Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, đặc biệt là mưa lớn và lũ lụt. Tại Việt Nam – một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của thiên tai – thống kê của Ủy ban Quốc gia về phòng chống thiên tai (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2017) cho thấy trong 15 năm qua, các loại thiên tai như bão, lũ, lũ quét, sạt lở đất, úng ngập và hạn hán đã làm chết và mất tích hơn 10.711 người, thiệt hại vật chất ước tính chiếm khoảng 1,5% GDP mỗi năm. Sự cố vỡ đập Khe Mơ (Hà Tĩnh, tháng 10/2010) hay thảm họa vỡ đập Delhi (bang Iowa, Hoa Kỳ, năm 2010) là những minh chứng điển hình cho hiểm họa mất an toàn công trình khi xuất hiện lũ cực đoan.
Khu vực Nam Trung Bộ (trải dài từ thành phố Đà Nẵng đến tỉnh Bình Thuận) có đặc điểm địa hình hẹp theo hướng Đông – Tây (trung bình 40–50 km), sườn núi phía Tây ngắn và dốc đổ thẳng ra Biển Đông. Hướng đón gió mùa kết hợp với các nhiễu động nhiệt đới tạo ra những trận mưa cường suất lớn, lũ lên nhanh và rút chậm ở hạ lưu. Điển hình như trận lũ lịch sử tháng 11/1999, đợt mưa lũ năm 2007 (lượng mưa 600–800 mm) hay cơn bão số 12 (tháng 11/2017) gây ngập sâu từ 0,5–2,0 m trên diện rộng, làm tê liệt giao thông và cô lập nhiều vùng dân cư tại Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa và Đà Nẵng.
Mặc dù Kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố dự báo mưa một ngày lớn nhất tại miền Trung có thể tăng từ 10% đến 70%, hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng kết quả trung bình hóa từ các mô hình khí hậu toàn cầu trên lưới không gian lớn cấp quốc gia hoặc cấp tỉnh. Kết quả này chứa đựng sai số đáng kể khi áp dụng cho các lưu vực sông vừa và nhỏ. Do đó, việc xây dựng cơ sở khoa học để chi tiết hóa lượng mưa từ mô hình khí hậu toàn cầu về từng vị trí trạm quan trắc và tính toán dòng chảy lũ thiết kế có xét đến BĐKH cho khu vực Nam Trung Bộ là yêu cầu cấp thiết nhằm phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế và đánh giá an toàn công trình thủy lợi, giao thông.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là 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 gồm:
- 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 BĐKH cho khu vực Nam Trung Bộ (phân định cho lưu vực vừa, nhỏ và lưu vực có diện tích lớn).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Lượng mưa một ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế ($Q_{\max}$) có xét đến tác động của biến đổi khí hậu.
- Phạm vi không gian: Khu vực Nam Trung Bộ gồm 8 tỉnh, thành phố: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận; trọng tâm phân tích trên các hệ thống sông chính như sông Vu Gia – Thu Bồn, sông Kôn – Hà Thanh và sông Ba (sông Đà Rằng).
- Phạm vi thời gian: Dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn lịch sử (chuỗi số liệu từ 29 đến 36 năm) và giai đoạn tương lai theo kịch bản biến đổi khí hậu (2006–2100, tập trung vào hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
- Phân tích xu thế mưa lớn toàn cầu và khu vực: Frich và nnk (2002), Alexander và nnk (2006) đã phân tích dữ liệu quan trắc toàn cầu, chỉ ra xu thế tăng của mưa cực trị tại nhiều khu vực (nam Châu Phi, đông nam Châu Úc, Tây Nga, Châu Âu, đông Hoa Kỳ) và xu thế giảm ở Đông Á, Siberia. Re và Barros (2009), Penalba và Robledo (2009) đánh giá cường độ và tần suất mưa gia tăng tại lưu vực La Plata (Nam Mỹ). Aguilar và nnk (2009) nghiên cứu xu thế giảm mưa tại Tây Trung Phi. Moberg và nnk (2006) ghi nhận tần suất mưa lớn gia tăng tại Nam Á, Trung Á và Đông Nam Á. Haylock và Nicholls (2000) phát hiện tần suất mưa giảm mạnh ở tây nam Châu Úc.
