Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cái Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa, với diện tích khoảng 2000 km² và chiều dài sông chính 79 km, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Dòng chảy trên lưu vực này phân chia rõ rệt thành hai mùa: mùa lũ kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm khoảng 65-66% tổng lượng dòng chảy năm, và mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 8, chỉ chiếm 34-35%. Trong những năm gần đây, dòng chảy mùa lũ có xu hướng giảm, số trận lũ ít hơn nhưng lại xuất hiện các trận lũ lớn với mực nước đỉnh cao, biểu hiện rõ rệt của biến đổi khí hậu (BĐKH). Ví dụ, trận lũ lịch sử năm 2009 có mực nước đỉnh đạt 13,42 m với lưu lượng đỉnh 2730 m³/s, gây thiệt hại nghiêm trọng cho khu vực hạ lưu, đặc biệt là Thành phố Nha Trang.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mùa lũ tại trạm Đồng Trăng trên sông Cái Nha Trang, sử dụng mô hình thủy văn SWAT phiên bản 2012. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5, dự báo sự thay đổi lượng mưa và dòng chảy mùa lũ vào giữa và cuối thế kỷ 21. Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưu vực sông Cái Nha Trang với dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm đo như Nha Trang, Khánh Vĩnh, Diên An và Đồng Trăng, giai đoạn số liệu từ năm 1976 đến nay.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp thông tin khoa học phục vụ quy hoạch sử dụng đất, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai, góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và thích ứng với biến đổi khí hậu tại tỉnh Khánh Hòa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn hiện đại, trong đó mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ chính. SWAT là mô hình vật lý mô phỏng chu trình thủy văn trên lưu vực, bao gồm ba pha: dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm sát mặt và dòng chảy trong sông. Mô hình sử dụng các phương trình cân bằng nước, phương pháp đường cong thấm SCS và phương trình thấm Green & Ampt để tính lượng mưa hiệu quả và dòng chảy mặt. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Chu trình thủy văn: cân bằng nước giữa lượng mưa, dòng chảy mặt, bốc hơi và thấm ngầm.
  • Lưu lượng đỉnh lũ: lượng dòng chảy lớn nhất xuất hiện ứng với lượng mưa cực đại, được tính bằng phương pháp mô phỏng hợp lý.
  • Thời gian tập trung nước: thời gian nước chảy từ điểm xa nhất trong lưu vực về cửa ra, gồm thời gian chảy trên bề mặt và trong kênh.
  • Hệ số dòng chảy: tỷ lệ giữa dòng chảy mặt và lượng mưa, phản ánh khả năng thấm và trữ nước của lưu vực.
  • Bốc thoát hơi tiềm năng và thực tế: lượng nước bốc hơi từ bề mặt đất và thảm thực vật, được tính theo các phương pháp Penman-Monteith, Priestley-Taylor và Hargreaves.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ 4 trạm đo trên lưu vực sông Cái Nha Trang (Nha Trang, Khánh Vĩnh, Diên An, Đồng Trăng) với chuỗi số liệu từ năm 1976 đến nay. Dữ liệu bao gồm lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió, mực nước và lưu lượng dòng chảy.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình SWAT phiên bản 2012 để mô phỏng dòng chảy mùa lũ và dòng chảy cực trị 5 ngày lớn nhất dưới các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng số liệu thực đo tại trạm Đồng Trăng với chỉ số Nash đạt mức phù hợp cao, đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

Timeline nghiên cứu bao gồm thu thập và xử lý dữ liệu từ năm 1976 đến 2016, hiệu chỉnh mô hình trong giai đoạn 2015-2016, và mô phỏng dự báo dòng chảy mùa lũ cho các giai đoạn giữa thế kỷ (2046-2065) và cuối thế kỷ (2081-2100).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thay đổi lượng mưa theo kịch bản biến đổi khí hậu: Lượng mưa 5 ngày lớn nhất dự báo tăng khoảng 18,5% đến 44,5% vào giữa thế kỷ và cuối thế kỷ theo kịch bản RCP4.5. Lượng mưa mùa đông và mùa thu cũng có xu hướng tăng từ 12,8% đến 37% vào cuối thế kỷ.

  2. Biến đổi dòng chảy mùa lũ: Dòng chảy trung bình các tháng mùa lũ tại trạm Đồng Trăng dự báo tăng từ 10% đến 25% vào giữa và cuối thế kỷ theo kịch bản RCP4.5, phản ánh sự gia tăng cường độ và tần suất lũ.

  3. Dòng chảy cực trị 5 ngày lớn nhất: Mức tăng dòng chảy cực trị 5 ngày lớn nhất dao động từ 15% đến 40% so với giai đoạn nền (1986-2005), cho thấy nguy cơ lũ lớn và lũ kép ngày càng gia tăng.

  4. Tính không ổn định của dòng chảy lũ: Các trận lũ có xu hướng xuất hiện với cường độ đỉnh lũ cao xen kẽ với các năm có đỉnh lũ thấp, làm tăng tính cực đoan và khó dự báo dòng chảy lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến đổi trên là do sự gia tăng nhiệt độ trung bình năm khoảng 0,62°C trong giai đoạn 1958-2014, làm thay đổi chế độ mưa và tăng cường độ bốc hơi. Sự gia tăng lượng mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn làm tăng dòng chảy mặt và đỉnh lũ. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác động của biến đổi khí hậu tại khu vực Nam Trung Bộ và các lưu vực sông tương tự.

