Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo hạn vừa cho lưu vực sông Sê San với sản phẩm mưa IFS

• Tác giả: Nguyễn Văn Huy
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Đặng Thanh Mai
• Trường học: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Thủy văn
• Đề tài: Phương Án Dự Báo Hạn Vừa Cho Lưu Vực Sông Sê San Sử Dụng Sản Phẩm Mưa IFS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN HẠN VỪA TRONG MÙA CẠN
• 1.1. Một số đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của lưu vực sông Sê San
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về lưu vực sông Sê San

Lưu vực sông Sê San, nằm giữa hai tỉnh Kon Tum và Gia Lai, có vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất. Đặc điểm địa lý và khí hậu của khu vực này ảnh hưởng lớn đến nguồn nước và dòng chảy. Dự báo thời tiết chính xác là cần thiết để quản lý tài nguyên nước hiệu quả. Việc sử dụng sản phẩm mưa từ mô hình IFS giúp cải thiện độ chính xác trong dự báo hạn vừa. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại trong quản lý nước có thể giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

1.1 Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội

Lưu vực sông Sê San có diện tích 11.620 km2, với địa hình đa dạng từ núi cao đến thung lũng. Tài nguyên nước phong phú nhưng cũng đối mặt với thách thức như hạn hán và lũ lụt. Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan. Việc xây dựng các hồ chứa đã làm thay đổi chế độ dòng chảy, gây ra tình trạng ngập lụt và thiếu nước. Do đó, việc phân tích dữ liệu và nghiên cứu khí tượng thủy văn là rất cần thiết để phát triển các phương án dự báo hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn bao gồm phân tích thống kê, mô hình hóa, và phương pháp chuyên gia. Các phương pháp này giúp đánh giá chất lượng dự báo mưa từ mô hình IFS. Việc sử dụng công nghệ thông tin trong phân tích dữ liệu giúp nâng cao độ chính xác của các dự báo. Kỹ thuật dự báo hiện đại cho phép theo dõi và dự đoán các hiện tượng thời tiết một cách hiệu quả hơn, từ đó hỗ trợ cho công tác quy hoạch lưu vực và quản lý tài nguyên nước.

2.1 Đánh giá chất lượng dự báo

Đánh giá chất lượng dự báo mưa từ mô hình IFS cho thấy độ chính xác cao trong việc dự đoán lượng mưa trong các mùa cạn. Các chỉ số như ETS (Equitable Threat Score) được sử dụng để đánh giá hiệu quả của mô hình. Kết quả cho thấy mô hình có khả năng dự đoán tốt các hiện tượng thời tiết cực đoan, từ đó giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các cảnh báo kịp thời và chính xác hơn cho cộng đồng.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình MIKE-NAM có khả năng tính toán dòng chảy hạn vừa cho lưu vực sông Sê San một cách hiệu quả. Việc sử dụng sản phẩm mưa từ mô hình IFS làm đầu vào cho mô hình MIKE-NAM đã cải thiện đáng kể độ chính xác của dự báo dòng chảy. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong việc quản lý nước mà còn hỗ trợ cho công tác phòng chống thiên tai. Việc áp dụng các phương pháp này trong thực tiễn sẽ giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra cho người dân trong khu vực.

3.1 Xây dựng phương án dự báo

Phương án dự báo dòng chảy hạn vừa cho lưu vực sông Sê San được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu và phân tích dữ liệu. Mô hình MIKE-NAM đã được hiệu chỉnh để phù hợp với điều kiện thực tế của lưu vực. Kết quả cho thấy khả năng dự đoán dòng chảy chính xác, từ đó giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời với các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Sê San, trải dài trên địa bàn hai tỉnh Kon Tum và Gia Lai với diện tích khoảng 11.620 km², là một trong những phụ lưu lớn của sông Mê Kông tại Việt Nam. Với chiều dài 230 km, lưu vực này có địa hình đa dạng, từ núi cao đến thung lũng và cao nguyên, cùng với mạng lưới sông suối phát triển, đặc biệt là các nhánh chính như sông Pô Kô, Đăk Bla và Sa Thầy. Khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng bởi hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 và mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Lượng mưa trung bình hàng năm đạt khoảng 2.000 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa, chiếm trên 2/3 tổng lượng mưa năm. Dòng chảy trên lưu vực biến đổi mạnh theo mùa, với mùa lũ chiếm 65-75% tổng lượng dòng chảy năm và mùa cạn chỉ chiếm 25-35%, gây ra tình trạng mất cân đối nguồn nước, ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của hơn 30% dân số trong khu vực.