- Mô phỏng tác động BĐKH đến lũ lụt và an toàn công trình: Feyen (2008) ứng dụng mô hình HIRHAM (độ phân giải 12 km) kết hợp mô hình thủy văn LISFLOOD theo kịch bản A2, chứng minh lũ chu kỳ 100 năm tại nhiều sông suối Châu Âu có thể giảm chu kỳ lặp lại xuống còn 50 năm. Hyun-Han Kwon và nnk (2011) ứng dụng mô hình đa biến ngẫu nhiên và chuỗi Bayesian Markov để đánh giá lại lũ thiết kế hồ chứa Soyang (Hàn Quốc). Den Besten (2012) đề xuất chuỗi liên kết mô hình từ GCM sang RCM (độ phân giải $25 \times 25\text{ km}$ hoặc $55 \times 55\text{ km}$). Graham và nnk (2007) khảo sát 15 mô hình khí hậu tại Bắc Âu cho thấy dòng chảy lũ xuất hiện sớm hơn. Kay và nnk (2006) sử dụng mô hình RCM HadRM3 phân tích sự biến đổi dòng chảy lũ tại Anh. Lehner và nnk (2006) chỉ ra lũ 100 năm tại Nam và Đông Nam Âu có thể xuất hiện với tần suất 10–50 năm vào thập niên 2070.
- Tiêu chuẩn và quy định tính toán lũ thiết kế: Na Uy quy định cập nhật tính toán lũ thiết kế định kỳ 15–20 năm với các mức gia tăng dòng chảy lũ dự báo 0%, 20%, 40% (Veijalainen và Vehvilainen, 2008). Ấn Độ ban hành tiêu chuẩn IS: 5477 và IS: 11223-1985 IDF hướng dẫn thiết kế đập dâng, hồ chứa và tràn xả lũ. Các quốc gia như Úc, New Zealand và Malaysia cũng đã tích hợp hướng dẫn tính toán lũ thích ứng với BĐKH.
Các hướng nghiên cứu trong nước
- Phương pháp tính toán thủy văn truyền thống: Shaw (1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002) cung cấp cơ sở lý thuyết về đường lũ đơn vị (SCS, Clark, Nash), công thức kinh nghiệm và phân tích tần suất. Tại Việt Nam, Lê Đình Thành (1997) nghiên cứu mưa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF). Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế theo QP.TL C-6-77 và phương pháp SCS. Hà Văn Khối và nnk (2012) cập nhật các phương pháp mô hình toán tất định trong giáo trình Thủy văn công trình. Doãn Thị Nội (2016) ứng dụng GIS tính lũ công trình giao thông miền núi Đông Bắc. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9845:2013 và Sổ tay Kỹ thuật Thủy lợi (Tập 4) quy định tính toán các đặc trưng lũ thiết kế cho các trường hợp đủ, thiếu và không có tài liệu quan trắc.
- Đánh giá tác động của BĐKH tại Việt Nam: Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu, Trần Việt Liễn và nnk (1994, 1998, 2003, 2007) đã thực hiện các dự án ADB, Thông báo Quốc gia lần 1 và lần 2 gửi UNFCCC, xây dựng kịch bản khí hậu cho các năm 2020, 2050, 2070. Chương trình KC.08/06-10 (Bộ KH&CN, 2010) dự báo mưa mùa bằng thống kê. Lê Mạnh Hùng và Lê Thị Kim Cúc nghiên cứu kịch bản SRES A1B cho TP. Hồ Chí Minh. Vũ Thanh Tâm và nnk (2013) dùng phương pháp "xáo trộn chỉ định" phân tích mưa cực trị ven biển. Vũ Thị Thu Lan và Hoàng Thanh Sơn (2012) đánh giá hạn lũ tại Quảng Nam. La Đức Dũng (2017) nghiên cứu tiêu thoát nước hệ thống Bắc Nam Hà theo kịch bản B2 và RCP4.5. Ngô Lê An và nnk (2015) tính toán lại lũ thiết kế hồ A Vương với mô hình HadGEM theo kịch bản RCP4.5. Ngô Lê Long và nnk (2015) thực hiện đề tài cấp Nhà nước đề xuất tiêu chuẩn thiết kế lũ và đê biển thích ứng với BĐKH. Kịch bản BĐKH của Bộ TN&MT (2016) cập nhật dữ liệu CMIP5 từ 10 mô hình toàn cầu và 5 mô hình khu vực (AGCM/MRI, PRECIS, CCAM, RegCM, clWRF).
