Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ chuyên ngành Biến đổi khí hậu (mã số: 9440221) 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 (bảo vệ năm 2022).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Khu vực Bắc Trung Bộ trải qua quá trình phát triển kinh tế - xã hội và đô thị hóa, dẫn đến những biến động về thảm phủ bề mặt như suy giảm độ che phủ đất nông nghiệp và độ che phủ rừng. Biến động thảm phủ tác động trực tiếp đến quá trình mưa - dòng chảy, làm thay đổi chế độ dòng chảy và lưu lượng sông suối theo không gian và thời gian. Đồng thời, biến đổi khí hậu làm gia tăng tính cực đoan của các yếu tố khí hậu thông qua sự gia tăng nhiệt độ, giảm lượng mưa mùa khô và tăng lượng mưa mùa lũ.
Dự báo đến năm 2025, tổng lượng nước mặt của Việt Nam chỉ bằng khoảng 96% so với hiện nay, và đến năm 2030, nhu cầu nước cho các mục đích kinh tế - xã hội, dân sinh ước tính đạt khoảng 122 tỷ m³/năm (tăng 1,5 lần). Sông Cả là một trong những hệ thống sông liên quốc gia lớn, có vai trò thiết yếu đối với khu vực. Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: các công trình trong nước trước đây thường đánh giá riêng rẽ ảnh hưởng của thay đổi thảm phủ hoặc tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy, hoặc các giả thiết về thay đổi rừng còn mang tính định tính; đồng thời các nghiên cứu trước thường thiếu hụt dữ liệu thảm phủ phần lưu vực nằm ngoài lãnh thổ Việt Nam. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán định lượng tác động đồng thời của cả hai yếu tố này trên toàn bộ lưu vực xuyên biên giới.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu cụ thể:
- 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.
- 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 và Luận điểm bảo vệ
Luận án đặt ra 02 câu hỏi nghiên cứu:
- Câu hỏi 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?
- Câu hỏi 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?
Hệ thống luận điểm bảo vệ gồm 02 luận điểm:
- Luận điểm 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.
- Luận điểm 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.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
- 05 lớp thảm phủ chính tác động đến dòng chảy lưu vực sông Cả gồm: Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước và Đất trống (phân loại dựa trên Thông tư 08/2007/TT-BTNMT, ảnh Landsat, Sentinel, chỉ số DEM và chỉ số thực vật).
- Lượng mưa, nhiệt độ (trung bình ngày, tối thấp, tối cao) theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5.
- Chế độ dòng chảy bề mặt (dòng chảy năm, dòng chảy mùa lũ, dòng chảy mùa cạn và dòng chảy tháng).
- Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Cả với diện tích 27.200 km² (bao gồm 9.470 km² thuộc lãnh thổ CHDCND Lào, chiếm 34,8% diện tích lưu vực và 17.730 km² thuộc lãnh thổ Việt Nam). Tọa độ địa lý lưu vực 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. Cửa ra lưu vực tại vị trí 18°45'27" vĩ độ Bắc và 105°46'40" kinh độ Đông; điểm bắt đầu dòng chính vào lãnh thổ Việt Nam tại 19°24'59'' vĩ độ Bắc và 104°04'12'' kinh độ Đông. Chiều dài dòng chính sông Cả khoảng 513 km (trong đó có 361 km thuộc Việt Nam).
- Phạm vi thời gian: Giai đoạn thu thập số liệu nền và xây dựng ma trận xác suất chuyển đổi thảm phủ là 2005–2015 (các mốc 2005, 2010, 2015 gắn với kỳ tổng điều tra đất đai và quy hoạch sử dụng đất 2020, tầm nhìn 2030). Giai đoạn mô phỏng và dự tính tương lai cho thảm phủ là năm 2030; giai đoạn dự tính biến đổi khí hậu và dòng chảy là 2020–2039.