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi dòng chảy trung bình tháng mùa lũ và dòng chảy cực trị 5 ngày lớn nhất dưới các kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 sẽ minh họa rõ ràng xu hướng gia tăng dòng chảy và rủi ro lũ lụt. Bảng so sánh số liệu dòng chảy thực đo và mô phỏng cũng cho thấy độ chính xác cao của mô hình SWAT trong việc dự báo dòng chảy mùa lũ.

Ý nghĩa của kết quả là cảnh báo về nguy cơ lũ lụt ngày càng nghiêm trọng, đòi hỏi các biện pháp quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai phù hợp, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà hoạch định chính sách.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và cập nhật dữ liệu khí tượng thủy văn: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại các trạm trên lưu vực để thu thập dữ liệu thời gian thực, nâng cao độ chính xác mô hình dự báo dòng chảy mùa lũ. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Khánh Hòa.

  2. Xây dựng và triển khai kế hoạch quản lý lũ lụt dựa trên kịch bản biến đổi khí hậu: Áp dụng kết quả mô hình SWAT để thiết kế các công trình thủy lợi, hồ chứa điều tiết và hệ thống cảnh báo sớm lũ lụt. Thời gian thực hiện: 3-5 năm; chủ thể: Ban Quản lý dự án và chính quyền địa phương.

  3. Phát triển các giải pháp bảo vệ và phục hồi rừng đầu nguồn: Tăng cường trồng rừng, bảo vệ thảm thực vật nhằm giảm dòng chảy mặt và xói mòn đất, góp phần điều hòa dòng chảy mùa lũ. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, cộng đồng dân cư.

  4. Nâng cao nhận thức cộng đồng và đào tạo kỹ năng ứng phó với lũ lụt: Tổ chức các chương trình tuyên truyền, tập huấn kỹ năng phòng chống thiên tai cho người dân vùng hạ lưu, đặc biệt tại Thành phố Nha Trang. Thời gian thực hiện: hàng năm; chủ thể: UBND các huyện, thành phố và các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý lũ lụt, quy hoạch sử dụng đất và phát triển bền vững lưu vực sông Cái Nha Trang.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành thủy văn, khí tượng: Tham khảo phương pháp ứng dụng mô hình SWAT trong đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến dòng chảy, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển: Áp dụng các khuyến nghị để triển khai các dự án bảo vệ môi trường, phát triển kinh tế xã hội thích ứng với biến đổi khí hậu.

  4. Cộng đồng dân cư và doanh nghiệp trong lưu vực: Nắm bắt thông tin về rủi ro lũ lụt, tham gia các hoạt động phòng chống thiên tai và quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng như thế nào đến dòng chảy sông Cái Nha Trang?
    Biến đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ và thay đổi lượng mưa, dẫn đến sự gia tăng cường độ và tần suất các trận lũ lớn, đồng thời làm giảm dòng chảy mùa kiệt, gây bất ổn định dòng chảy lũ.

  2. Tại sao mô hình SWAT được chọn để nghiên cứu?
    SWAT là mô hình vật lý toàn diện, có khả năng mô phỏng chi tiết chu trình thủy văn trên lưu vực lớn, đã được kiểm chứng hiệu quả trong nhiều nghiên cứu tương tự và phù hợp với dữ liệu hiện có.

  3. Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 khác nhau như thế nào?
    RCP4.5 là kịch bản phát thải trung bình với các biện pháp giảm phát thải, còn RCP8.5 là kịch bản phát thải cao, không kiểm soát, dẫn đến mức tăng nhiệt độ và lượng mưa lớn hơn, ảnh hưởng mạnh hơn đến dòng chảy.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt trong bối cảnh biến đổi khí hậu?
    Cần kết hợp các giải pháp kỹ thuật như xây dựng hồ chứa, cải tạo rừng đầu nguồn, cùng với nâng cao nhận thức cộng đồng và phát triển hệ thống cảnh báo sớm để ứng phó kịp thời.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác không?
    Phương pháp và mô hình SWAT có thể áp dụng cho các lưu vực sông có điều kiện tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh phù hợp với đặc điểm địa hình, khí hậu và dữ liệu địa phương.

Kết luận

  • Đã xác định rõ tác động của biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa cực đoan và dòng chảy mùa lũ tại trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang.
  • Mô hình SWAT phiên bản 2012 được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, cho kết quả mô phỏng dòng chảy phù hợp với số liệu thực đo.
  • Dòng chảy cực trị 5 ngày lớn nhất dự báo tăng từ 15% đến 40% vào giữa và cuối thế kỷ, cảnh báo nguy cơ lũ lụt nghiêm trọng.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tại tỉnh Khánh Hòa.
  • Khuyến nghị triển khai các biện pháp giám sát, bảo vệ rừng đầu nguồn, nâng cao nhận thức cộng đồng và phát triển hệ thống cảnh báo sớm trong vòng 1-5 năm tới.

Để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng, các nhà quản lý và chuyên gia được khuyến khích sử dụng mô hình SWAT kết hợp dữ liệu cập nhật để theo dõi biến đổi dòng chảy và điều chỉnh chính sách phù hợp nhằm phát triển bền vững lưu vực sông Cái Nha Trang.