông Kôn) và Củng Sơn (sông Ba). Thiết lập quan hệ hồi quy phi tuyến giữa $Q_{\max}$ và $Q_{\text{ngày max}}$ tại các trạm khống chế làm cầu nối xác định đỉnh lũ thiết kế tức thời.
Chương 3: Tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu khu vực nghiên cứu
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán chi tiết hóa mưa 1 ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế:
-
Đánh giá sai số chi tiết hóa: Sai số trung bình và độ lệch chuẩn giữa giá trị tính toán của 11 mô hình GCMs với số liệu thực đo tại 93 trạm được kiểm định, cho thấy sau khi hiệu chỉnh sai số, phân bố lượng mưa mô phỏng bám sát đường tần suất thực đo.
-
Kết quả biến động lượng mưa một ngày lớn nhất ($X_{1\text{ngày max}}$):
- Tại lưu vực Vu Gia – Thu Bồn (Nông Sơn, Thành Mỹ): Theo kịch bản RCP4.5, lượng mưa 1 ngày lớn nhất giai đoạn 2040–2069 tăng từ 8% đến 16%, giai đoạn 2070–2099 tăng từ 12% đến 22% so với thời kỳ nền. Theo kịch bản RCP8.5, mức tăng giai đoạn 2040–2069 là 14% đến 25%, và giai đoạn 2070–2099 tăng mạnh từ 20% đến trên 32%.
- Tại lưu vực sông Ba và sông Kôn: Xu thế gia tăng tập trung chủ yếu ở phần thượng nguồn và sườn đông dãy Trường Sơn, với mức tăng từ 6% đến 18% (RCP4.5) và từ 10% đến 28% (RCP8.5).
- Luận án đã thành lập 4 bản đồ biến động lượng mưa 1 ngày lớn nhất trên toàn khu vực Nam Trung Bộ tương ứng với 2 kịch bản (RCP4.5, RCP8.5) và 2 giai đoạn (2040–2069, 2070–2099).
-
Kết quả mô phỏng dòng chảy và tính toán đỉnh lũ thiết kế ($Q_{\max}$):
- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM: Kết quả mô phỏng dòng chảy trung bình tháng và dòng chảy ngày thời kỳ hiệu chỉnh và kiểm định tại các trạm Nông Sơn, Thành Mỹ, Bình Tường, Củng Sơn đạt chỉ số Nash-Sutcliffe (NASH) từ 0,75 đến 0,88, phản ánh mức độ phù hợp cao của bộ thông số.
- Phương trình tương quan $Q_{\max} - Q_{\text{ngày max}}$:
- Trạm Nông Sơn (1977–2010): $Q_{\max} = 1,283 \cdot Q_{\text{ngày max}}^{1,012}$ (hệ số xác định $R^2 = 0,92$).
- Trạm Thành Mỹ (1977–2010): $Q_{\max} = 1,315 \cdot Q_{\text{ngày max}}^{1,008}$ ($R^2 = 0,90$).
- Trạm Củng Sơn (1977–1997): $Q_{\max} = 1,241 \cdot Q_{\text{ngày max}}^{1,021}$ ($R^2 = 0,89$).
- Trạm Bình Tường: $Q_{\max} = 1,352 \cdot Q_{\text{ngày max}}^{0,998}$ ($R^2 = 0,91$).
- Đánh giá mức độ gia tăng đỉnh lũ thiết kế: Dòng chảy đỉnh lũ thiết kế ứng với các tần suất $P = 0,1%$; $0,2%$; $0,5%$; $1,0%$; $2,0%$ và $5,0%$ đều có xu thế tăng đáng kể so với thời kỳ nền.
| Lưu vực / Trạm |
Kịch bản RCP4.5 (2040–2069) |
Kịch bản RCP4.5 (2070–2099) |
Kịch bản RCP8.5 (2040–2069) |
Kịch bản RCP8.5 (2070–2099) |
| Nông Sơn ($Q_{\max}$) |
Tăng 8,5% – 14,2% |
Tăng 12,1% – 18,6% |
Tăng 13,8% – 21,5% |
Tăng 19,4% – 28,7% |
| Thành Mỹ ($Q_{\max}$) |
Tăng 9,1% – 15,0% |
Tăng 13,4% – 20,2% |
Tăng 15,2% – 23,1% |
Tăng 21,0% – 30,5% |
| Bình Tường ($Q_{\max}$) |
Tăng 6,4% – 11,8% |
Tăng 9,8% – 15,3% |
Tăng 10,5% – 17,2% |
Tăng 16,1% – 24,0% |
| Củng Sơn ($Q_{\max}$) |
Tăng 5,8% – 10,5% |
Tăng 8,9% – 14,1% |
Tăng 9,2% – 15,8% |
Tăng 14,5% – 22,3% |
- Tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ và bản đồ phân vùng: Luận án phân loại nguy cơ thành 4 mức: Nguy cơ rất cao (mức tăng $Q_{\max} > 25%$), Nguy cơ cao (tăng từ 15% đến 25%), Nguy cơ trung bình (tăng từ 5% đến 15%) và Nguy cơ thấp/không đổi (tăng $< 5%$). Từ đó, luận án xây dựng hoàn chỉnh bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế khu vực Nam Trung Bộ giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099.
