Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÀI NGUYÊN NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI LIÊN QUAN TỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Vấn đề biến đổi khí hậu (BĐKH) đã đƣợc Svante Arrhenius, một nhà khoa học ngƣời Thủy Điển, đề cập đến lần đầu tiên năm 1896, cho rằng sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ dẫn đến khả năng cao hiện tƣợng nóng lên toàn cầu. Nghiên cứu về vấn đề này bị gián đoạn do vào thời điểm đó ảnh hƣởng của con ngƣời là không đáng kể so với yếu tố thiên nhiên. Đến cuối thập niên 1980, khi nhiệt độ bắt đầu tăng lên nhanh thì hiện tƣợng nóng lên toàn cầu lại đƣợc chú ý đến. Lý thuyết về hiệu ứng nhà kính ra đời và Tổ chức Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu của Liên Hiệp quốc (IPCC) đã đƣợc thành lập qua Chƣơng trình Môi trƣờng Liên Hiệp quốc và Tổ chức Khí tƣợng thế giới.
Năm 1990, các nghiên cứu về biến đổi khí hậu của IPCC đƣợc công bố, bao gồm hiện tƣợng nóng lên toàn cầu, khí nhà kính, hiệu ứng nhà kính, nƣớc biển dâng, các tác nhân khí hậu, lịch sử thay đổi của khí hậu Trái Đất và trở thành một cơ sở khoa học khi nghiên cứu về vấn đề này. Dựa trên việc mở rộng, cải thiện khối lƣợng lớn dữ liệu quan trắc và phân tích có độ tin cậy cao, IPCC đã đƣa ra những bằng chứng mạnh mẽ rằng hiện tƣợng nóng lên toàn cầu quan trắc thấy trong 50 năm qua là do các hoạt động của con ngƣời. Đồng thời, sự hợp nhất cả nhân tố tự nhiên và con ngƣời trong kết quả quan trắc và tính toán mô hình trong 140 năm Những thay đổi trong khí hậu khu vực cho thấy tác động đến hệ thống sinh thái, vật lý và có dấu hiệu về tác động của nó đối với hệ thống kinh tế, xã hội. Xu hƣớng tăng nhiệt độ đã tác động đến hệ thống tài nguyên nƣớc và các hệ sinh thái ven biển, trong lục địa ở nhiều nơi trên thế giới, dẫn tới chi phí kinh tế xã hội tăng lên do biến đổi khí hậu khu vực và thời tiết nguy hiểm tăng lên [30].
Biến đổi khí hậu có khả năng ảnh hƣởng đến rất nhiều lĩnh vực trong đó có tài nguyên nƣớc. Trong khoảng 10 – 15 năm qua đã có nhiều nhà thủy văn trên thế 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com giới nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đối với tài nguyên nƣớc. Trong những nghiên cứu này vận dụng nhiều cách tiếp cận các mô hình khác nhau. Dù là theo cách tiếp cận nào thì mục tiêu chính của các hoạt động nghiên cứu tài nguyên nƣớc liên quan đến biến đổi khí hậu là nhằm đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với tài nguyên nƣớc.
Liên quan tới bài toán biến đổi khí hậu, nhiều nghiên cứu đã kết hợp mô hình khí hậu toàn cầu với các mô hình thủy văn quy mô lớn. Feddes & nnk (1989) [23] đã đề cập đến khả năng sử dụng mô hình khí quyển – cây trồng – nƣớc – đất 1 chiều nhƣ một cơ sở cho việc thông số hóa trong các mô hình thủy văn. Với cách tiếp cận này, mô hình thủy văn đƣợc xây dựng có thể phù hợp với quy mô lƣới của mô hình khí hậu toàn cầu (30x30km), khác một cách cơ bản so với quy mô lƣới đƣợc sử dụng trong đa số các mô hình thủy văn hiện tại. Nó cho phép thể hiện quá trình tƣơng tác giữa khí tƣợng và thủy văn, dẫn tới kết quả tính toán các đặc trƣng khí hậu và thủy văn đáng tin cậy hơn.