| Lớp thảm phủ |
Chú giải nội dung phân loại |
| Rừng |
Đất rừng có rừng tự nhiên, rừng trồng đạt tiêu chuẩn lâm nghiệp (rừng sản xuất, rừng phòng hộ, rừng đặc dụng). |
| Nông nghiệp |
Đất sản xuất nông nghiệp gồm đất trồng cây hàng năm (đất trồng lúa, đồng cỏ chăn nuôi, cây hàng năm khác) và đất trồng cây lâu năm (vườn cây ăn quả, cây lâu năm). |
| Xây dựng |
Đất xây dựng để ở, xây dựng công trình, đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp, bảo vệ đất đai, an ninh. |
| Vùng nước |
Đất sông suối và mặt nước chuyên dùng, mặt nước ven biển. |
| Đất trống |
Đất không có mục đích sử dụng bao gồm đất đồng bằng chưa sử dụng, đất đồi núi chưa sử dụng, núi đá không có rừng. |
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu về mô phỏng biến động thảm phủ
- Nghiên cứu quốc tế:
- Nền tảng lý thuyết: Khái niệm chuỗi Markov được Andrei Andreyevich Markov đề xuất năm 1906, ứng dụng xác định xác suất chuyển đổi trạng thái. Lý thuyết Hệ tự hành dạng tế bào (Cellular Automata - CA) được Stephen Wolfram phát triển toàn diện từ thập niên 1980 trong lý thuyết các hệ phức tạp, hỗ trợ không gian hóa các chuyển đổi.
- Ứng dụng mô hình: Đại học Zanjan, Iran (2011) kết hợp ảnh Landsat TM (1984, 2011), phân loại Fuzzy ARTMAP và Markov-CA dự báo biến động đất đô thị Zanjan đến năm 2020. Trung tâm CORAL (Ấn Độ) áp dụng CA-Markov mô phỏng lưu vực Choudwar giai đoạn 1972–2005. Đại học Hubei ứng dụng mô hình lọc Markov-Kalman trên ảnh Landsat (1990, 2000, 2010) cho lưu vực XiuHe (Trung Quốc). Mohammad Sayemuzzaman và Manoj K. Jha (Đại học Nông nghiệp và Kỹ thuật Bắc Carolina, Hoa Kỳ) tích hợp Markov-CA và đánh giá đa tiêu chí (MCE) dự báo sử dụng đất Bắc Carolina năm 2030 với kiểm định chỉ số Kappa. Nghiên cứu phối hợp giữa Đại học Payame Noor và Đại học Công nghệ Isfahan (2015) dùng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và CA-Markov dự báo thảm phủ Arak (Iran) năm 2025 với độ chính xác trên 95%. Muhammad Isma’il và Saidu Abubakar (2015) ứng dụng chuỗi Markov dự báo sử dụng đất làng Wudil (Kano, Nigeria) giai đoạn 2014–2028. Iacono M. và cộng sự (Đại học Minnesota, 2015) mô hình hóa chuỗi Markov cho vùng Minneapolis-St. Paul dựa trên số liệu 1958–2005. Griselda Vázquez-Quintero và cộng sự (2016) sử dụng ảnh MSS 1973, TM 1990, OLI 2014 và CA-Markov mô phỏng biến động rừng thông tại Pueblo Nuevo (Mexico) đến năm 2028 với hệ số Kappa đạt 90%–92%.
- Nghiên cứu trong nước:
- Nguyễn Đình Dương và cộng sự (2001–2003) nghiên cứu biến động lớp phủ cả nước qua ảnh MODIS và thay đổi lớp phủ rừng huyện Tánh Linh (Bình Thuận) giai đoạn 1989–1998 bằng ảnh Landsat TM. Phạm Văn Cự và cộng sự (2006) dùng tư liệu viễn thám đa thời gian phân tích chỉ số thực vật tại Thái Bình. Nguyễn Quang Tuấn và cộng sự (2008) lập bản đồ thảm thực vật huyện Kỳ Anh (Hà Tĩnh). Trần Nguyên Bằng và cộng sự nghiên cứu biến động thảm thực vật tại Mậu Đức, Con Cuông (Nghệ An).