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Các công trình trước đây tại Việt Nam bộc lộ một số hạn chế:
- Đa phần sử dụng các kịch bản cũ (SRES A1B, A2, B1, B2) hoặc số liệu công bố đã bị trung bình hóa không gian và thời gian, dẫn đến sai số lớn khi áp dụng cho lưu vực sông nhỏ.
- Thường chỉ áp dụng một hoặc một nhóm rất nhỏ mô hình GCM, chưa phản ánh đầy đủ tính bất định của khí hậu tương lai.
- Chi tiết hóa động lực đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn và thời gian mô phỏng dài nhưng kết quả công bố vẫn ở dạng trung bình hóa.
Luận án khắc phục các khoảng trống trên bằng cách: sử dụng tổ hợp 11 mô hình GCM theo các kịch bản nồng độ khí nhà kính mới nhất (RCP4.5 và RCP8.5), áp dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số phân bố tần suất về 93 trạm quan trắc địa phương; từ đó xây dựng chuỗi dữ liệu mưa ngày tương lai làm đầu vào mô phỏng dòng chảy 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
Khung lý thuyết và mô hình khí hậu
- Kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP): Luận án dựa trên khung kịch bản của IPCC (2013) thuộc Dự án Đối chứng các Mô hình khí hậu giai đoạn 5 (CMIP5). Các kịch bản được định danh theo mức bức xạ tác động tổng cộng vào năm 2100:
| Kịch bản RCP |
Bức xạ tác động năm 2100 |
Nồng độ $\text{CO}_{2}$ tương đương năm 2100 |
Mức tăng nhiệt độ toàn cầu năm 2100 |
Đặc điểm đường phân bố cưỡng bức xạ |
Kịch bản SRES tương đương |
| RCP2.6 |
$2,6\text{ W/m}^{2}$ |
$490\text{ ppm}$ |
$1,5^{\circ}\text{C}$ |
Đạt cực đại $3,0\text{ W/m}^{2}$ rồi giảm |
Không có tương đương |
| RCP4.5 |
$4,5\text{ W/m}^{2}$ |
$650\text{ ppm}$ |
$2,4^{\circ}\text{C}$ |
Tăng dần rồi ổn định sau năm 2065 |
SRES B1 |
| RCP6.0 |
$6,0\text{ W/m}^{2}$ |
$850\text{ ppm}$ |
$3,0^{\circ}\text{C}$ |
Tăng dần rồi ổn định sau năm 2100 |
SRES B2 |
| RCP8.5 |
$8,5\text{ W/m}^{2}$ |
$1370\text{ ppm}$ |
$4,9^{\circ}\text{C}$ |
Tăng liên tục từ đầu thế kỷ |
SRES A1FI |
Luận án lựa chọn khai thác 11 mô hình GCM toàn cầu (gồm các mô hình như ACCESS1-3, CanESM2, CMCC-CMS, CNRM-CM5, HadGEM2-ES, NorESM1-M, CCSM4, MPI-ESM-LR...) nhằm giảm thiểu tính bất định của dự báo.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số (Bias Correction): Chuyển đổi dữ liệu mưa ngày từ ô lưới GCM về vị trí 93 trạm quan trắc thực tế. Sử dụng phương pháp chuyển đổi hàm phân bố xác suất (theo Gudmundsson và nnk) để hiệu chỉnh sai số hệ thống giữa phân bố tần suất mưa mô phỏng và chuỗi quan trắc thực đo thời kỳ nền.
- Phương pháp nội suy không gian GIS: Ứng dụng kỹ thuật nghịch đảo trọng số khoảng cách (IDW) trên nền GIS để thành lập bản đồ biến động mưa 1 ngày lớn nhất và bản đồ phân vùng dòng chảy lũ.
- Phương pháp tính toán lũ thiết kế:
- Đối với lưu vực vừa và nhỏ: Áp dụng các công thức giải tích kinh nghiệm gồm phương pháp Xokolopsky và phương pháp cường độ giới hạn (theo QP.TL C-6-77 và TCVN 9845:2013).
- Đối với lưu vực có diện tích lớn: Áp dụng mô hình thủy văn thông số bán phân bố NAM (Nielsen và Hansen, 1973) kết hợp mô hình diễn toán dòng chảy cân bằng lượng trữ đoạn sông (Muskingum). Xây dựng đường tương quan phi tuyến giữa lưu lượng đỉnh lũ $Q_{\max}$ và lưu lượng ngày lớn nhất $Q_{\text{ngày max}}$ tại các trạm thủy văn khống chế để chuyển đổi từ dòng chảy ngày mô phỏng sang đỉnh lũ thiết kế.
