Nghiên cứu ứng dụng các chỉ số đánh giá tình trạng khô hạn trong quản lý nguồn nước sông Phan Cà Lồ

• Tác giả: Nguyễn Thu Hà
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng chỉ số đánh giá khô hạn trong quản lý nguồn nước sông Phan Cà Lồ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu đề tài
• 4. Các kết quả dự kiến đạt được
• 5. Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HAN HÁN VÀ TONG QUAN VUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Khái niệm về hạn hán
• 1.1.1. Định nghĩa hạn hán
• 1.2. Phân loại hạn hán
• 1.3. Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới
• 1.3.1. Tình hình hạn hán trên thế giới
• 1.3.2. Các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới
• 1.4. Tinh hình han hán và các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam
• 1.4.1. Tình hình hạn hán ở Việt Nam
• 1.4.2. Một số nghiên cứu liên quan
• 1.5. Tổng quan vùng nghiên CỨU
• 1.5.1. Tổng quan vùng nghiên Cứ
• 1.5.2. Tình hình hạn hán vùng nghiÊn CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thu thập, phân tích số liệu khí tượng
• 2.2. Xây dựng công thức tính toán chỉ số SPI
• 2.3. Xây dựng công cụ tính toán chỉ số Kappa
• 2.4. Phân tích lựa chọn công cụ GIS dé phân tích tình trạng thiếu hụt nguồn nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tính toán chỉ số Kappa
• 3.2. Kết qua tính toán chỉ số SPI
• 3.3. So sánh kết quả đánh giá hạn bang chỉ số Karpa và SPI
• 3.4. Xây dựng bản đồ hạn SPI và đánh giá diện tích hạn
• 3.5. Đề xuất một số giải pháp ứng phó, khắc phục thiếu hụt nguồn nước lưu vực sông Phan
• 3.6. Một số giải pháp công trình
• 3.7. Một số giải pháp phi công trình
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• I. Kết luận
• II. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính cấp thiết của đề tài

Hạn hán là một hiện tượng khí hậu nghiêm trọng, gây ra sự thiếu hụt nước kéo dài, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và đời sống con người. Tình trạng này thường xảy ra ở nhiều vùng, đặc biệt là các khu vực có khí hậu gió mùa, nơi có sự chênh lệch rõ rệt giữa mùa mưa và mùa khô. Hạn hán không chỉ tác động đến sản xuất nông nghiệp mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và ổn định xã hội. Theo nghiên cứu, các vùng như Nam Trung Bộ và Tây Nguyên thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề từ hạn hán. Đặc biệt, tỉnh Vĩnh Phúc, nơi có nhiều con sông cung cấp nước cho nông nghiệp, đang phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng do lượng mưa giảm sút. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng các chỉ số đánh giá khô hạn nhằm giám sát tình hình thiếu hụt nước là rất cần thiết để đưa ra giải pháp ứng phó kịp thời.

II. Mục đích và phạm vi nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là xác định các chỉ số đánh giá tình trạng khô hạn trong vùng sông Phan - Cà Lồ và đề xuất các giải pháp ứng phó với tình trạng này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Phan - Cà Lồ, với các yếu tố khí tượng như lượng mưa và bốc hơi được xem xét kỹ lưỡng. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin cần thiết cho việc quản lý nguồn nước mà còn giúp nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả nguồn nước. Đặc biệt, các chỉ số đánh giá sẽ được áp dụng để theo dõi tình hình hạn hán, từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện tình hình nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các phương pháp tiếp cận thực tiễn và mô hình hóa. Các số liệu khí tượng sẽ được thu thập và phân tích để xây dựng các chỉ số đánh giá tình trạng khô hạn. Phương pháp kế thừa các nghiên cứu trước đây và áp dụng các mô hình tính toán hiện đại sẽ giúp tăng độ chính xác trong việc dự đoán tình trạng hạn hán. Ngoài ra, việc sử dụng công cụ GIS sẽ hỗ trợ trong việc phân tích không gian và đánh giá tác động của hạn hán đến nguồn nước. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu quý giá cho các nhà quản lý trong việc đưa ra quyết định liên quan đến tài nguyên nước.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả tính toán chỉ số Kappa và SPI cho thấy mức độ hạn hán trong vùng nghiên cứu có xu hướng gia tăng, đặc biệt trong những năm gần đây. Việc so sánh các chỉ số này cho phép đánh giá chính xác hơn tình trạng khô hạn và đưa ra các giải pháp ứng phó hiệu quả. Bản đồ hạn hán được xây dựng từ các chỉ số này sẽ giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện các khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất. Các giải pháp ứng phó được đề xuất bao gồm cả giải pháp công trình và phi công trình, nhằm cải thiện tình hình nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu tác động của hạn hán mà còn nâng cao khả năng phục hồi của cộng đồng trước những biến đổi khí hậu.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạn hán là một vấn đề nghiêm trọng cần được quan tâm và giải quyết kịp thời. Cần thiết phải triển khai các giải pháp quản lý nước hiệu quả, bao gồm việc xây dựng các công trình chứa nước, cải thiện hệ thống tưới tiêu và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ nguồn nước. Đồng thời, cần có sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng và cộng đồng để thực hiện các biện pháp ứng phó với hạn hán một cách hiệu quả. Việc áp dụng các chỉ số đánh giá khô hạn sẽ hỗ trợ trong việc theo dõi và quản lý nguồn nước, từ đó góp phần đảm bảo an ninh nước cho vùng sông Phan - Cà Lồ.