- Phân loại thảm phủ tại Tủa Chùa (Lai Châu, 2006) bằng Landsat đạt Kappa ~0,7; nghiên cứu tại thành phố Vinh (Nghệ An) so sánh ảnh Landsat (1992, 2000, Kappa ~0,7) và SPOT (2005, Kappa ~0,9); nghiên cứu tại Chân Mây (Phú Lộc, Thừa Thiên Huế) phân loại 13 lớp phủ từ ảnh Landsat TM; nghiên cứu vùng đồng bằng sông Hồng (2008–2010) phân loại 9 lớp phủ từ MODIS NDVI đạt Kappa ~0,9; Đặng Ngọc Quốc Hưng và Hồ Đắc Thái Hoàng phân tích biến động rừng Vườn quốc gia Bạch Mã qua ảnh Landsat (1989, 2001, 2004, 2007) bằng Erdas và ArcView.
- Đại học Cần Thơ (2015) áp dụng Markov-CA trên nền tảng đa tác tử GAMA cho 8 tỉnh ven biển Đồng bằng sông Cửu Long đến năm 2030, 2050, ghi nhận độ lệch tuyệt đối PAD là 34,25% (độ chính xác toàn cục 65,75%) do sự không đồng nhất giữa các nguồn bản đồ 2000 và 2008.
Các nghiên cứu về tác động của thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy
- Nghiên cứu quốc tế: Bosch J. tổng hợp 94 thí nghiệm lưu vực khẳng định mối quan hệ trực tiếp giữa độ che phủ thực vật và sản lượng nước. Costa và cộng sự (2003) phân tích chuỗi số liệu 50 năm (1949–1998) lưu vực sông Tocantins (175.360 km²) chỉ ra khi diện tích nông nghiệp tăng từ 30% lên 49%, lưu lượng trung bình năm tăng 24% dù lượng mưa không thay đổi đáng kể. Farley và cộng sự (2005) kết luận chuyển trảng cỏ/bụi sang rừng trồng làm giảm 31%–44% dòng chảy năm. Ge Sun chứng minh trồng rừng ở Trung Quốc làm giảm dòng chảy từ 50 mm/năm (vùng khô) đến 300 mm/năm (vùng ẩm), tương ứng giảm 20%–40% lượng nước năm. Zhang và cộng sự (2007) phân tích ảnh hưởng vị trí không gian của rừng đến dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm và độ mặn.
- Nghiên cứu trong nước:
- Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) do Cục Nghiên cứu Nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA-ARS) và Đại học Texas A&M phát triển được ứng dụng rộng rãi: Trần Thục và Huỳnh Thị Lan Hương (2003) ứng dụng SWAT cho sông Trà Khúc, chứng minh rừng tăng làm giảm 31×10⁶ m³ dòng chảy năm và hạ đỉnh lũ; Phạm Thị Hương Lan (2003) thử nghiệm SWAT trên lưu vực sông Nậm Mức (sông Đà); Vũ Văn Tuấn và Phạm Thị Hương Lan (2003–2004) nghiên cứu lưu vực Mù Căng Chải; Hoàng Minh Tuyển (2004–2006) chia lưu vực sông Cả thành 29 tiểu lưu vực, dùng 9 trạm khí tượng mô phỏng dòng chảy kết nối mô hình IQQM.