- Phương pháp phân tích thống kê thủy văn: Phân tích tần suất, kiểm tra xu thế chuỗi số liệu quan trắc quá khứ bằng phương trình hồi quy tuyến tính.
Dữ liệu nghiên cứu
- Số liệu quan trắc mưa ngày lịch sử tại 93 trạm đo khí tượng, thủy văn trong khu vực Nam Trung Bộ.
- Số liệu lưu lượng dòng chảy thực đo tại các trạm thủy văn: Nông Sơn, Thành Mỹ (lưu vực Vu Gia – Thu Bồn), Bình Tường (sông Kôn), Củng Sơn, An Khê (sông Ba), Hiệp Đức, Giao Thủy, Câu Lâu, Hội An, Ái Nghĩa, Vĩnh Sơn, Thạnh Hòa, Vân Canh, Diêu Trì.
- Số liệu dự tính khí hậu tương lai từ 11 mô hình GCM theo hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 giai đoạn 2006–2100.
- Dữ liệu không gian, mô hình số độ cao (DEM) và hệ thống sông suối tỷ lệ 1:2.000 đến 1:50.000.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu mưa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở thực tiễn về điều kiện tự nhiên, khí tượng thủy văn, các hình thế thời tiết gây mưa lũ và phân tích xu thế chuỗi số liệu lịch sử tại khu vực Nam Trung Bộ.
Đặc điểm tự nhiên và khí tượng thủy văn Nam Trung Bộ
- Địa hình - Sông ngòi: Địa hình hẹp ngang, dốc đứng từ Tây sang Đông, chia làm 3 vùng rõ rệt (vùng núi cao trên 1000 m như đỉnh Bà Nà 1467 m, Lum Heo 2045 m, Ngọc Linh 2598 m; vùng trung du 100–800 m; đồng bằng ven biển dưới 30 m). Hệ thống sông ngòi ngắn, dốc, thời gian tập trung dòng chảy nhanh, tiêu biểu là hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia, sông Kôn – Hà Thanh (diện tích lưu vực sông Kôn khoảng $3.102\text{ km}^{2}$) và sông Ba (sông Đà Rằng, mật độ lưới sông $0,3–0,5\text{ km/km}^{2}$, lượng mưa trung bình lưu vực $1650\text{ mm/năm}$).
- Nhiệt độ và bốc hơi: Tổng nhiệt năm $8500–9000^{\circ}\text{C}$, tổng bức xạ $100–160\text{ kcal/cm}^{2}$, tổng số giờ nắng $2000–3000\text{ giờ/năm}$. Khả năng bốc hơi trung bình năm dao động từ $680\text{ mm}$ (vùng núi) đến $1040\text{ mm}$ (đồng bằng ven biển):
| Trạm |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
Cả năm |
| Đà Nẵng |
69,1 |
65,3 |
79,0 |
85,1 |
104,3 |
114,0 |
124,3 |
112,5 |
84,3 |
71,6 |
65,4 |
62,0 |
1036,7 |
| Trà My |
41,4 |
49,1 |
69,5 |
80,5 |
75,9 |
71,0 |
71,3 |
70,2 |
50,6 |
38,6 |
28,2 |
27,3 |
674,3 |
- Chế độ mưa và gió bão: Mùa mưa lệch pha so với cả nước do ảnh hưởng chắn gió của dãy Trường Sơn, tập trung từ tháng IX đến tháng XII (chiếm 70–77% lượng mưa năm). Hai tháng mưa lớn nhất là tháng X và tháng XI chiếm 40–50% lượng mưa cả năm. Các tâm mưa lớn đạt trên $3000–4000\text{ mm}$ tại Trà My, Tiên Phước, Khâm Đức. Khoảng 63% các đợt mưa lớn 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).