Tổng quan nghiên cứu

Hạn hán là hiện tượng thiên nhiên phổ biến, gây ra bởi sự thiếu hụt lượng mưa kéo dài, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, sản xuất nông nghiệp và đời sống con người. Trên thế giới, khoảng 1,3 tỷ ha đất bị ảnh hưởng bởi hạn hán, với hơn 17,7% dân số toàn cầu sinh sống trong các vùng khô hạn. Tại Việt Nam, hạn hán diễn ra với tần suất và mức độ ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các vùng Trung Bộ, Tây Nguyên và miền núi Bắc Bộ. Tỉnh Vĩnh Phúc, nằm trong vùng trung du Bắc Bộ, có lưu vực sông Phan - Cà Lồ với diện tích khoảng 710 km², là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của hạn hán và thiếu hụt nguồn nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng các chỉ số đánh giá tình trạng khô hạn, đặc biệt là chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI) và chỉ số Kappa, nhằm đánh giá nguồn nước và giám sát tình hình thiếu hụt nước tại lưu vực sông Phan - Cà Lồ. Mục tiêu cụ thể là xác định mức độ hạn hán, xây dựng bản đồ phân vùng hạn hán và đề xuất các giải pháp ứng phó phù hợp. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu khí tượng từ 10 trạm đo trong giai đoạn 1985-2015, bao gồm lượng mưa, bốc hơi và các đặc điểm khí hậu khác. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước, giảm thiểu thiệt hại do hạn hán và hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại vùng nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết về hạn hán: Hạn hán được phân loại thành bốn loại chính gồm hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và hạn kinh tế - xã hội. Mỗi loại phản ánh các khía cạnh khác nhau của sự thiếu hụt nước và ảnh hưởng đến các lĩnh vực kinh tế - xã hội.
• Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI): Là chỉ số đánh giá hạn khí tượng dựa trên sự chênh lệch lượng mưa thực tế so với trung bình nhiều năm, được chuẩn hóa theo phân phối Gamma. SPI được tính toán cho các khoảng thời gian 1, 3 và 6 tháng để phản ánh mức độ hạn hán theo mùa và vụ.
• Chỉ số Kappa: Được sử dụng để đánh giá sự đồng thuận giữa các phương pháp đánh giá hạn hán hoặc giữa các trạm đo, giúp xác định độ tin cậy của kết quả phân tích.
• Mô hình GIS: Ứng dụng trong việc xây dựng bản đồ phân vùng hạn hán, thể hiện không gian và mức độ hạn hán trên lưu vực sông Phan - Cà Lồ.

