Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy trên lưu vực sông Cả" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Bằng thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu (Bộ Tài nguyên và Môi trường), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Doãn Hà Phong và PGS. Bùi Tiến Diệu. Luận án thuộc chuyên ngành Biến đổi khí hậu, mã số đào tạo 9440221, hoàn thành và bảo vệ năm 2022 tại Hà Nội.

Về tính cấp thiết, khu vực Bắc Trung Bộ trải qua quá trình phát triển kinh tế - xã hội và đô thị hóa nhanh chóng, dẫn đến biến động thảm phủ bề mặt như suy giảm độ che phủ rừng và chuyển dịch đất nông nghiệp. Những thay đổi này can thiệp trực tiếp vào quá trình mưa - dòng chảy, làm biến đổi lưu lượng và phân bố dòng chảy mặt. Đồng thời, biến đổi khí hậu làm gia tăng tính cực đoan của các yếu tố khí tượng: nhiệt độ tăng, lượng mưa mùa khô giảm và lượng mưa mùa lũ tăng. Theo các tài liệu được tác giả viện dẫn, đến năm 2025, tổng lượng nước mặt của Việt Nam ước tính chỉ còn khoảng 96% so với hiện nay, và đến năm 2030, nhu cầu nước cho kinh tế - xã hội và dân sinh dự kiến đạt 122 tỷ m³/năm (tăng 1,5 lần). Sông Cả là lưu vực sông lớn với dòng chính dài 513 km, tổng diện tích tự nhiên 27.200 km². Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây thường chỉ đánh giá đơn lẻ tác động của biến động thảm phủ hoặc tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy; rất ít công trình xem xét đồng thời cả hai yếu tố. Đặc biệt, phần thượng lưu sông Cả có 9.470 km² (chiếm 34,8% diện tích) nằm trên lãnh thổ nước bạn Lào, nơi dữ liệu thảm phủ và tài nguyên nước ngoài biên giới thường bị bỏ trống trong các tính toán truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung:

  1. Mô phỏng sự thay đổi thảm phủ và dự tính kịch bản thảm phủ lưu vực sông Cả trong tương lai bằng phương pháp phân tích chuỗi Markov và Cellular Automata.
  2. Đánh giá định lượng tác động đồng thời của sự thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Cả trong tương lai.

Câu hỏi nghiên cứu được luận án đặt ra:

  1. Áp dụng phân tích chuỗi Markov và Cellular Automata có thể mô phỏng được sự thay đổi và dự tính thảm phủ tương lai cho lưu vực sông Cả không?
  2. Dòng chảy lưu vực sông Cả trong tương lai thay đổi như thế nào dưới tác động của sự thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu?

Luận điểm bảo vệ của tác giả:

  1. Phân tích chuỗi Markov và Cellular Automata có thể mô phỏng được sự thay đổi thảm phủ trong quá khứ và dự tính thảm phủ tương lai thông qua các tác nhân, ràng buộc và các quy tắc chuyển đổi được xây dựng dựa trên các điều kiện của lưu vực sông Cả.
  2. Tác động đồng thời của sự thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu sẽ làm thay đổi dòng chảy lưu vực sông Cả trong tương lai và có xu hướng khắc nghiệt hơn.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Cả với diện tích 27.200 km², trải dài từ 18°15’50” đến 20°10’30” vĩ độ Bắc và từ 103°45’20” đến 105°15’20” kinh độ Đông. Phạm vi này bao gồm cả 9.470 km² thuộc tỉnh Xiêng Khoảng (Lào) và 361 km chiều dài dòng chính tại Việt Nam (chảy qua Nghệ An, Hà Tĩnh rồi đổ ra biển tại Cửa Hội).
  • Phạm vi thời gian: Chuỗi tư liệu viễn thám và hiện trạng sử dụng đất được thu thập trong giai đoạn 2005 - 2015 (các mốc 2005, 2010, 2015). Thời kỳ hiệu chỉnh mô hình dòng chảy là 2007 - 2010, thời kỳ kiểm định là 2011 - 2014. Thời kỳ dự tính tương lai tập trung vào mốc năm 2030 (trong giai đoạn 2020 - 2039).
  • Đối tượng nghiên cứu: 5 lớp thảm phủ chính trên lưu vực (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống) và các biến số khí tượng thủy văn (lượng mưa, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp, lưu lượng dòng chảy mặt).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba mạch nội dung chính:

Thứ nhất, về mô phỏng biến động thảm phủ (LULC), tác giả điểm lại nguồn gốc lý thuyết từ chuỗi Markov (Andrei Andreyevich Markov, 1906) và mô hình Hệ tự hành dạng tế bào (Cellular Automata - CA do Stephen Wolfram phát triển vào những năm 1980). Các công trình quốc tế tiêu biểu ứng dụng tổ hợp Markov-CA gồm có: Mohammad Sayemuzzaman và Manoj K. Jha (2014) dự tính biến động thảm phủ Bắc Carolina đến năm 2030 (đất xây dựng tăng 20%, đất lâm nghiệp giảm 17%, nông nghiệp giảm 7%); nghiên cứu tại Đại học Payame Noor và Đại học Công nghệ Isfahan (2015) mô phỏng đất đô thị thành phố Arak (Iran) năm 2025 với độ chính xác trên 95%; Muhammad Isma’il và Saidu Abubakar (2015) dự tính biến động đất tại Wudil (Nigeria) giai đoạn 2014 - 2028; Iacono M. và cộng sự (2015) tại Minneapolis - St. Paul (Hoa Kỳ); Griselda Vázquez-Quintero và cộng sự (2016) tại Durango (Mexico) với hệ số Kappa đạt từ 90% đến 92%; công trình của CORAL (2015) tại Ấn Độ và Đại học Hubei (2015) với mô hình Markov-Kalman tại sông XiuHe (Trung Quốc). Ở trong nước, các nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám Landsat, SPOT, MODIS để theo dõi biến động lớp phủ được thực hiện bởi Nguyễn Đình Dương và cộng sự (2001 - 2003), Phạm Văn Cự và cộng sự (2006 tại Thái Bình), Nguyễn Quang Tuấn và cộng sự (2008 tại Kỳ Anh, Hà Tĩnh), Trần Nguyên Bằng và cộng sự (tại Con Cuông, Nghệ An), nghiên cứu biến động đất đô thị TP. Vinh (tác giả tại tài liệu số 18, so sánh ảnh Landsat và SPOT với Kappa đạt 0,7 - 0,9), nghiên cứu tại Chân Mây (Huế) và Đồng bằng sông Hồng. Đáng chú ý, nghiên cứu của Đại học Cần Thơ (2015) ứng dụng mô hình Markov-CA trên nền tảng GAMA cho 8 tỉnh ven biển Đồng bằng sông Cửu Long ghi nhận tỷ lệ sai lệch diện tích tuyệt đối (PAD) còn ở mức 34,25% (độ chính xác toàn cục 65,75%) do hạn chế về độ chồng khít của các lớp bản đồ đầu vào.