Kết quả và những đóng góp mới
- Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:
- Xây dựng được khung phương pháp luận hoàn chỉnh tích hợp từ tổ hợp 11 mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) thuộc CMIP5, áp dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số phân vị (Quantile Mapping) về 93 trạm quan trắc địa phương. Quy trình này khắc phục được hạn chế của phương pháp chi tiết hóa động lực vốn đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn và khắc phục hiện tượng trung bình hóa không gian của các kịch bản BĐKH diện rộng trước đây.
- Xác lập phương pháp xác định dòng chảy lũ thiết kế có xét đến BĐKH cho các quy mô lưu vực khác nhau: kết hợp công thức giải tích kinh nghiệm (Sokolovsky, Cường độ giới hạn) cho lưu vực vừa và nhỏ, và mô hình bán phân bố NAM kết hợp phương trình quan hệ $Q_{\max} - Q_{\text{ngày max}}$ cho lưu vực lớn.
- Đóng góp mới về mặt thực tiễn:
- Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu định lượng về lượng mưa một ngày lớn nhất tương lai và mức độ gia tăng lưu lượng đỉnh lũ thiết kế ($Q_{\max}$) theo các tần suất thiết kế ứng với 2 kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cho hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099 tại 8 tỉnh, thành phố Nam Trung Bộ.
- Xây dựng bộ bản đồ biến động lượng mưa một ngày lớn nhất và bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế trên nền GIS, làm tài liệu tham khảo phục vụ kiểm tra an toàn đập, hồ chứa thủy lợi, thiết kế khẩu độ thoát nước công trình giao thông và quy hoạch tiêu thoát lũ vùng Nam Trung Bộ.
- Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Cần rà soát, bổ sung hệ số điều chỉnh do BĐKH vào các tiêu chuẩn, quy phạm tính toán thủy văn thiết kế hiện hành (như Quy phạm QP.TL C-6-77 và TCVN 9845:2013) khi thiết kế xây mới hoặc nâng cấp các công trình thủy lợi, giao thông tại Nam Trung Bộ.
- Ứng dụng kết quả phân vùng nguy cơ biến động lũ để ưu tiên bố trí nguồn lực đầu tư gia cố các hồ đập xung yếu tại các lưu vực có mức độ gia tăng đỉnh lũ trên 20% (như vùng thượng nguồn Vu Gia – Thu Bồn).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của luận án:
- Bước thời gian chi tiết hóa lượng mưa mới dừng lại ở quy mô thời đoạn ngày (mưa 1 ngày lớn nhất), chưa chi tiết hóa được các trận mưa thời đoạn ngắn (mưa giờ, mưa phút) do hạn chế về độ phân giải của dữ liệu GCMs và số liệu mưa tự ghi trong quá khứ.
- Mô hình tính toán dòng chảy lũ chưa tích hợp liên kết mô hình thủy lực 2 chiều mô phỏng ngập lụt chi tiết vùng đồng bằng hạ du có xét đến tác động đồng thời của nước biển dâng và triều cường dâng do bão.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Phát triển phương pháp chi tiết hóa thống kê cho lượng mưa thời đoạn ngắn (mưa 1 giờ đến 12 giờ) và đường cong phân bố mưa thiết kế phục vụ thoát nước đô thị và lưu vực sông nhỏ.
- Tích hợp chuỗi mô hình khí hậu – thủy văn – thủy lực 2D để đánh giá ngập lụt hạ du các lưu vực sông chính Nam Trung Bộ trong bối cảnh BĐKH kết hợp nước biển dâng cực đoan.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng và cơ quan chuyên môn sau:
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy và Công trình Giao thông: tham khảo khung phương pháp luận chi tiết hóa thống kê từ tổ hợp GCMs, kỹ thuật hiệu chỉnh sai số Quantile Mapping và phương pháp thiết lập tương quan $Q_{\max} - Q_{\text{ngày max}}$.
- Cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị tư vấn thiết kế (Bộ Nông nghiệp và PTNT, Bộ Giao thông Vận tải, các Sở NN&PTNT, Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng tại 8 tỉnh Nam Trung Bộ): sử dụng bộ số liệu biến động đỉnh lũ thiết kế và bản đồ phân vùng nguy cơ lũ để rà soát quy trình vận hành hồ chứa, kiểm tra khẩu độ cầu cống và lập quy hoạch phòng chống thiên tai.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao luận án lại sử dụng tổ hợp 11 mô hình GCMs thay vì chỉ chọn 1 hoặc 2 mô hình khí hậu?
Các mô hình khí hậu toàn cầu có cấu trúc lưới và phương pháp tham số hóa các quá trình vật lý khí quyển khác nhau. Nếu chỉ sử dụng 1–2 mô hình, kết quả mô phỏng mưa tương lai sẽ mang tính thiên lệch và khó đại diện cho xu thế chung. Việc khai thác tổ hợp 11 mô hình GCMs thuộc CMIP5 giúp mô tả đầy đủ bức tranh diễn biến khí hậu tương lai, đồng thời phản ánh đúng độ bất định của dữ liệu dự báo.
-
Luận án áp dụng phương pháp nào để chi tiết hóa lượng mưa từ lưới GCM về các trạm quan trắc?
Luận án sử dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê kết hợp kỹ thuật hiệu chỉnh sai số dựa trên hàm phân bố xác suất thực nghiệm (Quantile Mapping). Kỹ thuật này so sánh hàm phân bố tích lũy của mưa ngày mô phỏng từ GCM với chuỗi số liệu thực đo tại 93 trạm trong thời kỳ nền để xác định sai số hệ thống, sau đó hiệu chỉnh chuỗi dữ liệu mưa ngày tương lai.
-
Phương pháp tính toán đỉnh lũ thiết kế ($Q_{\max}$) cho các lưu vực lớn được thực hiện như thế nào?
Đối với các lưu vực lớn (như Nông Sơn, Thành Mỹ, Củng Sơn, Bình Tường), luận án sử dụng mô hình bán phân bố NAM để tính toán chuỗi dòng chảy ngày trong tương lai từ lượng mưa đã chi tiết hóa. Sau đó, đỉnh lũ thiết kế tức thời ($Q_{\max}$) được xác định thông qua các phương trình tương quan thực nghiệm phi tuyến giữa $Q_{\max}$ và $Q_{\text{ngày max}}$ được xây dựng từ chuỗi số liệu thực đo nhiều năm tại các trạm khống chế (hệ số $R^2 \ge 0,89$).
-
Xu thế biến đổi của mưa 1 ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế tại Nam Trung Bộ trong tương lai ra sao?
Theo kết quả tính toán của luận án, lượng mưa 1 ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế trên khu vực Nam Trung Bộ đều có xu thế tăng so với thời kỳ nền ở cả hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099. Mức tăng mạnh nhất xuất hiện ở kịch bản RCP8.5 giai đoạn cuối thế kỷ (2070–2099), với đỉnh lũ thiết kế tại lưu vực Vu Gia – Thu Bồn tăng từ 19,4% đến 30,5%, và tại sông Kôn, sông Ba tăng từ 14,5% đến 24,0%.
-
Bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế được xây dựng dựa trên tiêu chí nào?
Bản đồ phân vùng được xây dựng trên cơ sở tích hợp GIS với 4 cấp độ nguy cơ gia tăng lưu lượng đỉnh lũ thiết kế ($Q_{\max}$): Nguy cơ rất cao ($Q_{\max}$ tăng $> 25%$), Nguy cơ cao ($Q_{\max}$ tăng 15% – 25%), Nguy cơ trung bình ($Q_{\max}$ tăng 5% – 15%) và Nguy cơ thấp/không đổi ($Q_{\max}$ tăng $< 5%$).
Kết luận
Luận án của tác giả Lê Thị Hải Yến đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và thực tiễn để định lượng mưa 1 ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế có xét đến BĐKH cho khu vực Nam Trung Bộ. Bằng cách kết hợp tổ hợp 11 mô hình khí hậu toàn cầu GCMs với phương pháp chi tiết hóa thống kê và mô hình thủy văn bán phân bố NAM, nghiên cứu đã khắc phục được hiện tượng trung bình hóa quy mô lớn của các kịch bản khí hậu trước đây. Kết quả tính toán định lượng mức tăng đỉnh lũ và hệ thống bản đồ phân vùng biến động lũ theo hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 là cơ sở khoa học phục vụ trực tiếp công tác thiết kế, rà soát an toàn đập thủy lợi và công trình giao thông trên địa bàn 8 tỉnh, thành phố Nam Trung Bộ.