- Ngô Đình Quế (2005) nghiên cứu tác động của rừng đến dòng chảy sông Rào Nậy (Quảng Bình) và Pơ Cô (Kon Tum):
| Năm |
Độ che phủ rừng (%) |
Chênh lệch lưu lượng đỉnh lũ trung bình năm (%) |
Chênh lệch lưu lượng dòng chảy mùa kiệt (%) |
| 1982 |
70 |
100,0 |
100 |
| 1992 |
61 |
106,0 |
88 |
| 2002 |
59 |
107,6 |
84 |
| Loại rừng |
Giai đoạn 1982–1992: Biến động diện tích (%) |
Giai đoạn 1982–1992: Biến động dòng chảy (%) |
Giai đoạn 1992–2002: Biến động diện tích (%) |
Giai đoạn 1992–2002: Biến động dòng chảy (%) |
| Rừng giàu |
+82,2 |
-86,1 |
-51,2 |
+61,1 |
| Rừng trung bình |
-81,8 |
+51,1 |
+477,8 |
-91,1 |
| Rừng nghèo |
+18,2 |
-1,8 |
-76,4 |
+21,8 |
| Rừng lồ ô, tre nứa |
+16,2 |
-2,0 |
-41,9 |
+12,0 |
| Rừng trồng |
+50,2 |
-8,6 |
+135,4 |
-18,6 |
- Nguyễn Ý Như và Nguyễn Thanh Sơn (2009) mô phỏng SWAT cho sông Bến Hải; Nguyễn Thị Tịnh Ấu và cộng sự (2014) đánh giá sông Đắk Bla giai đoạn 2000–2010; Nguyễn Thị Hồng và cộng sự (2014) ứng dụng GIS và SWAT cho lưu vực sông Vu Gia.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Tổng quan cho thấy phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ mô phỏng thảm phủ hoặc dòng chảy trong phạm vi hành chính nội địa, sử dụng kịch bản định tính hoặc tách rời biến đổi thảm phủ với biến đổi khí hậu. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng việc tích hợp phương pháp viễn thám đa thời gian, mô hình chuỗi Markov - Cellular Automata và mô hình thủy văn SWAT để đánh giá định lượng tác động kết hợp của biến động 5 lớp thảm phủ và kịch bản biến đổi khí hậu (RCP4.5, RCP8.5) trên toàn bộ lưu vực sông Cả (bao gồm cả phần lưu vực thượng nguồn bên Lào).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khái niệm sử dụng
- Thảm phủ và sử dụng đất (LULC): Thảm phủ (land cover) là lớp vỏ vật lý sinh học quan sát được trên bề mặt Trái đất (theo định nghĩa của FAO), bao gồm thực vật, nước, đất trống, công trình nhân tạo. Sử dụng đất (land use) là sự sắp xếp, hoạt động và đầu vào của con người để khai thác, duy trì thảm phủ. Luận án tích hợp cả hai khía cạnh thành biến động LULC.
- Biến đổi khí hậu: Dựa trên báo cáo AR6 WGI của IPCC và kịch bản biến đổi khí hậu của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, nghiên cứu tập trung vào 02 yếu tố chi phối chính tới dòng chảy mặt là lượng mưa và nhiệt độ theo kịch bản đường nồng độ khí nhà kính đại diện RCP4.5 và RCP8.5.
- Đánh giá tác động: Tiếp cận định nghĩa theo OECD và Roche, áp dụng phân tích định lượng kết hợp mô hình hóa quá trình tự nhiên.
- Mô hình toán chuỗi Markov và Cellular Automata (CA): Chuỗi Markov xác định ma trận xác suất chuyển đổi và ma trận diện tích chuyển đổi giữa các trạng thái rời rạc. CA tái tạo phân bố không gian thông qua hàm chuyển đổi lân cận (neighborhood) 2 chiều.
- Mô hình thủy văn bán phân bố SWAT: Mô tả vòng tuần hoàn thủy văn đất dựa trên việc phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực (sub-basins) và các đơn vị phản ứng thủy văn (Hydrologic Response Units - HRU) đồng nhất về sử dụng đất, loại đất và độ dốc.
Tiếp cận nghiên cứu
Luận án áp dụng hệ thống 06 hướng tiếp cận:
- Tiếp cận đa ngành: Tích hợp điều kiện tự nhiên (khí tượng, thủy văn, địa hình, sinh thái) và điều kiện kinh tế - xã hội.
- Tiếp cận định tính và định lượng: Phân tích định tính để xác lập quan hệ các yếu tố, tiếp nối bằng tính toán định lượng dòng chảy.
- Tiếp cận lịch sử và logic: Thu thập chuỗi dữ liệu lịch sử nhiều năm để xác định quy luật biến đổi thảm phủ và khí hậu.
- Tiếp cận đánh giá rủi ro theo không gian và thời gian: Phân tích sự biến đổi theo từng tiểu lưu vực và từng tháng/mùa trong năm.