Thứ hai, về tác động của thảm phủ đến dòng chảy lưu vực sông, luận án điểm lại nghiên cứu kinh điển của Bosch J. trên 94 lưu vực thí nghiệm (93/94 trường hợp khẳng định giảm độ che phủ làm tăng sản lượng nước); nghiên cứu của Costa và cộng sự (2003) tại sông Tocantins (diện tích 175.360 km²), chỉ ra khi chuyển 30% diện tích rừng sang nông nghiệp thì lưu lượng dòng chảy trung bình năm tăng 24% dù lượng mưa không đổi; nghiên cứu của Farley và cộng sự (2005) ghi nhận đất cây bụi chuyển sang rừng trồng làm giảm dòng chảy năm từ 31% đến 44%; nghiên cứu của Ge Sun tại Trung Quốc chỉ ra việc trồng rừng làm giảm dòng chảy từ 50 đến 300 mm/năm (giảm 20% - 40%); nghiên cứu của Nisbet (2001), Zhang và cộng sự (2007), và Guardiola và cộng sự (2010). Tại Việt Nam, mô hình SWAT được áp dụng phổ biến qua các công trình của Trần Thục và Huỳnh Thị Lan Hương (2003 tại sông Trà Khúc, rừng tăng làm giảm dòng chảy năm 31.10⁶ m³); Phạm Thị Hương Lan (2003 tại sông Nậm Mức); Vũ Văn Tuấn và Phạm Thị Hương Lan (2003 - 2004 tại Mù Căng Chải); Hoàng Minh Tuyển (2004 - 2006 tại sông Cả, chia 29 tiểu lưu vực nhưng kịch bản rừng mang tính định tính); Nguyễn Ý Như và Nguyễn Thanh Sơn (2009 tại sông Bến Hải); Nguyễn Thị Tịnh Ấu và cộng sự (2014 tại sông Đắk Bla); Nguyễn Thị Hồng (2014 tại sông Vu Gia). Đặc biệt, công trình của Ngô Đình Quế (2005) tại sông Rào Nậy cung cấp số liệu thực nghiệm chi tiết về mối quan hệ giữa độ che phủ rừng và dòng chảy:

Năm / Chỉ tiêu 1982 1992 2002
Độ che phủ rừng trên lưu vực (%) 70 61 59
Chênh lệch lưu lượng đỉnh lũ trung bình năm (%) 100,0 106,0 107,6
Chênh lệch lưu lượng dòng chảy mùa kiệt (%) 100 88 84

Số liệu giai đoạn 1982 - 1992 của Ngô Đình Quế cũng chỉ ra: diện tích rừng giàu tăng 82,2% làm lưu lượng dòng chảy mặt giảm 86,1% (trung bình tăng 1% rừng giàu làm dòng chảy giảm trên 1%); ngược lại khi diện tích rừng trung bình giảm 81,8% thì dòng chảy mặt tăng 51,1%. Giai đoạn 1992 - 2002, diện tích rừng giàu giảm 51,2% làm dòng chảy tăng 61,1%.

Thứ ba, về tác động của biến đổi khí hậu, luận án viện dẫn Báo cáo Đánh giá lần thứ 6 của IPCC (AR6 WGI) và kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Khoảng trống mà luận án giải quyết là khắc phục sự thiếu hụt dữ liệu thảm phủ tại phần lưu vực thuộc Lào bằng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình Markov-CA, sau đó tích hợp đồng thời kịch bản thảm phủ dự tính và kịch bản biến đổi khí hậu (RCP4.5, RCP8.5) vào mô hình SWAT để lượng hóa tác động kép đến dòng chảy lưu vực sông Cả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết về mối quan hệ tương hỗ giữa thảm phủ bề mặt, các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa) và chu trình thủy văn lưu vực:

  • Khái niệm thảm phủ (land cover) được định nghĩa theo FAO là lớp vỏ vật lý sinh học quan sát được trên bề mặt Trái Đất; thay đổi thảm phủ (LULC) bao gồm cả biến đổi trạng thái tự nhiên và thay đổi mục đích sử dụng đất do con người can thiệp.
  • Cơ sở mô phỏng thảm phủ: Kết hợp phân tích chuỗi Markov và Hệ tự hành dạng tế bào (Cellular Automata - CA). Chuỗi Markov tính toán ma trận xác suất chuyển đổi $P_{ij}$ và ma trận diện tích chuyển đổi giữa các trạng thái lớp phủ qua hai thời kỳ (2005 - 2010 và 2010 - 2015). Mô hình CA chịu trách nhiệm tái tạo phân bố không gian dựa trên trạng thái của các tế bào lân cận thông qua quy tắc chuyển đổi.
  • Phương pháp Đánh giá đa tiêu chí (Multi-Criteria Evaluation - MCE) kết hợp tuyến tính có trọng số (Weighted Linear Combination - WLC) và tiêu chuẩn hóa các nhân tố theo hàm mờ (Fuzzy membership) để lập bản đồ tính phù hợp cho từng lớp phủ.
  • Kỹ thuật Delphi: Thực hiện tham vấn chuyên gia qua 3 vòng theo quy tắc KAMET (Knowledge Acquisition for Multiple Experts with Time scale) nhằm xác định các tác nhân, điều kiện ràng buộc và gán trọng số cho các yếu tố thúc đẩy chuyển đổi thảm phủ.
  • Kiểm định mô phỏng thảm phủ: Sử dụng ma trận sai số (Error Matrix), tính toán độ chính xác người dùng (UA), độ chính xác nhà sản xuất (PA), độ chính xác tổng thể và hệ số Kappa.

Về phương pháp mô phỏng thủy văn:

  • Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool): Mô hình thủy văn bán phân bố hoạt động trên cơ sở vật lý liên tục theo bước thời gian ngày. Lưu vực sông Cả được phân chia thành các tiểu lưu vực (sub-basins) và tiếp tục chi tiết hóa thành các Đơn vị phản ứng thủy văn (Hydrologic Response Unit - HRU) dựa trên sự đồng nhất về loại đất, thảm phủ/sử dụng đất và độ dốc địa hình.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định SWAT: Phân tích độ nhạy của các thông số dòng chảy. Đánh giá mức độ chính xác của mô hình thông qua hai chỉ số thống kê là Hệ số hiệu quả mô hình Nash - Sutcliffe (NSE) và Hệ số xác định ($R^2$).

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Dữ liệu viễn thám: Ảnh vệ tinh Landsat 8 (độ phân giải 30 m đối với kênh đa phổ, 15 m đối với kênh toàn sắc), Sentinel 2 (độ phân giải 10 m, 20 m và 60 m), và Mô hình số độ cao (DEM).
  • Dữ liệu đất đai: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất, quy hoạch sử dụng đất tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh đến năm 2020, kết hợp số liệu khảo sát thực địa tại các điểm mẫu trên lưu vực.
  • Phân loại 5 lớp thảm phủ chính: Rừng (rừng tự nhiên, rừng trồng), Nông nghiệp (cây hàng năm, cây lâu năm), Xây dựng (đất ở, công trình), Vùng nước (sông suối, mặt nước chuyên dùng), Đất trống (đất đồi núi chưa sử dụng, núi đá không rừng) theo Thông tư 08/2007/TT-BTNMT.
  • Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu quan trắc nhiệt độ (trung bình, tối cao, tối thấp) và lượng mưa ngày tại các trạm khí tượng trên lưu vực sông Cả.
  • Dữ liệu thủy văn: Lưu lượng dòng chảy thực đo ngày tại các trạm thủy văn Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm chia làm hai giai đoạn (hiệu chỉnh: 2007 - 2010; kiểm định: 2011 - 2014).
  • Kịch bản biến đổi khí hậu: Kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện RCP4.5 và RCP8.5 do Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu công bố, áp dụng cho giai đoạn 2020 - 2039.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy trên lưu vực sông Cả

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về thảm phủ, biến đổi khí hậu, đánh giá tác động và phân tích điều kiện tự nhiên - xã hội lưu vực sông Cả. Hệ thống sông Cả bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2.000 m thuộc tỉnh Xiêng Khoảng (Lào), chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam ra biển tại Cửa Hội. Dòng chính dài 513 km (trong đó đoạn chảy qua Việt Nam dài 361 km). Tổng diện tích lưu vực là 27.200 km², trong đó 9.470 km² (chiếm 34,8%) thuộc lãnh thổ Lào. Lượng mưa trung bình năm toàn lưu vực dao động từ 1.100 đến 2.500 mm (thượng lưu sông Hiếu và sông La đạt từ 2.000 đến 2.400 mm). Thảm phủ tự nhiên gồm 44% rừng, 16% lúa nước, 2% rau và hoa màu, 38% các loại đất khác. Tác giả phân tích biến động lịch sử: năm 1943 diện tích rừng chiếm khoảng 67% diện tích lưu vực trong lãnh thổ Việt Nam (1,2 triệu ha), nhưng đến nay tỷ lệ che phủ rừng toàn lưu vực giảm còn khoảng 40% (riêng các huyện miền núi Nghệ An, Hương Khê và Hương Sơn đạt 43%). Phần diện tích rừng bên Lào còn tương đối nguyên vẹn do mật độ dân cư thưa thớt, đóng vai trò quan trọng trong điều hòa nguồn nước thượng nguồn. Chương này tổng kết chi tiết các công trình nghiên cứu mô hình hóa LULC và mô hình hóa thủy văn, qua đó khẳng định sự cần thiết phải mô phỏng thảm phủ liên quốc gia và ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động tổng hợp của LULC và biến đổi khí hậu.

Chương 2: Cơ sở khoa học, phương pháp đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Cả

Chương 2 trình bày chi tiết khung nghiên cứu và quy trình tính toán hai khối mô hình:

  1. Quy trình mô phỏng LULC bằng CA-Markov: Xử lý và giải đoán ảnh viễn thám Landsat và Sentinel cho các năm 2005, 2010 và 2015 theo 5 lớp phủ (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống). Thiết lập ma trận xác suất chuyển đổi (%) và ma trận diện tích chuyển đổi (pixel) giữa các chu kỳ 2005 - 2010 và 2010 - 2015. Vận dụng phương pháp Delphi qua 3 vòng tham vấn với các chuyên gia theo quy tắc KAMET để sàng lọc các biến nhân tố không gian, xác định hàm thành viên mờ và tính toán trọng số theo phương pháp phân tích thứ bậc (AHP). Xây dựng bản đồ tính phù hợp và chạy mô hình CA-Markov với các vòng lặp khác nhau để mô phỏng bản đồ thảm phủ năm 2015, tiến hành kiểm định độ chính xác bằng hệ số Kappa so với bản đồ hiện trạng 2015. Sau khi đạt tiêu chuẩn kiểm định, mô hình tiếp tục dự tính bản đồ phân bố thảm phủ năm 2030.
  2. Quy trình thiết lập mô hình SWAT: Số hóa địa hình từ DEM, bản đồ loại đất và bản đồ thảm phủ để phân chia lưu vực sông Cả thành các tiểu lưu vực và hàng loạt đơn vị thủy văn HRU. Nạp chuỗi dữ liệu khí tượng (lượng mưa, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp). Lựa chọn các thông số nhạy cảm liên quan đến dòng chảy mặt, nước ngầm và tầng đất để hiệu chỉnh (giai đoạn 2007 - 2010) và kiểm định (giai đoạn 2011 - 2014) tại 5 trạm thủy văn chính: Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm. Đánh giá sai số bằng tiêu chuẩn phân loại mức độ chính xác của chỉ số NSE và $R^2$.
  3. Thiết lập các kịch bản mô phỏng dòng chảy: Xây dựng các kịch bản so sánh đối chứng cho giai đoạn 2020 - 2039 gồm: kịch bản thời kỳ nền, kịch bản chỉ có biến đổi khí hậu (RCP4.5, RCP8.5 giữ nguyên thảm phủ), và các kịch bản kết hợp đồng thời biến đổi khí hậu với thảm phủ dự tính năm 2030.

Chương 3: Đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Cả

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán định lượng:

  1. Kết quả mô phỏng thảm phủ: Thống kê ma trận chuyển đổi cho thấy xu hướng thu hẹp đất trống và chuyển đổi một phần đất nông nghiệp sang đất xây dựng do quá trình đô thị hóa. Kết quả kiểm định mô phỏng năm 2015 qua hệ số Kappa đạt độ tin cậy theo phân loại thống kê. Bản đồ dự tính thảm phủ năm 2030 cho thấy diện tích đất xây dựng tiếp tục gia tăng tập trung quanh các vùng đô thị đồng bằng và ven trục giao thông, diện tích rừng có sự biến động cục bộ giữa các tiểu lưu vực thượng nguồn và hạ lưu.
  2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT: Kết quả phân tích độ nhạy đã xác định được nhóm thông số ảnh hưởng lớn nhất đến dòng chảy lưu vực. Đường quá trình lưu lượng dòng chảy bình quân ngày mô phỏng bám sát chuỗi số liệu thực đo tại cả 5 trạm thủy văn (Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm) trong cả hai thời kỳ 2007 - 2010 và 2011 - 2014, đáp ứng các tiêu chuẩn về chỉ số NSE và $R^2$.
  3. Đánh giá tác động đến chế độ dòng chảy giai đoạn 2020 - 2039:
    • Dòng chảy năm: Dưới tác động của biến đổi khí hậu và biến động thảm phủ, tổng lượng dòng chảy năm có xu thế biến đổi khác nhau giữa các tiểu lưu vực, phụ thuộc vào mức độ gia tăng lượng mưa theo kịch bản RCP và tỷ lệ che phủ rừng.
    • Dòng chảy mùa lũ: Sự kết hợp giữa gia tăng lượng mưa cực đoan trong kịch bản biến đổi khí hậu (đặc biệt là RCP8.5) với việc mở rộng diện tích bề mặt không thấm (đất xây dựng) làm gia tăng đáng kể lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng dòng chảy mùa lũ, làm tăng nguy cơ ngập lụt tại hạ du sông Cả và sông La.
    • Dòng chảy mùa cạn: Dòng chảy kiệt suy giảm rõ rệt tại hầu hết các trạm thủy văn. Sự suy giảm diện tích rừng đầu nguồn kết hợp với lượng mưa mùa khô giảm và nhiệt độ tăng làm tăng bốc thoát hơi nước, khiến tình trạng thiếu nước trong mùa cạn trở nên nghiêm trọng hơn.
    • Dòng chảy tháng: Phân tích chi tiết tại các trạm Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Dừa cho thấy sự phân phối lại dòng chảy giữa các tháng trong năm; chênh lệch lưu lượng giữa tháng đỉnh lũ lớn nhất và tháng kiệt nhất có xu hướng mở rộng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới sau:

Về mặt khoa học và phương pháp:

  • Luận án đã xác định được các tác nhân, điều kiện ràng buộc và xây dựng quy tắc chuyển đổi phù hợp với điều kiện thực tế của lưu vực sông Cả để mô phỏng sự thay đổi thảm phủ và dự tính thảm phủ tương lai cho 5 lớp phủ chính (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống).
  • Đã giải quyết được thách thức thiếu hụt dữ liệu thảm phủ tại vùng thượng lưu xuyên biên giới (chiếm 34,8% diện tích lưu vực bên phía Lào) bằng giải pháp giải đoán ảnh viễn thám kết hợp mô hình Markov-CA, tạo lập bộ cơ sở dữ liệu đồng nhất cho toàn bộ lưu vực sông Cả.
  • Thiết lập quy trình công nghệ tích hợp giữa viễn thám, phương pháp tham vấn chuyên gia Delphi (quy tắc KAMET), mô hình chuyển đổi không gian CA-Markov và mô hình thủy văn bán phân bố SWAT.

Về mặt thực tiễn:

  • Đã đánh giá định lượng được sự biến đổi của dòng chảy năm, dòng chảy mùa lũ, dòng chảy mùa cạn và dòng chảy tháng trên lưu vực sông Cả giai đoạn 2020 - 2039 dưới tác động của biến đổi khí hậu (theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5) trong hai trường hợp: có xét đến và không xét đến sự thay đổi thảm phủ năm 2030.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng hỗ trợ các cơ quan quản lý tại Nghệ An, Hà Tĩnh và các cơ quan quản lý lưu vực trong việc lập quy hoạch sử dụng đất, xây dựng phương án phân bổ và điều tiết tài nguyên nước, cũng như điều chỉnh các văn bản quản lý nhằm giảm nhẹ tác động tiêu cực của thiên tai lũ lụt và hạn hán.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế:

  • Luận án chỉ tập trung đánh giá hai yếu tố biến đổi khí hậu chính là nhiệt độ và lượng mưa; chưa xét đến toàn bộ các yếu tố khí hậu khác do hạn chế về nguồn dữ liệu và tính năng mô hình.
  • Phân loại thảm phủ dừng lại ở 5 nhóm gộp lớn (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống), chưa đi sâu bóc tách chi tiết các phân loại trạng thái rừng tự nhiên (rừng giàu, rừng trung bình, rừng nghèo, rừng tre nứa) và các loại cây trồng nông nghiệp chuyên biệt.
  • Mạng lưới trạm quan trắc thủy văn tập trung ở phần lãnh thổ Việt Nam; phần lưu vực thượng nguồn bên Lào không có số liệu dòng chảy thực đo chi tiết theo ngày để hiệu chỉnh riêng rẽ cho nhánh sông xuyên biên giới.

Về hướng nghiên cứu tiếp:

  • Chi tiết hóa các lớp thảm phủ lâm nghiệp và cây trồng nông nghiệp để phản ánh sâu sắc hơn tính thấm và khả năng giữ nước của từng loại thực bì.
  • Tích hợp thêm tác động của các công trình hồ chứa thủy điện, thủy lợi và các hoạt động khai thác nước ngầm, nước mặt vào mô hình dòng chảy.
  • Cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu theo lộ trình phát thải xã hội kinh tế mới nhất (SSP) từ các báo cáo cập nhật của IPCC.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên và các nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Biến đổi khí hậu, Thủy văn học, Quản lý tài nguyên nước, Địa lý tài nguyên và Viễn thám - GIS. Phần quy trình công nghệ kết hợp Delphi, Markov-CA và SWAT tại Chương 2 là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao trong việc xử lý bài toán mô phỏng thủy văn cho các lưu vực sông liên quốc gia thiếu dữ liệu.
  • Các nhà hoạch định chính sách, cán bộ quản lý tài nguyên và môi trường tại Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh, cùng Ban Quản lý Quy hoạch lưu vực sông Cả. Các số liệu dự tính thảm phủ năm 2030 và bảng biến đổi dòng chảy mùa lũ, mùa cạn tại Chương 3 cung cấp luận cứ trực tiếp phục vụ công tác rà soát quy hoạch đất đai, xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa và phương án ứng phó thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao luận án phải kết hợp chuỗi Markov với mô hình Hệ tự hành dạng tế bào (Cellular Automata - CA)?
    Phân tích chuỗi Markov là mô hình toán học dự tính được xác suất chuyển đổi giữa các trạng thái lớp phủ theo thời gian dưới dạng ma trận thống kê, nhưng thuần túy là mô hình phi không gian (không xác định được vị trí địa lý của sự thay đổi). Mô hình CA khắc phục nhược điểm này bằng cách sử dụng các quy tắc lân cận để mô phỏng sự lan truyền và phân bố không gian cụ thể của từng ô tế bào (pixel). Do đó, sự kết hợp Markov-CA giúp dự tính đồng thời cả về mặt diện tích lượng hóa lẫn vị trí không gian của thảm phủ.

  2. Phương pháp Delphi theo quy tắc KAMET đóng vai trò gì trong mô phỏng thảm phủ của luận án?
    Kỹ thuật Delphi tham vấn ý kiến chuyên gia qua 3 vòng theo quy tắc KAMET (Knowledge Acquisition for Multiple Experts with Time scale) được áp dụng để xác định các nhân tố ảnh hưởng (khoảng cách đến đường giao thông, sông ngòi, khu dân cư, độ dốc...), các điều kiện ràng buộc và xây dựng hàm thành viên mờ. Phương pháp này giúp xác định trọng số hợp lý cho từng nhân tố, loại bỏ tính chủ quan trong việc lập bản đồ tính phù hợp trước khi đưa vào mô hình CA-Markov.

  3. Lưu vực sông Cả có đặc điểm địa lý nào gây khó khăn cho việc nghiên cứu dòng chảy mặt?
    Lưu vực sông Cả có tổng diện tích 27.200 km², trong đó có tới 9.470 km² (chiếm 34,8%) diện tích nằm ở thượng lưu thuộc tỉnh Xiêng Khoảng của Lào. Khu vực xuyên biên giới này thiếu hụt các số liệu điều tra đất đai, quy hoạch sử dụng đất và trạm quan trắc thủy văn đo đạc hàng ngày theo tiêu chuẩn quản lý của Việt Nam, đòi hỏi phải ứng dụng công nghệ viễn thám đa thời gian để khôi phục dữ liệu thảm phủ đồng bộ.

  4. Nghiên cứu sử dụng những trạm thủy văn nào để kiểm định mô hình SWAT và kết quả kiểm định ra sao?
    Mô hình SWAT được hiệu chỉnh (2007 - 2010) và kiểm định (2011 - 2014) tại 5 trạm thủy văn đại diện trên lưu vực gồm: Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu và Sơn Diệm. Kết quả tính toán lưu lượng dòng chảy bình quân ngày mô phỏng so với thực đo đạt mức độ tin cậy cao, đáp ứng các tiêu chuẩn phân loại thống kê qua hai chỉ số $R^2$ và hệ số hiệu quả mô hình Nash - Sutcliffe (NSE).

  5. Xu thế biến đổi của dòng chảy sông Cả dưới tác động kép của thảm phủ và biến đổi khí hậu trong tương lai như thế nào?
    Dưới tác động đồng thời của biến đổi khí hậu (nhiệt độ tăng, lượng mưa biến động theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5) và biến động thảm phủ dự tính năm 2030 (đất xây dựng tăng, suy giảm rừng cục bộ), chế độ dòng chảy lưu vực sông Cả biến động theo hướng cực đoan hơn: dòng chảy mùa lũ có xu hướng gia tăng về lưu lượng đỉnh và tổng lượng dòng chảy, trong khi dòng chảy mùa cạn bị suy giảm, dẫn đến sự phân hóa sâu sắc hơn giữa mùa lũ và mùa kiệt.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Bằng đã giải quyết thành công bài toán lượng hóa tác động đồng thời của biến động thảm phủ bề mặt và biến đổi khí hậu đến dòng chảy mặt trên lưu vực sông Cả. Bằng việc tích hợp các phương pháp viễn thám, chuỗi Markov, Hệ tự hành dạng tế bào (CA) và mô hình thủy văn SWAT, công trình đã lấp đầy khoảng trống dữ liệu thảm phủ tại vùng thượng lưu xuyên biên giới thuộc lãnh thổ Lào và dự tính bức tranh phân bố thảm phủ năm 2030. Kết quả mô phỏng thủy văn giai đoạn 2020 - 2039 theo các kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cung cấp các minh chứng định lượng về xu thế gia tăng tính khắc nghiệt của chế độ dòng chảy mùa lũ và mùa cạn. Đây là tài liệu khoa học có độ tin cậy cao, đóng góp cơ sở lý luận và thực tiễn thiết thực cho công tác quy hoạch lưu vực và quản lý bền vững tài nguyên nước tại khu vực Bắc Trung Bộ.