Thống kê bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng khu vực nghiên cứu:
| Khu vực |
Chỉ số |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
Cả năm |
| Đà Nẵng – Bình Định |
Số cơn (SC)
Tần suất (TS, %) |
-
- |
-
- |
1
2,0 |
2
4,0 |
5
9,0 |
2
4,0 |
13
25,0 |
18
34,0 |
9
17,0 |
3
6,0 |
53
100 |
| Phú Yên trở vào |
Số cơn (SC)
Tần suất (TS, %) |
-
- |
2
3,0 |
1
2,0 |
2
3,0 |
-
- |
-
- |
-
- |
17
27,0 |
32
51,0 |
9
14,0 |
63
100 |
| Toàn quốc |
Số cơn (SC)
Tần suất (TS, %) |
2
1,0 |
1
0,0 |
4
1,0 |
28
9,0 |
33
11,0 |
45
15,0 |
64
22,0 |
70
24,0 |
42
14,0 |
12
4,0 |
297
100 |
- Đặc điểm dòng chảy lũ: Mùa lũ từ tháng IX đến tháng XII, mỗi năm xuất hiện 3–5 đợt lũ dạng lũ kép nhiều đỉnh. Cường suất lũ lên ở thượng lưu đạt $30–70\text{ cm/giờ}$, cực đại đạt $100–400\text{ cm/giờ}$. Lũ lớn nhất năm tập trung chủ yếu vào tháng X và tháng XI:
| TT |
Trạm |
Hệ thống sông |
V |
VI |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
Tổng (%) |
| 1 |
Hiệp Đức |
Thu Bồn |
2,9 |
0 |
8,8 |
41,2 |
38,2 |
8,8 |
100 |
|
| 2 |
Nông Sơn |
Thu Bồn |
2,9 |
0 |
8,8 |
44,1 |
35,3 |
8,8 |
100 |
|
| 3 |
Giao Thủy |
Thu Bồn |
2,9 |
0 |
8,8 |
50,0 |
32,4 |
5,9 |
100 |
|
| 4 |
Câu Lâu |
Thu Bồn |
2,9 |
0 |
8,8 |
50,0 |
32,4 |
5,9 |
100 |
|
| 5 |
Hội An |
Thu Bồn |
0 |
0 |
5,9 |
35,3 |
47,1 |
11,8 |
100 |
|
| 6 |
Thành Mỹ |
Vu Gia |
2,9 |
0 |
11,8 |
50,0 |
32,4 |
2,9 |
100 |
|
| 7 |
Hội Khách |
Vu Gia |
3,4 |
3,4 |
13,8 |
41,4 |
37,9 |
0 |
100 |
|
| 8 |
Ái Nghĩa |
Vu Gia |
2,9 |
2,9 |
11,8 |
47,1 |
32,4 |
2,9 |
100 |
|
| 9 |
Cẩm Lệ |
Vu Gia |
0 |
0 |
5,9 |
41,2 |
47,1 |
5,9 |
100 |
|
| 10 |
Vĩnh Sơn |
Kôn |
6,7 |
- |
33,3 |
46,7 |
13,3 |
100 |
|
|
| 11 |
Bình Tường |
Kôn |
2,9 |
- |
29,4 |
55,9 |
11,8 |
100 |
|
|
| 12 |
Thạnh Hòa |
Kôn |
8,8 |
- |
35,3 |
47,1 |
8,8 |
100 |
|
|
| 13 |
Vân Canh |
Hà Thanh |
4,5 |
- |
36,4 |
50,0 |
9,1 |
100 |
|
|
| 14 |
Diêu Trì |
Hà Thanh |
- |
- |
23,5 |
64,7 |
11,8 |
100 |
|
|
| 15 |
An Khê |
Sông Ba |
7,7 |
15,4 |
15,4 |
53,8 |
7,7 |
100 |
|
|
| 16 |
Củng Sơn |
Sông Ba |
- |
- |
23,1 |
69,2 |
7,7 |
100 |
|
|
- Xu thế biến đổi lượng mưa 1 ngày lớn nhất lịch sử: Luận án thiết lập phương trình hồi quy tuyến tính chuỗi quan trắc thực tế tại 25 trạm đo:
| Trạm đo mưa |
Số năm quan trắc |
Phương trình hồi quy |
Xu thế biến đổi |
| Ái Nghĩa |
29 |
$y = 0,8309x + 225,76$ |
$+0,8309\text{ mm/năm}$ |
| Câu Lâu |
29 |
$y = 1,2768x + 189,98$ |
$+1,2768\text{ mm/năm}$ |
| Đà Nẵng |
29 |
$y = -0,8717x + 244,65$ |
$-0,8717\text{ mm/năm}$ |
| Giao Thủy |
29 |
$y = 1,7579x + 209,17$ |
$+1,7579\text{ mm/năm}$ |
| Hiên |
29 |
$y = 1,1096x + 185,06$ |
$+1,1096\text{ mm/năm}$ |
| Hội An |
29 |
$y = 0,9319x + 217,26$ |
$+0,9319\text{ mm/năm}$ |