- Tiếp cận nhân - quả: Phân tích nguyên nhân (thay đổi thảm phủ, biến đổi nhiệt/mưa) dẫn tới hệ quả (biến đổi dòng chảy mặt).
- Tiếp cận phân tích, tổng hợp: Lựa chọn các lớp phủ và yếu tố khí hậu đặc trưng có vai trò chi phối.
Phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu địa hình, khí tượng, thủy văn, quy hoạch đất đai từ các cơ quan chính thống.
- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: Thu thập tọa độ mẫu các điểm thực địa phục vụ phân loại ảnh và kiểm chứng kết quả giải đoán.
- Phương pháp viễn thám và GIS: Xử lý ảnh vệ tinh đa phổ Landsat (độ phân giải 30m) và Sentinel (độ phân giải 10–20m), mô hình số độ cao (DEM) nhằm chiết xuất 5 lớp phủ bề mặt qua phương pháp phân loại hợp lý cực đại (MLC) và tính toán chỉ số NDVI.
- Phương pháp chuyên gia và kỹ thuật Delphi:
- Sử dụng kỹ thuật Delphi qua 3 vòng tham vấn chuyên gia.
- Áp dụng quy tắc KAMET (Knowledge Acquisition for Multiple Experts with Time scale) để xử lý mức độ đồng thuận.
- Sử dụng quy trình phân tích thứ bậc (AHP), đánh giá đa tiêu chí (MCE), kết hợp tuyến tính có trọng số (WLC) và chuẩn hóa nhân tố theo hàm mờ (Fuzzy logic) để xây dựng bản đồ tính phù hợp cho từng lớp phủ.
- Phương pháp mô hình hóa tích hợp CA-Markov: Thiết lập ma trận xác suất chuyển đổi từ các giai đoạn 2005–2010 và 2010–2015, kết hợp bản đồ tính phù hợp và các ràng buộc không gian để mô phỏng thảm phủ năm 2015 (phục vụ kiểm định) và dự tính thảm phủ năm 2030.
- Phương pháp mô hình hóa dòng chảy (SWAT): Thiết lập mạng lưới tiểu lưu vực, định nghĩa đơn vị thủy văn HRU từ bản đồ thảm phủ, bản đồ thổ nhưỡng và độ dốc; nạp chuỗi số liệu khí tượng hàng ngày; phân tích độ nhạy thông số; hiệu chỉnh và kiểm định mô hình qua các chỉ số thống kê Nash–Sutcliffe (NSE) và hệ số xác định ($R^2$).
Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng
- Dữ liệu địa hình: Mô hình số độ cao DEM (USGS/METI/NASA).
- Dữ liệu viễn thám: Ảnh Landsat và Sentinel các năm 2005, 2010, 2015.
- Dữ liệu hiện trạng và quy hoạch: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất (HTSDĐ) 2005, 2010, 2015; quy hoạch sử dụng đất (QHSDĐ) Nghệ An và Hà Tĩnh đến năm 2020, tầm nhìn 2030; số liệu hiện trạng rừng năm 2019 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
- Dữ liệu thổ nhưỡng: Bản đồ đất lưu vực sông Cả theo phân loại FAO/UNESCO.
- Dữ liệu khí tượng - thủy văn: Số liệu quan trắc thực đo hàng ngày (nhiệt độ, mưa, lưu lượng) tại các trạm khí tượng và thủy văn trên lưu vực (Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm, Nghĩa Khánh) giai đoạn hiệu chỉnh (2007–2010) và kiểm định (2011–2014).
- Kịch bản biến đổi khí hậu: Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam (kịch bản RCP4.5 và RCP8.5) 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, sự khác biệt giữa thảm phủ và sử dụng đất (LULC), bản chất biến đổi khí hậu theo IPCC AR6 và khung đánh giá tác động của OECD. Chương này trình bày đặc điểm tự nhiên - kinh tế - xã hội của lưu vực sông Cả: diện tích 27.200 km² (phần thượng lưu bên Lào chiếm 34,8%), lượng mưa năm dao động từ 1.100 mm đến 2.500 mm (vùng thượng lưu sông Hiếu, sông La đạt 2.000–2.400 mm). Cơ cấu thảm phủ lịch sử gồm 44% rừng, 16% lúa nước, 2% hoa màu và 38% đất khác; độ che phủ rừng giảm từ 67% (năm 1943) xuống khoảng 40%–43% hiện nay.