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng các hiện tượng thiên tai như lũ lụt và hạn hán, việc nâng cao chất lượng dự báo thủy văn hạn vừa (10 ngày) trở nên cấp thiết. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng phương án dự báo dòng chảy hạn vừa mùa cạn cho lưu vực sông Sê San, sử dụng sản phẩm mưa dự báo số trị của mô hình IFS (Integrated Forecast System) kết hợp với mô hình thủy văn MIKE-NAM. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Sê San thuộc địa bàn hai tỉnh Kon Tum và Gia Lai, với thời gian nghiên cứu chủ yếu trong các mùa cạn từ năm 2010 đến 2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quy hoạch, bố trí sản xuất và phòng chống thiên tai, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước và phát triển bền vững khu vực Tây Nguyên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai mô hình chính để xây dựng phương án dự báo thủy văn hạn vừa:

1. Mô hình IFS (Integrated Forecast System): Phát triển bởi Trung tâm Dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF), mô hình IFS là hệ thống tích hợp các mô hình khí quyển, sóng biển và bề mặt đất, sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu 4D-VAR để cung cấp điều kiện ban đầu chính xác. Mô hình này chạy hai lần mỗi ngày với độ phân giải không gian 0,125° x 0,125°, cho phép dự báo mưa số trị với thời hạn lên đến 15 ngày. Sản phẩm mưa dự báo của IFS được sử dụng làm đầu vào cho mô hình thủy văn.

2. Mô hình MIKE-NAM: Là mô hình thủy văn thông số tập trung, được phát triển tại Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, mô hình MIKE-NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy dựa trên bốn bể chứa nước (mặt, tầng rễ cây, ngầm tầng trên và ngầm tầng dưới) với các thông số vật lý đặc trưng. Mô hình tính toán dòng chảy liên tục, phản ánh các quá trình bốc hơi, thấm và dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm. Mô hình yêu cầu hiệu chỉnh các thông số đặc trưng phù hợp với điều kiện lưu vực nghiên cứu để đảm bảo độ chính xác.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm: dòng chảy hạn vừa (dòng chảy dự báo trong khoảng 10 ngày), dự báo mưa số trị, hiệu chỉnh mô hình thủy văn, đánh giá chất lượng dự báo (sử dụng các chỉ số như ME, RMSE, CSI), và phân chia lưu vực bộ phận dựa trên bản đồ DEM và mạng lưới trạm quan trắc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu mưa và dòng chảy thực đo từ các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Sê San trong giai đoạn 2010-2017, cùng với sản phẩm mưa dự báo số trị của mô hình IFS trong cùng thời kỳ. Dữ liệu địa hình DEM 30x30m được sử dụng để phân chia lưu vực thành các lưu vực bộ phận phục vụ mô hình hóa.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích thống kê: Xử lý số liệu thực đo, đánh giá đặc trưng khí tượng thủy văn, kiểm định chất lượng số liệu.
• Hiệu chỉnh mô hình MIKE-NAM: Áp dụng phương pháp thử sai để điều chỉnh 9 thông số mô hình nhằm phù hợp với đặc điểm dòng chảy thực tế, dựa trên tiêu chí cân bằng nước, hình dạng đường dòng chảy và đỉnh lũ.
• Mô hình hóa thủy văn: Sử dụng mô hình MIKE-NAM với đầu vào là mưa dự báo của IFS để tính toán dòng chảy hạn vừa mùa cạn.
• Đánh giá chất lượng dự báo: Sử dụng các chỉ số ME, RMSE, PoD, FAR, CSI để đánh giá độ chính xác của dự báo mưa và dòng chảy.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ 2010-2017, hiệu chỉnh mô hình và xây dựng phương án dự báo trong năm 2017-2018, đánh giá và hoàn thiện phương án dự báo trong năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng sử dụng sản phẩm mưa dự báo của IFS: Mô hình IFS cho kết quả dự báo mưa số trị với sai số trung bình (ME) dao động trong khoảng ±10% so với số liệu thực đo tại các trạm trên lưu vực. Sai số quân phương (RMSE) trung bình khoảng 5-8 mm/ngày, với chỉ số CSI đạt trên 0,7 cho các ngưỡng mưa từ 10-50 mm, cho thấy độ tin cậy cao trong dự báo mưa hạn vừa.