Các khái niệm chính bao gồm: hạn khí tượng, SPI, chỉ số Kappa, phân vùng hạn hán, và giám sát nguồn nước.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu khí tượng từ 10 trạm đo trong vùng nghiên cứu gồm Tam Đảo, Vĩnh Yên, Phúc Yên, Phú Thọ, Việt Trì, Kỳ Phú, Đông Anh, Lâm Thao, Phù Ninh, Thanh Thủy, Sơn Tây. Chuỗi số liệu kéo dài 30 năm (1985-2015) đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các trạm đo có chuỗi số liệu đầy đủ, đại diện cho các vùng núi, trung du và đồng bằng trong lưu vực nhằm đảm bảo tính toàn diện của nghiên cứu.
• Phương pháp phân tích: Tính toán chỉ số SPI theo các khoảng thời gian 1, 3 và 6 tháng để đánh giá mức độ hạn hán theo mùa và vụ. Chỉ số Kappa được sử dụng để kiểm định độ đồng thuận giữa các kết quả đánh giá. Phân tích thống kê mô tả và xu hướng lượng mưa, bốc hơi được thực hiện để nhận diện các biến đổi khí hậu trong vùng.
• Ứng dụng GIS: Xây dựng bản đồ phân vùng hạn hán dựa trên kết quả tính toán SPI, thể hiện không gian và mức độ hạn hán trong các năm điển hình như 1988, 1995, 2005, 2010 và 2015.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu từ 1985 đến 2015, phân tích và xây dựng bản đồ hạn hán trong năm 2018, hoàn thiện luận văn năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Diễn biến lượng mưa và bốc hơi: Lượng mưa trung bình hàng năm tại vùng nghiên cứu dao động khoảng 1.300 - 3.000 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10), chiếm khoảng 80% tổng lượng mưa năm. Lượng bốc hơi trung bình năm khoảng 1.040 mm, với mức bốc hơi tại trạm Vĩnh Yên cao hơn trạm Tam Đảo do điều kiện địa hình và khí hậu khác biệt. Xu hướng lượng mưa có sự biến động nhẹ, một số năm như 2014 có lượng mưa cao trên 2.500 mm, trong khi các năm hạn hán như 1998, 2010 lượng mưa giảm xuống dưới 1.000 mm.

2. Kết quả tính chỉ số SPI: Chỉ số SPI cho thấy các năm 1998, 2003, 2004, 2010 và 2015 là những năm hạn hán nghiêm trọng với giá trị SPI dưới -1,5, tương ứng với hạn nặng đến cực kỳ nặng. Diện tích vùng bị hạn hán trong các năm này chiếm từ 40% đến 60% tổng diện tích lưu vực, tập trung chủ yếu ở các xã ven núi Tam Đảo và vùng bãi sông Phan - Cà Lồ.

3. Chỉ số Kappa: Kết quả tính chỉ số Kappa tại các trạm Vĩnh Yên và Tam Đảo cho thấy mức độ đồng thuận cao (khoảng 0,7 - 0,85) giữa các phương pháp đánh giá hạn hán, khẳng định tính tin cậy của chỉ số SPI trong giám sát hạn hán tại vùng nghiên cứu.

4. Bản đồ phân vùng hạn hán: Bản đồ GIS thể hiện rõ sự phân bố không đồng đều của hạn hán trên lưu vực, với các vùng núi và trung du có mức độ hạn hán cao hơn vùng đồng bằng. Các năm hạn hán nghiêm trọng như 1998 và 2015 có diện tích hạn hán mở rộng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp và nguồn nước sinh hoạt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hạn hán tại lưu vực sông Phan - Cà Lồ là do sự thiếu hụt lượng mưa kéo dài trong mùa khô, kết hợp với lượng bốc hơi lớn và sự khai thác quá mức nguồn nước. Kết quả tính toán chỉ số SPI phù hợp với các quan sát thực tế và các báo cáo của ngành thủy lợi tỉnh Vĩnh Phúc, phản ánh chính xác diễn biến hạn hán trong các năm nghiên cứu.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc sử dụng chỉ số SPI và Kappa cho phép đánh giá chính xác và kịp thời tình trạng hạn hán, hỗ trợ công tác dự báo và cảnh báo sớm. Bản đồ phân vùng hạn hán cung cấp công cụ trực quan giúp các cơ quan quản lý và người dân nhận biết vùng nguy cơ cao để có biện pháp ứng phó phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến lượng mưa và bốc hơi theo năm, bảng phân loại mức độ hạn hán theo SPI, và bản đồ GIS thể hiện phân bố hạn hán theo từng năm điển hình, giúp minh họa rõ ràng các kết quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo hạn hán liên tục: Ứng dụng chỉ số SPI và Kappa trong hệ thống giám sát thời gian thực, cập nhật dữ liệu hàng tháng để cảnh báo sớm tình trạng hạn hán, giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Vĩnh Phúc, thời gian triển khai: 1 năm.

2. Phát triển các công trình thủy lợi điều tiết nước: Nâng cấp, xây dựng các hồ chứa, kênh mương nhằm tăng khả năng tích trữ và phân phối nước tưới, đặc biệt tại các vùng thường xuyên bị hạn như ven núi Tam Đảo và vùng bãi sông Phan - Cà Lồ. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý dự án thủy lợi, thời gian: 3-5 năm.