Phần tổng quan tài liệu phân tích chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về:
- Mô hình chuỗi Markov và Cellular Automata trong dự báo không gian sử dụng đất.
- Tác động của suy giảm/phục hồi rừng đến chế độ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm (phân tích các dẫn liệu định lượng từ Bosch, Costa, Farley, Ge Sun, Ngô Đình Quế, Trần Thục).
- Ứng dụng mô hình thủy văn SWAT trong đánh giá tài nguyên nước lưu vực.
Chương 1 khẳng định sự cần thiết phải kết hợp chuỗi Markov - Cellular Automata với mô hình SWAT để giải quyết bài toán thiếu hụt số liệu xuyên biên giới và lượng hóa tác động đồng thời của thảm phủ cùng biến đổi khí hậu tại lưu vực sông Cả.
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 thiết lập khung phương pháp luận toàn diện gồm hai khối quy trình:
- Quy trình mô phỏng và dự tính thảm phủ (CA-Markov):
- Xử lý ảnh viễn thám, phân loại 05 lớp thảm phủ (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống) và đánh giá độ chính xác qua ma trận sai số (Error matrix, User Accuracy, Producer Accuracy, Overall Accuracy).
- Thiết lập ma trận xác suất chuyển đổi và ma trận diện tích chuyển đổi cho các thời kỳ 2005–2010, 2010–2015.
- Tham vấn chuyên gia qua 3 vòng Delphi, áp dụng quy tắc KAMET và logic mờ (Fuzzy) để xác định trọng số các tác nhân động lực (khoảng cách đến đường giao thông, sông suối, trung tâm đô thị, độ dốc, cao độ) và các vùng ràng buộc (vùng nước cố định, khu bảo tồn).
- Tích hợp không gian bằng Cellular Automata, chạy thử nghiệm với các số lần lặp khác nhau để mô phỏng thảm phủ năm 2015, kiểm định bằng hệ số Kappa trước khi dự tính bản đồ thảm phủ năm 2030.
- Quy trình mô phỏng dòng chảy bằng SWAT:
- Phân chia lưu vực sông Cả thành các tiểu lưu vực và trích xuất mạng lưới sông từ DEM.
- Chồng xếp lớp thảm phủ (năm 2005, 2010, 2015 và kịch bản 2030), bản đồ loại đất và phân cấp độ dốc để tạo các đơn vị phản ứng thủy văn HRU.
- Nạp dữ liệu khí tượng (lượng mưa ngày, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp) và thiết lập kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5, RCP8.5 giai đoạn 2020–2039.
- Thiết lập quy trình hiệu chỉnh (2007–2010) và kiểm định (2011–2014) thông số mô hình tại 5 trạm thủy văn chính (Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm) dựa trên tiêu chuẩn chỉ số NSE và $R^2$.
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:
- Kết quả mô phỏng thảm phủ:
- Xác lập ma trận xác suất và ma trận diện tích chuyển đổi thảm phủ các giai đoạn 2005–2010 và 2010–2015.
- Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh viễn thám và kiểm định mô hình CA-Markov năm 2015 đạt hệ số Kappa tin cậy cao.
- Thành lập bản đồ và bảng thống kê diện tích 05 loại hình sử dụng đất/thảm phủ lưu vực sông Cả năm 2030: phân tích xu thế tăng diện tích đất xây dựng, biến động đất nông nghiệp và biến đổi diện tích rừng ở từng tiểu lưu vực so với các mốc 2005, 2010, 2015.
- Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT:
- Phân tích độ nhạy của các thông số thủy văn.
- Kết quả so khớp giữa dòng chảy bình quân ngày tính toán và thực đo tại 5 trạm kiểm định (Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm) cho giai đoạn 2007–2010 và 2011–2014 đều đạt tiêu chuẩn theo chỉ số NSE và $R^2$.