| Hội Khách |
29 |
$y = 0,6889x + 203,78$ |
$+0,6889\text{ mm/năm}$ |
| Phước Sơn |
29 |
$y = -0,1850x + 269,17$ |
$-0,1850\text{ mm/năm}$ |
| Thành Mỹ |
29 |
$y = 1,2734x + 200,08$ |
$+1,2734\text{ mm/năm}$ |
| Tam Kỳ |
29 |
$y = 2,6527x + 212,24$ |
$+2,6527\text{ mm/năm}$ |
| Trà My |
29 |
$y = 1,7618x + 277,66$ |
$+1,7618\text{ mm/năm}$ |
| Nông Sơn |
29 |
$y = 1,4661x + 226,23$ |
$+1,4661\text{ mm/năm}$ |
| Bình Tường |
36 |
$y = -0,4212x$ |
$-0,4212\text{ mm/năm}$ |
| Hoài Nhơn |
36 |
$y = 0,1515x$ |
$+0,1515\text{ mm/năm}$ |
| Quy Nhơn |
36 |
$y = -0,9116x$ |
$-0,9116\text{ mm/năm}$ |
| Vĩnh Kim |
36 |
$y = -1,0880x$ |
$-1,0880\text{ mm/năm}$ |
| Vân Canh |
36 |
$y = -1,7896x$ |
$-1,7896\text{ mm/năm}$ |
| Hoài Ân |
36 |
$y = -2,7876x$ |
$-2,7876\text{ mm/năm}$ |
| Phù Mỹ |
36 |
$y = -2,1202x$ |
$-2,1202\text{ mm/năm}$ |
| Kon Tum |
35 |
$y = 0,7543x$ |
$+0,7543\text{ mm/năm}$ |
| An Khê |
29 |
$y = -0,4564x$ |
$-0,4564\text{ mm/năm}$ |
| Plei Ku |
29 |
$y = 0,1813x$ |
$+0,1813\text{ mm/năm}$ |
| Ayun Pa |
29 |
$y = -1,5316x$ |
$-1,5316\text{ mm/năm}$ |
| Mang Yang |
29 |
$y = -1,1895x$ |
$-1,1895\text{ mm/năm}$ |
| Chư Sê |
29 |
$y = 0,2302x$ |
$+0,2302\text{ mm/năm}$ |
Kết quả cho thấy đa số các trạm trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn có xu thế tăng mưa một ngày lớn nhất; lưu vực sông Kôn – Hà Thanh và sông Ba có sự phân hóa phức tạp (tăng ở khu vực thượng nguồn Kon Tum, Pleiku, Chư Sê, Hoài Nhơn nhưng giảm ở các trạm trung và hạ lưu như An Khê, Ayun Pa, Mang Yang, Vân Canh, Hoài Ân).
Chương 2: Cơ sở khoa học tính mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu
Chương 2 thiết lập cơ sở phương pháp luận chi tiết hóa thống kê, lựa chọn mô hình GCM và xây dựng khung tính toán thủy văn cho khu vực nghiên cứu:
- Lựa chọn mô hình khí hậu: Luận án tuyển chọn 11 mô hình GCM thuộc CMIP5 dựa trên tính phù hợp về độ phân giải và khả năng mô phỏng cơ chế gió mùa Đông Á/Đông Nam Á.
- Kỹ thuật chi tiết hóa thống kê và hiệu chỉnh sai số: Phân tích sai số hệ thống giữa lượng mưa tính toán từ 11 mô hình GCM với số liệu thực tế tại 93 trạm quan trắc. Áp dụng phương pháp so khớp hàm phân bố tần suất tích lũy (CDF matching) theo Gudmundsson và nnk nhằm hiệu chỉnh giá trị mô phỏng mưa ngày tương lai về sát với phân bố thực đo tại từng trạm đo.
- Phương pháp tính toán lũ thiết kế:
- Thiết lập công thức tính toán giải tích (Xokolopsky và cường độ giới hạn) cho lưu vực sông vừa và nhỏ.
- Xây dựng cấu trúc mô hình bán phân bố NAM cho các lưu vực lớn (phân chia thành các lưu vực bộ phận và đoạn sông tính toán). Thiết lập thông số mô hình độ trữ ẩm tầng mặt, độ thấm, dòng chảy ngầm và các hệ số truyền sóng lũ trong lòng dẫn.