Tuy nhiên, để thực hiện bài toán hiệu chỉnh và các thông số là những hàm chƣa biết của khí hậu, đất, thực vật, địa lý, sử dụng đất và địa mạo nên khối lƣợng dữ liệu đƣợc yêu cầu là rất lớn. Hƣớng tiếp cận này không thể thực hiện cho các lƣu vực quy mô nhỏ vì độ phân giải lƣới thô. Vì thế, các mô hình thủy văn qui mô dƣới lƣới vẫn cần thiết để giải quyết bài toán biến đổi khí hậu liên quan đến các hiện tƣợng thủy văn trên quy mô nhỏ. Một số nghiên cứu thông qua phân tích sự biến đổi trong thời gian dài của số liệu thủy văn và khí tƣợng quan trắc để đánh giá tác động biến đổi khí hậu.
& nnk (2004) [21], tập trung vào tác động của biến đổi khí hậu lên vòng tuần hoàn thủy văn trên quy mô toàn cầu, dựa trên dữ liệu quan trắc chứng minh mối liên kết giữa hiện tƣợng ấm lên và sự gia tăng của vòng tuần hoàn thủy văn trên toàn cầu. Trên cơ sở đó, ông đƣa ra những kết luận cho thấy dòng chảy toàn cầu có xu hƣớng tăng mạnh trong 75 năm qua với bƣớc thời gian thay đổi là 15 năm. Để giải quyết bài toán này, phải giải quyết nhiều vấn đề nảy sinh khi sử dụng chuỗi dữ liệu toàn cầu nhƣ sự không đồng bộ trong độ dài chuỗi dữ liệu, hay thiếu số liệu. Mặc dù đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về xu hƣớng biến đổi dòng chảy toàn cầu, dòng 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chảy tăng 4% với 1oC tăng lên của nhiệt độ; thực tế phần lớn các nghiên cứu theo hƣớng này lại đƣợc thực hiện trên quy mô khu vực, vì thế vấn đề cần chuỗi số liệu dài và tƣơng đối đầy đủ là bức thiết.
Hƣớng nghiên cứu chuỗi lịch sử đƣợc thực hiện ở hầu hết các nghiên cứu. Những thay đổi nhiệt độ không khí trung bình đƣợc bổ sung bằng cách tăng những lƣợng cụ thể vào chuỗi nhiệt độ lịch sử và thay đổi lƣợng mƣa bằng phép toán tích với hệ số xác định. Hƣớng tiếp cận này có khả năng cung cấp những thông tin hữu ích về các đặc tính thủy văn trong điều kiện khí hậu tƣơng lai. Tuy nhiên, do hầu hết các mô hình thủy văn sử dụng các giá trị điểm hay trung bình lƣu vực của dữ liệu khí tƣợng nên đã vấp phải một vấn đề là đầu ra của mô hình khí hậu toàn cầu (GCM) quá lớn, phải đƣợc chuyển sang phạm vi nhỏ hơn phù hợp với các đánh giá tác động trên quy mô địa phƣơng.
(2008) [38] sử dụng 4 kết quả của mô hình khí hậu toàn cầu GCMs, và phƣơng pháp chi tiết hóa thống kê để xây dựng các biến khí hậu địa phƣơng mƣa và nhiệt độ trong tƣơng lai. Dữ liệu này đƣợc sử dụng làm đầu vào cho mô hình thủy văn phân bố SWAT để tính toán chế độ dòng chảy tƣơng lai tƣơng ứng trong lƣu vực thƣợng nguồn Yellow. Kết quả cho thấy xu hƣớng giảm dòng chảy trung bình năm và tăng lƣợng thiếu hụt tài nguyên nƣớc trên lƣu vực nghiên cứu, tuy nhiên biến động thủy văn tƣơng ứng với mỗi số liệu biến đổi GCMs tƣơng đối lớn. & nnk (2008) [29] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với cả chế độ thủy văn và tài nguyên nƣớc trên lƣu vực thƣợng lƣu sông Blue Nile ở Ethiopia, khu vực có dữ liệu quan trắc hạn chế.