2. Hiệu chỉnh mô hình MIKE-NAM: Sau quá trình hiệu chỉnh, mô hình MIKE-NAM mô phỏng dòng chảy mùa cạn tại các trạm thủy văn chính như Đăk Mốt, Đăk Tô, Kon Plong và Kon Tum đạt chỉ số NASH trên 0,75, sai số trung bình dòng chảy dưới 15%, phù hợp với yêu cầu dự báo thủy văn hạn vừa.

3. Dự báo dòng chảy hạn vừa mùa cạn: Phương án dự báo dòng chảy 10 ngày sử dụng mưa dự báo của IFS làm đầu vào cho mô hình MIKE-NAM cho kết quả dự báo dòng chảy với sai số trung bình khoảng 12%, chỉ số CSI dòng chảy đạt trên 0,7, vượt trội so với các phương pháp dự báo truyền thống chỉ dựa trên số liệu thực đo.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả dự báo dòng chảy hạn vừa trên lưu vực sông Sê San tương đương hoặc tốt hơn so với các nghiên cứu ứng dụng mô hình tương tự trên các lưu vực khác ở Tây Nguyên và khu vực Đông Nam Á, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng sản phẩm mưa dự báo số trị của IFS kết hợp mô hình MIKE-NAM.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp nâng cao chất lượng dự báo là việc sử dụng sản phẩm mưa dự báo số trị của mô hình IFS với độ phân giải cao (0,125° x 0,125°) và thời hạn dự báo dài đến 10 ngày, cung cấp thông tin mưa định lượng chính xác hơn so với các nguồn dữ liệu truyền thống. Việc phân chia lưu vực thành các lưu vực bộ phận nhỏ giúp mô hình MIKE-NAM phản ánh chính xác đặc điểm thủy văn từng khu vực, đồng thời hiệu chỉnh thông số mô hình theo phương pháp thử sai đảm bảo cân bằng nước và mô phỏng sát thực tế.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung dự báo lũ ngắn hạn (1-4 ngày), nghiên cứu này mở rộng phạm vi dự báo dòng chảy hạn vừa mùa cạn, đáp ứng nhu cầu quản lý nguồn nước và phòng chống hạn hán trong khu vực. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường quá trình dòng chảy thực đo và mô phỏng tại các trạm thủy văn, bảng so sánh các chỉ số đánh giá chất lượng dự báo mưa và dòng chảy, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả phương án dự báo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường ứng dụng sản phẩm mưa dự báo số trị của IFS: Khuyến nghị Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia và các đơn vị liên quan tiếp tục khai thác và cập nhật sản phẩm mưa dự báo IFS với độ phân giải cao để làm đầu vào cho các mô hình thủy văn, nâng cao chất lượng dự báo hạn vừa và dài hạn. Thời gian thực hiện: ngay trong năm 2024.

2. Phát triển và hiệu chỉnh mô hình thủy văn MIKE-NAM cho các lưu vực bộ phận: Các cơ quan quản lý tài nguyên nước cần triển khai hiệu chỉnh mô hình MIKE-NAM cho từng lưu vực bộ phận trên lưu vực sông Sê San, đảm bảo mô hình phản ánh chính xác đặc điểm thủy văn địa phương, phục vụ công tác dự báo và quản lý nguồn nước. Thời gian thực hiện: 2024-2025.

3. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm dựa trên dự báo dòng chảy hạn vừa: Đề xuất xây dựng hệ thống cảnh báo sớm hạn hán và thiếu nước dựa trên kết quả dự báo dòng chảy 10 ngày, hỗ trợ các địa phương chủ động trong sản xuất nông nghiệp và phòng chống thiên tai. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia phối hợp với các tỉnh Kon Tum, Gia Lai. Thời gian thực hiện: 2024.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ dự báo: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về sử dụng mô hình IFS và MIKE-NAM, kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình và đánh giá chất lượng dự báo cho cán bộ dự báo tại các trung tâm khu vực và địa phương. Thời gian thực hiện: 2024-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cán bộ dự báo khí tượng thủy văn: Nâng cao kiến thức về ứng dụng mô hình số trị và mô hình thủy văn trong dự báo hạn vừa, cải thiện chất lượng dự báo phục vụ công tác phòng chống thiên tai.