- Phân tích và thiết lập quan hệ thực nghiệm tương quan phi tuyến giữa lưu lượng đỉnh lũ tức thời lớn nhất ($Q_{\max}$) và lưu lượng ngày lớn nhất ($Q_{\text{ngày max}}$) tại các trạm đo thủy văn đại biểu: Nông Sơn, Thành Mỹ (1977–2010), Củng Sơn (1977–1997), An Khê và Bình Tường.
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 định lượng lượng mưa và dòng chảy lũ thiết kế trong tương lai:
Kết quả tính toán mưa một ngày lớn nhất
- Đánh giá trung bình và độ lệch chuẩn sai số của 11 mô hình GCM tại 93 trạm sau hiệu chỉnh cho thấy sai số hệ thống được giảm thiểu rõ rệt.
- Phân tích định lượng sự biến động lượng mưa một ngày lớn nhất trên các lưu vực chính (Nông Sơn, Thành Mỹ, Vu Gia – Thu Bồn, sông Ba) theo hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 trong hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099 so với thời kỳ nền.
- Thành lập bản đồ biến động tỷ lệ phần trăm (%) của lượng mưa một ngày lớn nhất cho toàn vùng Nam Trung Bộ bằng công cụ GIS.
Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy văn và tính toán đỉnh lũ thiết kế
- Mô hình bán phân bố NAM được hiệu chỉnh và kiểm định trên chuỗi dòng chảy thực đo trung bình tháng và chuỗi dòng chảy ngày tại các trạm Nông Sơn, Thành Mỹ, Bình Tường và Củng Sơn. Kết quả cho thấy đường quá trình dòng chảy mô phỏng bám sát thực tế quan trắc.
- Tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế $Q_{\max}$ theo các tần suất thiết kế ứng với kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cho các giai đoạn tương lai.
- Thiết lập bảng tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ (dựa trên mức độ gia tăng tỷ lệ % của $Q_{\max}$).
- Ứng dụng kết quả xây dựng bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế khu vực Nam Trung Bộ cho hai giai đoạn 2040–2069 và 2070–2099.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Hoàn thiện phương pháp luận chi tiết hóa mưa cực trị: Đề xuất và ứng dụng thành công quy trình chi tiết hóa thống kê kết hợp hiệu chỉnh sai số phân bố tần suất từ tổ hợp 11 mô hình GCM toàn cầu về 93 trạm đo chi tiết cho một khu vực địa lý cụ thể (Nam Trung Bộ), khắc phục tính bất định của mô hình đơn lẻ và hạn chế tiêu tốn tài nguyên tính toán của mô hình động lực.
- Khung phương pháp tính toán lũ phân cấp: Xác lập phương pháp tính toán lũ thiết kế có xét đến BĐKH phân định theo quy mô lưu vực: phương pháp giải tích (Xokolopsky, cường độ giới hạn) cho lưu vực vừa và nhỏ; mô hình thủy văn bán phân bố NAM kết hợp quan hệ $Q_{\max} - Q_{\text{ngày max}}$ cho lưu vực lớn.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Hệ thống cơ sở dữ liệu và bản đồ chuyên đề: Cung cấp bộ số liệu định lượng về lượng mưa 1 ngày lớn nhất và đỉnh lũ thiết kế tương lai theo các kịch bản RCP4.5, RCP8.5 cho 2 giai đoạn (2040–2069 và 2070–2099).
- Thành lập bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ: Xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ biến động lũ trên nền GIS cho khu vực Nam Trung Bộ, đóng vai trò làm tài liệu tham khảo trong kiểm tra an toàn đập, hồ chứa và thiết kế khẩu độ công trình cầu cống giao thông.
Kiến nghị
- Đề xuất các cơ quan quản lý và tư vấn thiết kế áp dụng hệ số điều chỉnh hoặc bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ khi tính toán thiết kế xây mới hoặc nâng cấp các công trình thủy lợi, giao thông tại Nam Trung Bộ.
- Kiến nghị tiếp tục cập nhật chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn mới và mở rộng mạng lưới quan trắc tự động tại các lưu vực vùng sâu, vùng xa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu lượng mưa một ngày lớn nhất ($X_{1\text{ngày max}}$) do đặc thù nguồn số liệu quan trắc lịch sử tại nhiều trạm là số liệu đo ngày; chưa mở rộng chi tiết hóa các đợt mưa nhiều ngày liên tục hoặc lượng mưa thời đoạn ngắn (giờ, phút) phục vụ các lưu vực đô thị hoặc lưu vực rất nhỏ.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu phân tích mưa thời đoạn ngắn; kết hợp mô hình thủy văn bán phân bố với các mô hình thủy lực 2 chiều mô phỏng ngập lụt chi tiết vùng đồng bằng hạ du dưới tác động đồng thời của lũ thượng lưu, nước biển dâng và triều cường.