- Kết quả đánh giá tác động đến dòng chảy theo các kịch bản:
- Thiết lập các tổ hợp kịch bản mô phỏng dòng chảy: kịch bản nền, kịch bản đơn lẻ (chỉ thay đổi thảm phủ hoặc chỉ biến đổi khí hậu theo RCP4.5/RCP8.5), và kịch bản kết hợp đồng thời (thay đổi thảm phủ 2030 + RCP4.5/RCP8.5 giai đoạn 2020–2039).
- Định lượng mức biến đổi dòng chảy năm tại các trạm thủy văn trên toàn lưu vực.
- Phân tích biến động dòng chảy mùa lũ: lượng dòng chảy mùa lũ và đỉnh lũ có xu thế gia tăng dưới tác động kép của lượng mưa cực đoan tăng và diện tích xây dựng mở rộng.
- Phân tích biến động dòng chảy mùa cạn: dòng chảy kiệt suy giảm tại hầu hết các trạm do lượng mưa mùa khô giảm và sự suy giảm diện tích rừng tự nhiên ở một số tiểu lưu vực.
- Phân tích chi tiết diễn biến phân bố dòng chảy tháng tại các trạm Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Dừa, phản ánh sự phân hóa sâu sắc của chế độ nước theo mùa.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới của luận án
- Đóng góp về phương pháp và mô hình hóa thảm phủ: Luận án đã xác định được hệ thống các tác nhân, yếu tố ràng buộc và xây dựng quy tắc chuyển đổi không gian phù hợp với điều kiện thực tế của lưu vực sông Cả (áp dụng kỹ thuật Delphi kết hợp logic mờ). Luận án đã mô phỏng sự thay đổi thảm phủ trong quá khứ và dự tính thảm phủ tương lai năm 2030 theo 05 lớp phủ chính (Rừng, Nông nghiệp, Xây dựng, Vùng nước, Đất trống) trên toàn bộ lưu vực liên quốc gia.
- Đóng góp về định lượng tác động thủy văn: Luận án đã đánh giá và lượng hóa được mức độ thay đổi dòng chảy bề mặt (dòng chảy năm, dòng chảy mùa lũ, dòng chảy mùa cạn và dòng chảy tháng) trên lưu vực sông Cả trong điều kiện biến đổi khí hậu (kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 giai đoạn 2020–2039) dưới tác động đồng thời của có hoặc không có sự thay đổi thảm phủ tương lai năm 2030. Kết quả chứng minh tác động kết hợp làm cho chế độ dòng chảy có xu hướng diễn biến khắc nghiệt hơn so với việc chỉ xét riêng lẻ từng yếu tố.
Đề xuất và kiến nghị ứng dụng
- Sử dụng bản đồ kịch bản thảm phủ năm 2030 làm căn cứ khoa học cho các cơ quan quản lý tại Nghệ An và Hà Tĩnh trong công tác quy hoạch sử dụng đất, bảo vệ và phát triển rừng đầu nguồn.
- Tích hợp kết quả dự tính dòng chảy mùa lũ và mùa cạn vào quy hoạch tổng thể tài nguyên nước lưu vực sông Cả, xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa và các giải pháp giảm nhẹ tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đến an ninh nguồn nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Luận án giới hạn đánh giá tác động biến đổi khí hậu thông qua 02 yếu tố chính là nhiệt độ và lượng mưa; chưa xét đến toàn bộ các yếu tố khí tượng khác hoặc tác động của nước biển dâng sâu vào vùng cửa sông.
- Nguồn số liệu thảm phủ và khí tượng thủy văn ở phần lưu vực thuộc thượng nguồn bên lãnh thổ Lào chủ yếu dựa trên dữ liệu viễn thám và mô hình tái phân tích, do mạng lưới quan trắc thực địa xuyên biên giới còn hạn chế.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng tích hợp các kịch bản kinh tế - xã hội chi tiết hơn trong việc xác định các quy tắc chuyển đổi thảm phủ.
- Nghiên cứu bổ sung tác động của hệ thống các công trình thủy công (hồ chứa thủy điện, công trình thủy lợi) kết hợp với kịch bản LULC và BĐKH để mô phỏng dòng chảy kiệt và dòng chảy lũ thực tế ở hạ lưu.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo về quy trình kết hợp công nghệ viễn thám đa thời gian (Landsat, Sentinel), mô hình CA-Markov và mô hình thủy văn bán phân bố SWAT trong nghiên cứu lưu vực sông liên quốc gia.
- Đối với các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý: Cung cấp bộ dữ liệu dự tính về diện tích 5 loại thảm phủ năm 2030 và các kịch bản biến đổi dòng chảy mặt giai đoạn 2020–2039 tại 2 tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh, hỗ trợ công tác lập quy hoạch sử dụng đất và quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Cả.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án phân chia thảm phủ lưu vực sông Cả thành những lớp nào và dựa trên căn cứ nào?
Luận án phân loại thảm phủ thành 05 lớp chính: (1) Rừng, (2) Nông nghiệp, (3) Xây dựng, (4) Vùng nước, và (5) Đất trống. Việc phân loại căn cứ vào Thông tư 08/2007/TT-BTNMT, đặc điểm phản xạ phổ của ảnh vệ tinh Landsat/Sentinel, mô hình số độ cao DEM và các chỉ số thực vật.
2. Phương pháp nào được sử dụng để mô phỏng và dự tính biến động thảm phủ năm 2030?
Tác giả sử dụng phương pháp tích hợp chuỗi Markov và Hệ tự hành dạng tế bào (Cellular Automata - CA). Chuỗi Markov tính toán ma trận xác suất và ma trận diện tích chuyển đổi từ dữ liệu giai đoạn 2005–2015. Mô hình CA phân bố không gian các lớp phủ dựa trên bản đồ tính phù hợp (xây dựng bằng phương pháp Delphi, quy tắc KAMET, phân tích AHP và logic mờ).
3. Mô hình thủy văn nào được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả?
Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được sử dụng. Lưu vực được phân chia thành các tiểu lưu vực và đơn vị phản ứng thủy văn (HRU) dựa trên sự kết hợp giữa địa hình (DEM), thổ nhưỡng và thảm phủ.
4. Dữ liệu khí tượng thủy văn được hiệu chỉnh và kiểm định tại những trạm nào trong giai đoạn nào?
Mô hình SWAT được hiệu chỉnh trong giai đoạn 2007–2010 và kiểm định trong giai đoạn 2011–2014 dựa trên số liệu dòng chảy bình quân ngày thực đo tại 5 trạm thủy văn: Yên Thượng, Hòa Duyệt, Dừa, Quỳ Châu và Sơn Diệm (cùng trạm Nghĩa Khánh tham gia đánh giá dòng chảy tháng). Độ chính xác được đánh giá qua hệ số Nash–Sutcliffe (NSE) và hệ số xác định ($R^2$).
5. Những kịch bản biến đổi khí hậu nào được áp dụng trong đánh giá dòng chảy tương lai?
Luận án áp dụng kịch bản nồng độ khí nhà kính đại diện RCP4.5 (phát thải trung bình) và RCP8.5 (phát thải cao) giai đoạn 2020–2039 theo Kịch bản Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, tập trung vào sự biến đổi của nhiệt độ và lượng mưa.
Kết luận
Luận án của NCS. Nguyễn Thanh Bằng đã thiết lập quy trình khoa học kết hợp công nghệ viễn thám, mô hình CA-Markov và mô hình SWAT để lượng hóa tác động đồng thời của biến động thảm phủ và biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Cả. Kết quả nghiên cứu đã dự tính bản đồ thảm phủ năm 2030 với 05 lớp phủ chính và xác định xu thế biến đổi của dòng chảy năm, dòng chảy lũ, dòng chảy cạn giai đoạn 2020–2039 theo các kịch bản RCP4.5 và RCP8.5. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu và luận cứ khoa học phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất và quản lý bền vững tài nguyên nước trên lưu vực sông Cả.