3. Khuyến khích chuyển đổi cơ cấu cây trồng và áp dụng kỹ thuật canh tác tiết kiệm nước: Hỗ trợ nông dân trồng các loại cây chịu hạn, giảm diện tích trồng lúa ở vùng thiếu nước, áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt và quản lý nước hiệu quả. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Khuyến nông tỉnh, thời gian: 2 năm.

4. Tăng cường công tác tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tập huấn về quản lý nguồn nước, phòng chống hạn hán và sử dụng nước tiết kiệm cho người dân và cán bộ địa phương. Chủ thể thực hiện: UBND các huyện, thời gian: liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý nguồn nước, giám sát hạn hán và lập kế hoạch phát triển công trình thủy lợi phù hợp.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước, khí tượng thủy văn: Tham khảo phương pháp tính toán chỉ số SPI, Kappa và ứng dụng GIS trong đánh giá hạn hán, phục vụ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển mô hình dự báo.

3. Nông dân và tổ chức nông nghiệp tại vùng nghiên cứu: Áp dụng các giải pháp chuyển đổi cây trồng, kỹ thuật tưới tiết kiệm và nhận biết sớm tình trạng hạn hán để giảm thiểu thiệt hại sản xuất.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan hỗ trợ phát triển: Dựa trên kết quả nghiên cứu để thiết kế các chương trình hỗ trợ cộng đồng, nâng cao khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu và hạn hán.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số SPI là gì và tại sao được sử dụng trong đánh giá hạn hán?
   SPI là chỉ số chuẩn hóa lượng mưa, phản ánh sự chênh lệch lượng mưa thực tế so với trung bình nhiều năm. SPI được sử dụng vì tính đơn giản, dễ tính toán và khả năng đánh giá hạn hán theo nhiều khoảng thời gian khác nhau, giúp nhận diện sớm các đợt hạn hán.

2. Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm những khu vực nào?
   Phạm vi nghiên cứu là lưu vực sông Phan - Cà Lồ thuộc tỉnh Vĩnh Phúc, với diện tích khoảng 710 km², bao gồm các huyện Tam Dương, Tam Đảo, Bình Xuyên, Vĩnh Tường, Yên Lạc và thành phố Vĩnh Yên.

3. Dữ liệu khí tượng được sử dụng trong nghiên cứu có độ tin cậy như thế nào?
   Dữ liệu được thu thập từ 10 trạm đo khí tượng có chuỗi số liệu liên tục và đầy đủ trong 30 năm (1985-2015), đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao cho phân tích và đánh giá hạn hán.

4. Các giải pháp đề xuất có thể áp dụng ngay trong thực tế không?
   Các giải pháp như xây dựng hệ thống giám sát, nâng cấp công trình thủy lợi, chuyển đổi cây trồng và tuyên truyền nâng cao nhận thức đều có thể triển khai ngay, tùy thuộc vào nguồn lực và sự phối hợp của các cơ quan chức năng.

5. Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ công tác quản lý nguồn nước như thế nào?
   Kết quả cung cấp công cụ đánh giá và giám sát hạn hán chính xác, giúp các cơ quan quản lý dự báo, cảnh báo sớm, lập kế hoạch điều tiết nước hợp lý, từ đó giảm thiểu thiệt hại do hạn hán gây ra.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công bộ chỉ số đánh giá tình trạng khô hạn dựa trên chỉ số SPI và Kappa, phù hợp với điều kiện khí hậu và địa hình lưu vực sông Phan - Cà Lồ.
• Kết quả phân tích cho thấy các năm 1998, 2003, 2004, 2010 và 2015 là những năm hạn hán nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến nguồn nước và sản xuất nông nghiệp.
• Bản đồ phân vùng hạn hán được xây dựng giúp nhận diện rõ ràng các khu vực có nguy cơ cao, hỗ trợ công tác quản lý và ứng phó hạn hán hiệu quả.
• Đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm giảm thiểu tác động của hạn hán, nâng cao khả năng thích ứng của cộng đồng và hệ thống thủy lợi.
• Tiếp tục cập nhật dữ liệu và hoàn thiện hệ thống giám sát, cảnh báo hạn hán để phục vụ quản lý tài nguyên nước bền vững trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan chức năng và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai hệ thống giám sát hạn hán dựa trên chỉ số SPI, đồng thời thực hiện các giải pháp ứng phó đã đề xuất nhằm bảo vệ nguồn nước và phát triển kinh tế xã hội vùng lưu vực sông Phan - Cà Lồ.