Giá trị tham khảo
- Đối với cơ sở đào tạo và nghiên cứu sinh: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên thuộc các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy và Biến đổi khí hậu về phương pháp chi tiết hóa thống kê tổ hợp GCM.
- Đối với kỹ sư và cơ quan tư vấn thiết kế: Là cơ sở tính toán thực tế phục vụ xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế $Q_{\max}$, kiểm tra khả năng xả lũ của tràn hồ chứa, tính toán khẩu độ cầu cống công trình đường bộ, đường sắt trên địa bàn 8 tỉnh Nam Trung Bộ.
- Đối với cơ quan quản lý nhà nước: Phục vụ công tác quy hoạch phòng chống thiên tai, đánh giá an toàn hồ đập và xây dựng kế hoạch hành động ứng phó BĐKH cấp tỉnh và lưu vực sông.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng những kịch bản BĐKH nào và từ bao nhiêu mô hình khí hậu toàn cầu?
Luận án sử dụng hai kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện chính là RCP4.5 (kịch bản phát thải trung bình thấp, bức xạ tác động $4,5\text{ W/m}^{2}$) và RCP8.5 (kịch bản phát thải cao, bức xạ tác động $8,5\text{ W/m}^{2}$) thuộc Báo cáo Đánh giá lần 5 của IPCC (CMIP5), được chiết xuất từ tổ hợp 11 mô hình khí hậu toàn cầu (GCM) (như Access1-3, CanESM2, CMCC-CMS, CNRM-CM5, HadGEM2-ES...).
2. Phương pháp tính toán lũ thiết kế được phân định như thế nào theo quy mô lưu vực?
- Lưu vực vừa và nhỏ: Sử dụng phương pháp giải tích kinh nghiệm gồm công thức Xokolopsky hoặc phương pháp cường độ giới hạn.
- Lưu vực có diện tích lớn: Sử dụng mô hình toán thủy văn bán phân bố NAM mô phỏng dòng chảy ngày kết hợp diễn toán truyền sóng lũ trong lòng dẫn Muskingum, sau đó chuyển đổi sang lưu lượng đỉnh lũ $Q_{\max}$ thông qua đường quan hệ thực nghiệm tương quan giữa $Q_{\max}$ và $Q_{\text{ngày max}}$.
3. Những hình thế thời tiết nào gây mưa lớn chủ yếu tại khu vực Nam Trung Bộ?
Khoảng 63% các đợt mưa lớn tại Nam Trung Bộ do xoáy thuận nhiệt đới (bão và áp thấp nhiệt đới) hoạt động riêng lẻ hoặc kết hợp với khối không khí lạnh tăng cường và dải hội tụ nhiệt đới, tập trung cao điểm vào các tháng X và XI hàng năm.
4. Luận án xây dựng bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ cho những giai đoạn nào?
Bản đồ phân vùng biến động lượng mưa 1 ngày lớn nhất và dòng chảy lũ thiết kế được xây dựng cho hai giai đoạn tương lai: giai đoạn 2040–2069 (giữa thế kỷ 21) và giai đoạn 2070–2099 (cuối thế kỷ 21) so sánh với thời kỳ nền.
Kết luận
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu khu vực Nam Trung Bộ" của tác giả Lê Thị Hải Yến đã giải quyết bài toán định lượng tác động của BĐKH đến mưa và lũ thiết kế cho khu vực Nam Trung Bộ. Bằng việc kết hợp phương pháp chi tiết hóa thống kê từ tổ hợp 11 mô hình GCM về 93 trạm quan trắc địa phương với các mô hình thủy văn bán phân bố NAM và phương pháp giải tích kinh nghiệm, công trình đã xác lập cơ sở khoa học để tính toán lượng mưa một ngày lớn nhất và lưu lượng đỉnh lũ thiết kế trong tương lai. Kết quả nghiên cứu và hệ thống bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ là nguồn tài liệu tham khảo cho công tác thiết kế, quy hoạch và đánh giá an toàn công trình thủy lợi, giao thông thích ứng với biến đổi khí hậu.