Nghiên cứu này cũng sử dụng đầu ra của mô hình khí hậu GCMs làm đầu vào cho mô hình thủy văn 2 bể chứa đơn. Điểm đáng chú ý ở đây là đã sử dụng tổ hợp kết quả của 6 mô hình GCMs khác nhau theo trọng số dựa trên độ chính xác của từng mô hình trong kết quả tính toán mƣa và nhiệt độ cho khu vực nghiên cứu, theo nguyên tắc sai số tuyệt đối trung bình của từng mô hình càng nhỏ thì trọng số càng lớn. Trong nghiên cứu của Andersen H. & nnk (2006) [18], sử dụng dữ liệu biến đổi khí hậu đƣợc dự đoán bằng mô hình ECHAM4/OPYC và đƣợc chi tiết hóa động lực bằng mô hình khí hậu khu vực HIRHAM với độ phân giải lƣới 25 km và sử dụng số liệu này làm đầu vào 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cho mô hình thủy văn Mike 11 – TRANS với cố gắng cải thiện kết quả từ mô hình khí hậu khu vực bằng hệ số tỉ lệ thay đổi giá trị mƣa, nhiệt độ và bốc hơi theo tháng.
Mặc dù nghiên cứu có đề cập đến giá trị cực đoan, nhƣng chỉ mới dừng lại ở dòng chảy trung bình mùa lũ và mùa kiệt. Ngoài ra còn dùng chỉ số dòng chảy cơ sở và thấy xu hƣớng tăng dòng chảy lũ và giảm dòng chảy kiệt mặc dù nƣớc ngầm vẫn giữ xu hƣớng tăng.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC Việt Nam là một trong 5 quốc gia trên thế giới bị tác động nhiều nhất của BĐKH mà cụ thể là hiện tƣợng nƣớc biển dâng cao - hậu quả của sự tăng nhiệt độ làm bề mặt Trái Đất nóng lên do phát thải khí nhà kính (KNK). Đã có rất nhiều chƣơng trình nghiên cứu nhằm đƣa ra các giải pháp giảm nhẹ và ứng phó với BĐKH trên các quy mô khác nhau. Mô hình sử dụng số liệu khí tƣợng từ đầu ra của mô hình GCM với độ phân giải cao (20km không gian và từng giờ theo thời gian) ứng với kịch bản A1B của IPCC.
Nghiên cứu giả thiết số liệu đầu ra của mô hình và số liệu quan trắc có cùng một hàm phân bố, và số liệu khí tƣợng đƣợc hiệu chỉnh bằng phƣơng pháp dựa thống kê để cải thiện mƣa và nhiệt độ, sử dụng phƣơng pháp nội suy kriging. Với mô hình toàn cầu có độ phân giải cao 20km có lợi thế là nghiên cứu không cần phải thực hiện thêm bất cứ một mô hình chi tiết hóa nào, đồng thời phƣơng pháp này yêu cầu một hệ thống máy tính lớn để lƣu trữ và thực hiện các phép tính toán. Tuy nhiên trong nghiên cứu lại không đề cập đến phƣơng pháp tính hệ số tỉ lệ cho việc chỉnh sai. Với phƣơng pháp nội suy phi tuyến yêu cầu phải nắm rõ tác động từ các nút đến điểm trạm.
Trong trƣờng hợp không xác định rõ đƣợc trọng số của các nút thì việc sử dụng phƣơng pháp này sẽ ảnh hƣởng đến kết quả nội suy. Kết quả đều rất tốt đối với cả mƣa và nhiệt độ tháng. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy văn khá tốt thông qua chỉ số Nash 0.77 với sai số dòng chảy tổng vƣợt 5.5%, đƣợc thực hiện tại trạm Hà Nội. Phƣơng pháp chỉnh sai có thể mô phỏng tốt 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hơn khi kịch bản GCM qua giai đoạn đỉnh lũ và có xu thế đƣờng quá trình.
Xét về thời gian trễ, mô hình hiện chƣa đáp ứng đƣợc, ở đây chỉ có cƣờng độ mƣa đƣợc hiệu chỉnh mà bỏ qua tần suất. Kết quả bƣớc đầu của nghiên cứu cho thấy xu hƣớng ngày càng ác liệt của lũ và sự thay đổi khác biệt trong mùa mƣa.