2. Quản lý tài nguyên nước và quy hoạch phát triển vùng: Sử dụng kết quả dự báo dòng chảy hạn vừa để lập kế hoạch sử dụng nước hợp lý, điều tiết hồ chứa và phát triển bền vững lưu vực sông Sê San.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy văn, khí tượng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và đánh giá chất lượng dự báo trong lĩnh vực thủy văn hạn vừa, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

4. Các cơ quan phòng chống thiên tai và nông nghiệp: Áp dụng kết quả dự báo dòng chảy để xây dựng kế hoạch sản xuất, phòng chống hạn hán và lũ lụt, giảm thiểu thiệt hại cho người dân và sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương án dự báo dòng chảy hạn vừa là gì?
   Phương án dự báo dòng chảy hạn vừa là kế hoạch sử dụng mô hình thủy văn kết hợp với dữ liệu dự báo mưa số trị để dự báo dòng chảy trong khoảng thời gian 5-10 ngày, giúp các cơ quan quản lý và người dân chủ động ứng phó với tình trạng thiếu nước hoặc lũ lụt.

2. Tại sao chọn mô hình IFS làm nguồn dữ liệu mưa dự báo?
   Mô hình IFS có độ phân giải cao (0,125° x 0,125°), thời hạn dự báo dài đến 15 ngày và được đánh giá có độ chính xác cao trong dự báo mưa số trị, phù hợp với yêu cầu dự báo hạn vừa cho lưu vực sông Sê San.

3. Mô hình MIKE-NAM có ưu điểm gì trong dự báo thủy văn?
   MIKE-NAM là mô hình thủy văn thông số tập trung, dễ hiệu chỉnh, phản ánh chính xác các quá trình mưa-dòng chảy, bốc hơi và thấm, phù hợp với các lưu vực có đặc điểm địa hình và khí hậu đa dạng như lưu vực sông Sê San.

4. Làm thế nào để đánh giá chất lượng dự báo mưa và dòng chảy?
   Chất lượng dự báo được đánh giá bằng các chỉ số thống kê như sai số trung bình (ME), sai số quân phương (RMSE), chỉ số quyết định thành công (CSI), xác suất phát hiện (PoD) và tỷ lệ báo động giả (FAR), giúp xác định độ chính xác và tin cậy của dự báo.

5. Ứng dụng thực tiễn của phương án dự báo này là gì?
   Phương án dự báo giúp các địa phương trong lưu vực sông Sê San chủ động trong quản lý nguồn nước, điều tiết hồ chứa, lập kế hoạch sản xuất nông nghiệp và phòng chống thiên tai, giảm thiểu thiệt hại do hạn hán và lũ lụt.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công phương án dự báo dòng chảy hạn vừa mùa cạn 10 ngày cho lưu vực sông Sê San, sử dụng sản phẩm mưa dự báo số trị của mô hình IFS kết hợp mô hình thủy văn MIKE-NAM.
• Mô hình IFS cung cấp dữ liệu mưa dự báo có độ chính xác cao, phù hợp làm đầu vào cho mô hình thủy văn tại lưu vực nghiên cứu.
• Mô hình MIKE-NAM sau hiệu chỉnh mô phỏng tốt dòng chảy mùa cạn, đạt chỉ số NASH trên 0,75 và sai số trung bình dưới 15%.
• Phương án dự báo cho phép dự báo dòng chảy hạn vừa với sai số trung bình khoảng 12%, cải thiện đáng kể so với các phương pháp truyền thống.
• Đề xuất triển khai ứng dụng phương án dự báo trong công tác quản lý nguồn nước và phòng chống thiên tai tại các tỉnh Kon Tum và Gia Lai trong giai đoạn 2024-2026.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các cơ quan liên quan để triển khai áp dụng phương án dự báo vào thực tiễn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao độ chính xác và mở rộng phạm vi dự báo. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và các đơn vị có thể liên hệ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia.