Tài liệu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mặt của lưu vực sông cầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN XUÂN HÙNG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY MẶT LƯU VỰC SÔNG CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI – 2015 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................6 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 9 A. MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11 1. TÍNH CẤP THIẾT ....................................................................................................11 2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN .................................................................................12 3. CÁCH TIẾP CẬN .....................................................................................................12 4. PHẠM VI THỰC HIỆN ............................................................................................ 12 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN ..................................................................................... 13 B. NỘI DUNG LUẬN VĂN ........................................................................................ 14 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ....................................................................................... 14 1.1. BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ............................................................................................. 14 1.1.1 Khái niệm biến đổi khí hậu................................................................................14 1.1.2 Biến đổi khí hậu toàn cầu ..................................................................................14 1.1.3 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam .............................................................................17 1.1.4 Kịch bản biến đổi khí hậu ..................................................................................24 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC ..........................................................................................................26 1.3. GIỚI THIỆU LƯU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................. 29 1.3.1. Vị trí địa lý .........................................................................................................29 1.3.2. Địa hình - địa mạo ............................................................................................. 30 1.3.3. Đặc điểm địa chất .............................................................................................. 31 1.3.4. Thổ nhưỡng ........................................................................................................32 1.3.5. Thảm phủ thực vật ............................................................................................ 32 1.3.6. Đặc điểm khí hậu ............................................................................................... 33 1.3.7. Chế độ thủy văn và mạng lưới sông ngòi ........................................................ 34 1.3.8. Đặc điểm kinh tế - xã hội ..................................................................................37 CHƯƠNG II: SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................. 39 2.1. SỐ LIỆU .................................................................................................................39 2.1.1. Đặc điểm sử dụng nguồn số liệu .......................................................................39 2.1.2. Số liệu các trạm quan trắc ................................................................................39 2.1.3. Số liệu từ các mô hình ....................................................................................... 40 2.1.4. Các loại số liệu khác .......................................................................................... 43 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................................43 2.2.1. Phương pháp thống kê ...................................................................................... 43 2.2.2. Phương pháp mô hình ....................................................................................... 45 2.2.3. Phương pháp bản đồ và GIS ............................................................................56 CHƯƠNG III: BIỂU HIỆN CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN DÒNG CHẢY MẶT ...................................57 3.1. BIỂU HIỆN CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU ..........57 3.1.1. Biến đổi của nhiệt độ không khí .......................................................................57 3.1.2. Biến đổi của lượng mưa .................................................................................... 64 3.1.3. Biến đổi của hiện tượng khí hậu cực đoan ...................................................... 67 3.1.4. Biến đổi của một số yếu tố khí hậu đến năm 2033 theo kịch bản BĐKH.....69 3.2 TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY MẶT LƯU VỰC SÔNG CẦU ................................................................................................................... 71 3.2.1. Tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy năm .......................................72 3.2.2. Tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mùa lũ ...................................76 3.2.3. Tác động của BĐKH đến dòng chảy mùa cạn ................................................82 3.2.4. Biến đổi của dòng chảy mặt lưu vực sông Cầu theo kịch bản BĐKH (A1B) .......................................................................................................................................86 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .............................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 91 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu B1 (hoặc BI) Vùng khí hậu Tây Bắc B2 (hoặc BII) Vùng khí hậu Đông Bắc B3 (hoặc BIII) Vùng khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ B4 (hoặc BIV) Vùng khí hậu Bắc Trung Bộ F Diện tích Hmax Mực nước lớn nhất Hmin Mực nước nhỏ nhất IPCC Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change) KNK Khí nhà kính Lv Lưu vực M Module dòng chảy NNGG Nắng nóng gay gắt NN Nắng nóng N1 (hoặc NI) Vùng khí hậu Nam Trung Bộ N2 ( hoặc NII) Vùng khí hậu Tây Nguyên N3 (hoặc NIII) Vùng khí hậu Nam Bộ Tm Nhiệt độ không khí tối thấp Ttb Nhiệt độ không khí trung bình Tx Nhiệt độ không khí tối cao T1 Nhiệt độ không khí trung bình tháng 1 T7 Nhiệt độ trung không khí bình tháng 7 R Lượng mưa RĐ Rét đậm RH Rét hại Rx Lượng mưa cực đại Q Lưu lượng dòng chảy W Tổng lượng dòng chảy DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Lượng mưa trung bình (mm) thời kì 1961-1997 một số trạm trong lưu vực [1]............ 33 Bảng 1.2. Các đặc trưng của nhiệt độ không khí (0C) thời kì 1961-1997 [1].................................... 34 Bảng 1.3 Lưu lượng lớn nhất (m3/s) trong các tháng mùa lũ lưu vực sông Cầu [1] ........................ 36 Bảng 1.4. Lưu lượng nhỏ nhất (m3/s) trong các tháng mùa kiệt trên sông Cầu [1].......................... 37 Bảng 2.1 Trạm khí tượng và yếu tố quan trắc ....................................................................................... 39 Bảng 2.2 Trạm thủy văn và yếu tố quan trắc ......................................................................................... 40 Bảng 2.3 Trạm đo mưa nhân dân ............................................................................................................ 40 Bảng 2.4 Các thông số của mô hình NAM [9]...................................................................................... 50 Bảng 2.5 Đặc điểm của các vùng và các tiểu lưu vực [9] .................................................................... 54 Bảng 2.6 Bộ thông số của mô hình NAM đạt tiêu chuẩn WMO [9] .................................................. 55 Bảng 2.7 Diện tích và trọng số lượng mưa các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Cầu [8].................. 56 Bảng 3.1 Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Ttb, T1, T7 tại trạm trên lưu vực sông Cầu...................................................................................................................................................... 58 Bảng 3.2. Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Ttb, T1, T7 trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu ............................................................................................................... 58 Bảng 3.3. Hệ số góc a1 (0C/năm) đường xu thế tuyến tính của Tx trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu ............................................................................................................................... 61 Bảng 3.4. Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Tm trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu ............................................................................................................................... 63 Bảng 3.5. Hệ số góc a1 (mm/năm) đường xu thế tuyến tính của Rn trong hai thời đoạn tại các trạm và trung bình lưu vực (TB) trên lưu vực sông Cầu ...................................................................... 64 Bảng 3. 6. Hiệu lượng mưa trung bình tháng (mm) giữa thời đoạn 1994-2013 với thời đoạn 19741993 tại các trạm trên lưu vực sông Cầu ................................................................................................ 66 Bảng 3.7. Số ngày RĐ và RH trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu................... 67 Bảng 3.8. Giá trị Ttb, T1, T7 và hệ số góc của đường xu thế tuyến tính của Ttb, T1, T7 tại một số trạm trên lưu vực thời kì 2014-2033 ....................................................................................................... 70 Bảng 3. 9. Lượng mưa năm Rn (mm) và hệ số góc a1 (mm/năm) của đường xu thế tuyến tính lượng mưa năm tại một số trạm trong lưu vực sông Cầu thời đoạn 2014-2033............................... 70 Bảng 3.10. Hệ số góc (m3/s/năm) của xu thế tuyến tính lưu lượng nước đến tại các tiểu khu trong lưu vực thời kì 1974-2013 ........................................................................................................................ 72 Bảng 3.11. Hệ số góc (m3/s/năm) của xu thế tuyến tính lưu lượng nước tại các tiểu lưu vực trong lưu vực thời đoạn 1974-1993 và 1994-2013.......................................................................................... 74 Bảng 3.12. Các đặc trưng dòng chảy năm tại các tiểu lưu vực và trên toàn lưu vực ....................... 75 Bảng 3.13. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy mùa lũ.................................................................................... 77 Bảng 3.14. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy tháng lớn nhất mùa lũ.......................................................... 78 Bảng 3.15. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy 3 tháng liên tục lớn nhất trong mùa lũ .............................. 79 Bảng 3.16. Hệ số góc (cm/năm) của phương trình xu thế tuyên tính Hmax năm tại một số trạm trong lưu vực............................................................................................................................................... 81 Bảng 3.17. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy mùa cạn so với toàn năm .................................................... 83 Bảng 3.18. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy tháng nhỏ nhất mùa cạn so với toàn năm ......................... 84 Bảng 3.19. Thời gian và tỉ lệ dòng chảy 3 tháng liên tục nhỏ nhất trong mùa cạn........................... 85 Bảng 3.20. Hệ số góc của đường xu thế tuyến tính lưu lượng dòng chảy đến tại các tiểu lưu vực trong lưu vực thời đoạn 2014 - 2033....................................................................................................... 87 Bảng 3.21. Đặc trưng dòng chảy năm tại các tiểu lưu vực và lưu vực thời đoạn 2014-2033......... 88 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thay đổi nhiệt độ bề mặt Trái đất có tương quan chặt chẽ với sự thay đổi của nồng độ khí CO2 trong 400000 năm qua. Số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock [17]........................ 15 Hình 1.2 Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu [19] ......................................................... 15 Hình 1.3 Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng khác nhau trên thế giới [19].................................. 16 Hình 1.4 Diễn biến của mực nước biển trung bình toàn cầu [19]....................................................... 16 Hình 1.5 Hệ số góc (0C/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính Ttb tháng [17] ................................. 18 Hình 1.6 Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của R năm một số trạm [13]..................................... 19 Hình 1.7 Hệ số góc (mm/năm) của đường xu thế tuyến tính R năm [17]. ........................................ 19 Hình 1.8 Hệ số góc (0C/năm) của phương trình xu thế tuyến tính Tx thời kì 1961-2007 theo tháng tại các vùng khí hậu phía Bắc (phải), phía Nam (giữa) và Việt Nam (trái) [17]............................... 20 Hình 1.9 Hệ số góc (0C/năm) của phương trình xu thế tuyến tính Tm thời kì 1961-2007 theo tháng tại các vùng khí hậu phía Bắc (giữa), phía Nam (phải) và Việt Nam (trái) [18].................... 20 Hình 1.10 Hệ số góc (mm/năm) của phương trình xu thế tuyến Rx thời kì 1961-2007 tại các vùng khí hậu phía Bắc (giữa), phía Nam (phải) và Việt Nam (trái) [17]..................................................... 21 Hình 1.11 Số ngày RĐ, RH một số trạm trên các vùng khí hậu phía Bắc [17] ................................ 22 Hình 1.12 Trung bình số ngày nắng nóng trong năm tại một số trạm khí tượng [17] ..................... 23 Hình 1.13 Hệ số góc (ngày/năm) của phương trình xu thế tuyến tính số ngày mưa lớn tại một số trạm khí tượng xây dựng từ chuỗi số liệu thời kì 1961-2007 [17]...................................................... 23 Hình 1.14 Bốn họ kịch bản với các nội dung được minh họa bằng cây hai chiều. Hai chiều đó là kinh tế hoặc môi trường, toàn cầu hoặc khu vực [2]............................................................................. 24 Hình 1.15 Bản đồ lưu vực sông Cầu [9]................................................................................................. 30 Hình 2.1 Scripfile của OpenGraDS......................................................................................................... 42 Hình 2.2 Giao diện của phần mềm OpenGrADS ................................................................................. 42 Hình 2.3 Cấu trúc của mô hình NAM [9] .............................................................................................. 49 Hình 2.4 Bản đồ phân vùng và các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Cầu [9]...................................... 53 Hình 3.1 Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Ttb, T1, T7 tính từ chuỗi số liệu quan trắc thời kì 1974-2013 tại các trạm trên lưu vực sông Cầu......................................................... 57 Hình 3.2. Đường thẳng biểu thị xu thế biến đổi của Ttb, T1 và T7 trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu ............................................................................................................................... 59 Hình 3.3 Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Tx tính từ chuỗi số liệu quan trắc thời kì 1974-2013 tại các trạm trên lưu vực sông Cầu.......................................................................... 60 Hình 3.4. Đường thẳng biểu thị xu thế biến đổi của Tx trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu .............................................................................................................................................. 61 Hình 3. 5. Hệ số góc a1 (0C/năm) của đường xu thế tuyến tính Tm tính từ chuỗi số liệu quan trắc thời kì 1974-2013 tại các trạm trên lưu vực sông Cầu.......................................................................... 62 Hình 3. 6. Đường thẳng biểu thị xu thế biến đổi của Tm trong hai thời đoạn tại các trạm trên lưu vực sông Cầu .............................................................................................................................................. 63 Hình 3.7. Hệ số góc a1 (mm/năm) đường xu thế tuyến tính của Rn tính từ chuỗi số liệu quan trắc thời kì 1974-2013 tại các trạm trên lưu vực sông Cầu.......................................................................... 64 Hình 3.8. Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của lượng mưa năm một số trạm trên lưu vực sông Cầu thời kì quan trắc.................................................................................................................................. 65 Hình 3.9. Phân bố lượng mưa tháng trong năm tại một số trạm trong lưu vực sông Cầu thời đoạn 1974-1993 (hình bên trái) và thời đoạn 1993-2013 (hình bên phải)................................................... 66 Hình 3. 10. Hệ số góc a1 (ngày/năm) của đường xu thế tuyến tính số ngày mưa lớn (R≥50 mm) trong năm thời kì 1974 -2013 tại một số trạm trên lưu vực sông Cầu................................................ 68 Hình 3.11. Đường thẳng biểu thị xu thế biến đổi của Ttb, T1 và T7 trong thời đoạn 2014-2033 theo kịch bản BĐKH tại các trạm trên lưu vực sông Cầu.................................................................... 69 Hình 3.12. Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của lượng mưa năm(mm) một số trạm trên lưu vực sông Cầu thời kì 2014 -2033 ............................................................................................................ 71 Hình 3.13. Hệ số góc của đường xu thế tuyến tính lưu lượng dòng chảy đến thời kì 1974-2013 tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu ......................................................................................................... 72 Hình 3.14. Chuỗi thời gian và xu thế biến đổi tuyến tính của lưu lượng nước tại các tiểu lưu vực thời đoạn 1974-1993 và thời đoạn 1994-2013 ...................................................................................... 73 Hình 3.15. Q (m3/s) tại các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Cầu trong các thời đoạn ...................... 76 Hình 3.16. Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của Qmax năm trạm Gia Bảy............................... 80 Hình 3.17. Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của Hmax năm một số trạm thủy văn ................. 81 Hình 3.18. Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của lưu lượng dòng chảy mặt tại các tiểu lưu vực thời đoạn 2014-2033 theo kịch bản BĐKH (A1B) .............................................................................. 86 Hình 3.19. Q năm (m3/s) tại các tiểu lưu vực trong các thời đoạn ...................................................... 87 Hình 3.20. Q (m3/s), M (l/skm2) và W (109m3) toàn lưu vực trong các thời đoạn ........................... 88 A. MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT BĐKH là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21. Thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan khác đang gia tăng ở hầu hết các nơi trên thế giới. Theo tính toán của Bộ Tài nguyên và Môi trường [3], ở Việt Nam trong khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm đã tăng khoảng 0,5 đến 0,70C, mực nước biển dâng khoảng 20cm. BĐKH thực sự đã làm cho thiên tai, đặc biệt là bão, lũ, hạn hán ngày càng nghiêm trọng. Theo kịch bản BĐKH và nước biển dâng, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên đến 30C và mực nước biển có thể dâng lên 1 mét vào năm 2100 [2]. Số liệu quan trắc cũng cho thấy, chu trình thủy văn đã thay đổi trong vài thập niên gần đây, như gia tăng hàm lượng hơi nước trong khí quyển, mưa thay đổi cả về lượng, cường độ và cực trị mưa, đặc biệt là thay đổi dòng chảy trong các lưu vực sông [13]. Theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), vào giữa thế kỷ 21, BĐKH sẽ làm cho dòng chảy năm trung bình của các sông suối sẽ tăng lên ở các khu vực vĩ độ cao và một vài khu vực nhiệt đới ẩm, nhưng giảm ở một số khu vực vĩ độ trung bình và khu vực nhiệt đới khô [3]. Việt Nam được đánh giá là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của BĐKH [5]. Lưu vực sông Cầu là một lưu vực lớn có dòng chảy dồi dào, cung cấp nước cho cả một khu vực rộng lớn, bao gồm toàn bộ hoặc một phần lãnh thổ của nhiều tỉnh, trong đó có các vùng tập trung đông dân cư, vùng kinh tế, khu công nghiệp trọng điểm như thành phố Thái Nguyên, tỉnh Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và một số huyện của Hà Nội như Đông Anh, Mê Linh… đã đang và sẽ phải hứng chịu những tác động của BĐKH. Điều này, có thể ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và đa dạng sinh học trên lưu vực. Tuy vậy, tính đến thời điểm hiện tại, chưa có nghiên cứu, đánh giá nào về tác động của BĐKH đến dòng chảy trên lưu vực sông Cầu. Trước thực tế đó, chúng tôi đã chọn đề tài "Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mặt lưu vực sông Cầu" nhằm đưa ra những bằng chứng về BĐKH và tác động của BĐKH đến dòng chảy mặt trên lưu vực, góp phần vào cơ sở dữ liệu về BĐKH và tác động của BĐKH trên lưu vực sông Cầu giúp đưa ra những giải pháp ứng phó kịp thời. 2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN a. Mục tiêu tổng quát: Đưa ra các đánh giá định tính, định lượng về sự thay đổi của các đặc trưng của dòng chảy mặt dưới tác động của biến đổi khí hậu. b. Mục tiêu cụ thể: - Đánh giá được tình hình BĐKH trên lưu vực sông Cầu thông qua một số yếu tố khí hậu cơ bản như nhiệt độ, lượng mưa và một số yếu tố khí hậu khác; - Đánh giá được mức độ tác động của BĐKH đến các đặc trưng của dòng chảy mặt như: lưu lượng dòng chảy đến, tổng lượng dòng chảy, mực nước đỉnh lũ... theo thời gian từ trong quá khứ, hiện tại đến tương lai. 3. CÁCH TIẾP CẬN Luận văn áp dụng các cách tiếp cận sau: - Tiếp cận theo không gian và thời gian: BĐKH gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan, tăng tần suất thiên tai và mực nước biển dâng, xâm nhập mặn. Các ảnh hưởng của sự thay đổi này thường diễn ra trên diện rộng, mức độ và phạm vi ảnh hưởng thay đổi theo không gian và thời gian. Do đó để nhận định quy mô ảnh hưởng của BĐKH đến tài nguyên nước cần tiếp cận theo không gian và thời gian. - Tiếp cận hệ thống: Chúng ta xem xét tác động của BĐKH, các đối tượng chịu tác động là một hệ thống nhất tự nhiên - kinh tế - xã hội, trong đó mọi thành phần của hệ thống này có quan hệ chặt chẽ với nhau, mọi biến động của từng thành phần trong hệ thống đều có tác động đến các thành phần khác. Các đặc trưng dòng chảy mặt có liên quan rất chặt chẽ với nhau và phụ thuộc mạnh mẽ vào các điều kiện tự nhiên nói chung, khí tượng-khí hậu nói riêng. Do đó, xu thế BĐKH gây nên những tác động có tính chất quyết định tới các cấu phần còn lại của hệ thống. 4. PHẠM VI THỰC HIỆN - Luận văn Luận văn không nghiên cứu xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu. Luận văn chỉ thu thập số liệu và tổng quan các kịch bản dựa trên các nghiên cứu đã và đang được tiến hành. - Luận văn tập trung nghiên cứu tình hình BĐKH trên lưu vực sông Cầu và các tác động của nó đến các đặc trưng của dòng chảy mặt theo quy mô không gian và thời gian. 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Luận văn, ngoài phần mở đầu, kết luận và khuyến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục, được bố cục thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan Trong chương 1 gồm có ba nội dung: (1) Tổng quan về BĐKH; (2) Tổng quan các nghiên cứu có liên quan; (3) Tổng quan về lưu vực sông Cầu. Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu Trong chương này đề cập hai vấn đề, đó là số liệu sử dụng trong Luận văn và nội dung các phương pháp nghiên cứu trong Luận văn. Chương 3: Biểu hiện của biến đổi khí hậu trên lưu vực sông Cầu và tác động của nó đến dòng chảy mặt Trong chương 3 bao gồm 2 nội dung chính: (1) tình hình BĐKH trên lưu vực sông Cầu, trong đó xem xét sự biến đổi của lượng mưa, nhiệt độ không khí và một số yếu tố cực trị, hiện tượng thời tiết cực đoan… về mức độ, xu thế biến đổi và tính chất biến đổi của các yếu tố đó trong các thời kỳ từ quá khứ, hiện tại và tương lai. (2) đánh giá tác động của BĐKH đến dòng chảy mặt trên lưu vực sông Cầu, trong đó xem xét tác động của các yếu tố khí hậu đến sự biến đổi của các đặc trưng dòng chảy mặt như lưu lượng nước, module dòng chảy, tổng lượng dòng chảy mặt …, trong các thời kì (quá khứ, hiện tại và tương lai). B. NỘI DUNG LUẬN VĂN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1.1 Khái niệm biến đổi khí hậu Theo IPCC [19], BĐKH là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến động của các thuộc tính của nó, được duy trì trong một thời gian đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn. Nói cách khác, nếu coi trạng thái cân bằng của hệ thống khí hậu là điều kiện thời tiết trung bình và những biến động của nó trong khoảng vài thập kỷ hoặc dài hơn, thì BĐKH là sự biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác của hệ thống khí hậu. BĐKH được nhận biết thông qua sự gia tăng của nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu. Biểu hiện của BĐKH còn được thể hiện qua sự dâng mực nước biển, hệ quả của sự tăng nhiệt độ toàn cầu. 1.1.2 Biến đổi khí hậu toàn cầu 1) Biến đổi khí hậu trong các thời kì địa chất Những bằng chứng thu được qua các thời kì địa chất khác nhau cho thấy sự biến đổi của khí hậu Trái đất trong quá khứ là rất sâu sắc [17]. Trong các thời kì lịch sử, dấu hiệu của BĐKH được thể hiện qua: Những mẫu phấn hoa ở các lớp than bùn trong các bãi lầy vốn là rừng xa xưa; trong các mẫu trầm tích đáy biển, san hô cổ; trong các lõi băng ở Greenland và Nam Cực; trong sự biến đổi trạng thái của hồ và sông, trong sự biến đổi của độ dày, thưa của các vân cây, … (hình 1.1). Trong các tài liệu, như các biên niên sử, có ghi những hiện tượng biến động của thời tiết và khí hậu, trạng thái của sông ngòi và về mùa màng. Ngoài ra, còn có cả các truyện truyền khẩu, sáng tác văn học, các tài liệu kiến trúc cổ chỉ những điều kiện sống và những kết quả hoạt động của con người với mức độ nhất định phụ thuộc vào khí hậu. Từ khoảng hai ba trăm năm gần đây đã bắt đầu thời đại quan trắc khí tượng bằng dụng cụ, tuy còn ít và các quan trắc chưa hoàn hảo. Hiện nay đối với nhiều trạm trên thế giới chúng ta đã có dãy số liệu của nhiệt độ và giáng thuỷ với chuỗi thời gian kéo dài khoảng 100 đến 200 năm và thậm chí còn dài hơn nữa. Hình 1.1 Thay đổi nhiệt độ bề mặt Trái đất có tương quan chặt chẽ với sự thay đổi của nồng độ khí CO2 trong 400000 năm qua. Số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock [17] 2) Biến đổi khí hậu hiện đại Theo báo cáo đánh giá lần thứ tư của IPCC năm 2007, nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng khoảng 0,74oC trong thời kì 1906 - 2005 và tốc độ tăng của nhiệt độ trong 50 năm gần đây gần gấp đôi so với 50 năm trước đó (hình 1.2). Nhiệt độ trên lục địa tăng nhanh hơn so với trên đại dương. Hình 1.2 Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu [19] Trong 100 năm qua, lượng mưa có xu hướng tăng ở khu vực vĩ độ cao hơn 30 o. Tuy nhiên, lượng mưa lại có xu hướng giảm ở khu vực nhiệt đới từ giữa những năm 1970 (hình 1.3). Hiện tượng mưa lớn có dấu hiệu tăng ở nhiều khu vực trên thế giới. Hình 1.3 Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng khác nhau trên thế giới [19] Hình 1.4 Diễn biến của mực nước biển trung bình toàn cầu [19] Mực nước biển toàn cầu đã tăng trong thế kỷ 20 với tốc độ ngày càng cao (hình 1.4). Hai nguyên nhân chính làm tăng mực nước biển là sự giãn nở vì nhiệt của nước biển và sự tan băng. Số liệu quan trắc mực nước biển trong thời kì 1961 - 2003 cho thấy tốc độ tăng của mực nước biển trung bình toàn cầu khoảng 1,8 ± 0,5 mm/năm, trong đó đóng góp do giãn nở vì nhiệt khoảng 0,42 ± 0,12 mm/năm và tan băng khoảng 0,70 ± 0,50 mm/năm [7]. Số liệu đo đạc từ vệ tinh TOPEX/POSEIDON trong giai đoạn 1993 - 2003 cho thấy tốc độ tăng của mực nước biển trung bình toàn cầu là 3,1 ± 0,7 mm/năm, nhanh hơn đáng kể so với thời kì 1961 - 2003 [7]. Theo Báo cáo của IPCC, 2013 [20], nhiệt độ trung bình toàn cầu vào cuối thế kỷ 21 có thể tăng 1,50C so với thời kì 1850 - 1900. Băng quyển tiếp tục tan chảy và mỏng đi, mực nước biển trung bình toàn cầu tiếp tục gia tăng trong thế kỷ 21, nhiệt độ các đại dương vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới ở Bắc bán cầu tính từ bề mặt đến độ sâu 100 m tăng lên khoảng 0,6 - 20C và khoảng 0,30C ở độ sâu 1000m. 1.1.3 Biến đổi khí hậu ở Việt Nam Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về BĐKH được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nên đã đạt được những kết quả khả quan. Những kết quả nghiên cứu này chủ yếu tập trung đánh giá, phân tích sự biến đổi trung bình, cực trị của một số yếu tố khí hậu cơ bản và một số hiện tượng khí hậu cực đoan trên cơ sở chuỗi số liệu quan trắc trong lãnh thổ Việt Nam [16]. Những kết quả nghiên cứu đó có thể tóm tắt như sau: 1) Biến đổi của một số yếu tố khí hậu cơ bản a. Biến đổi của nhiệt độ trung bình: Trong nửa cuối thế kỷ 20 (1951 - 2000), nhiệt độ trung bình năm ở Việt Nam đã tăng lên khoảng 0,50C. Nhiệt độ trung bình năm thời kì 1961- 2000 cao hơn trung bình năm của thời kì 1931- 1960. Nhiệt độ trung bình năm của thập kỷ 1991- 2000 ở Hà Nội, Đà Nẵng, thành phố Hồ Chí Minh đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931- 1940 lần lượt là 0,8; 0,4 và 0,60C. Năm 2007, nhiệt độ trung bình năm ở cả 3 nơi trên đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931 - 1940 khoảng từ 0,7 - 1,30C và cao hơn thập kỷ 1991 - 2000 khoảng 0,4 - 0,50C [17]. So với thời kì 1961 - 1990, nhiệt độ trung bình năm cũng như nhiệt độ trung bình tháng 1 và tháng 7 thời kì 1991 - 2007 đều tăng lên một cách khá rõ trên tất cả các vùng khí hậu. Tốc độ tăng của nhiệt độ tháng 1 trên các vùng khí hậu có sự khác biệt nhiều giữa các vùng cũng như giữa các trạm trong từng vùng. Xu thế tăng của nhiệt độ tháng 1 trên các vùng B1 và N2 lớn hơn so với các vùng khác, xu thế tăng ít nhất thuộc các vùng N1 và N3. Xu thế tăng của nhiệt độ trung bình tháng 7 lớn nhất ở các vùng N2, N3, B4, và tăng ít ở các vùng B1 - B3. Có sự khác biệt lớn về tốc độ tăng giữa các trạm trên vùng N3 và N1. Trong năm, tính trung bình trên cả nước, tốc độ tăng của nhiệt độ mùa đông lớn hơn mùa hè (hình 1.5). Nhiệt độ tăng nhiều nhất vào tháng 1 và tháng 2 với mức tăng trên 0,30C/thập kỷ. Về mùa hè, nhiệt độ tăng nhiều nhất vào tháng 6 và ít nhất vào tháng 5. Mức tăng của nhiệt độ tháng 6 tương đương với các tháng 10, 11, khoảng trên 0,20C/thập kỷ. Hình 1.5 Hệ số góc (0C/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính Ttb tháng [17] b. Biến đổi của lượng mưa tháng và năm: Biến đổi của lượng mưa nói chung phức tạp hơn nhiều so với sự biến đổi của nhiệt độ. Các chuỗi số liệu đều bộc lộ tính biến động mạnh của lượng mưa giữa các năm và đạt cực đại hoặc cực tiểu sau từng khoảng thời gian nào đó không ổn định và không nhất quán giữa các trạm (hình 1.6). Xu thế biến đổi của lượng mưa năm cũng không giống nhau giữa các trạm (hình 1.7). Mặc dù vậy, có thể nhận thấy dấu hiệu khá rõ của sự giảm lượng mưa trên các vùng khí hậu phía Bắc, trừ phía Nam của Bắc Trung Bộ, và tăng lượng mưa ở các vùng khí hậu phía Nam, nhất là ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên (trung bình khoảng 1,5 mm/năm). Lượng mưa mùa đông (các tháng 12, 1, 2) có dấu hiệu giảm hoặc không biến đổi trên hầu hết các vùng khí hậu, nhưng lại thể hiện xu thế tăng rõ ở Nam Trung Bộ và một số trạm phía nam vùng Bắc Trung Bộ. Xu thế biến đổi của lượng mưa các tháng mùa hè (6, 7, 8) khá phức tạp, không nhất quán và có sự biến động mạnh trên các vùng cũng như trong từng vùng. Có dấu hiệu xu thế tăng lượng mưa mùa hè ở các vùng N2 và N3. Biến đổi của lượng mưa mùa xuân (các tháng 3, 4, 5) nói chung không đáng kể, trong khi lượng mưa mùa thu (các tháng 9, 10, 11) biến đổi khá rõ: Giảm ở các vùng B2, B3, B4, tăng mạnh ở vùng N1 và ít biến đổi ở các vùng B1, N2, N3. Hình 1.6 Chuỗi thời gian và xu thế tuyến tính của R năm một số trạm [13]. Hình 1.7 Hệ số góc (mm/năm) của đường xu thế tuyến tính R năm [17]. 2) Biến đổi của một số yếu tố cực trị: a. Biến đổi của nhiệt độ cực đại (Tx): Trên phạm vi cả nước nhiệt độ cực đại có xu thế tăng trong tất cả các tháng (hình 1.8). Nhiệt độ cực đại mùa đông (từ tháng 11-4 4) tăng mạnh hơn nhiệt độ cực đại mùa hè (từ tháng 5 - 10). Tx tăng nhiều nhất vào tháng 1 và tăng ít nhất vào tháng 5. Ở phía Bắc, trừ vùng Tây Bắc, nói chung xu thế tăng của Tx vào các tháng mùa đông lớn hơn một cách đáng kể so với các tháng mùa hè, trong khi ở phía nam, trừ vùng Tây Nguyên, xu thế tăng mạnh hơn xảy ra vào các tháng nửa cuối của năm (từ tháng 7 - 12). Tính trung bình, Tx tháng 1 tăng với tốc độ khoảng +0,40C/thập kỷ ở các vùng khí hậu phía Bắc, +0,10C/thập kỷ ở các vùng khí hậu phía Nam. Còn đối với Tx tháng 7 các giá trị tương ứng là +0,040C/thập kỷ và +0,10C/thập kỷ [16]. Điều này có nghĩa là mùa đông ấm lên khá nhanh còn mùa hè nhìn chung ít biến đổi. Hình 1.8 Hệ số góc (0C/năm) của phương trình xu thế tuyến tính Tx thời kì 1961-2007 theo tháng tại các vùng khí hậu phía Bắc (phải), phía Nam (giữa) và Việt Nam (trái) [17] b. Biến đổi của nhiệt độ cực tiểu (Tm): Xu thế tăng của nhiệt độ cực tiểu diễn ra một cách đồng đều trên các vùng khí hậu (hình 1.9). Biểu hiện tốc độ gia tăng mạnh nhất có thể nhận thấy ở các vùng Tây Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ, và tăng ít hơn ở các vùng còn lại. Trong năm, Tm tăng nhanh hơn vào những tháng mùa đông, tăng chậm hơn vào các tháng mùa hè (trừ tháng 6). Ở các vùng khí hậu phía Bắc, Tm tăng mạnh vào các tháng 1, 2 và 6, nhất là vùng B1, trong khi ở phía Nam Tm tăng nhiều hơn trong các tháng 12, 1, 2, 3 và 4, nhất là vùng N2. Trung bình, Tm tháng 1 tăng với tốc độ khoảng +0,50C/thập kỷ ở các vùng khí hậu phía Bắc, +0,30C/thập kỷ ở các vùng khí hậu phía Nam. Đối với tháng 7 các giá trị tương ứng là +0,20C/thập kỷ và +0,20C/thập kỷ [13]. Hình 1.9 Hệ số góc (0C/năm) của phương trình xu thế tuyến tính Tm thời kì 1961-2007 theo tháng tại các vùng khí hậu phía Bắc (giữa), phía Nam (phải) và Việt Nam (trái) [18] c. Biến đổi của lượng mưa ngày cực đại (Rx) Hầu hết các trạm trên lãnh thổ Việt Nam đều có xu thế tăng Rx, trừ một số trạm có xu thế giảm. Sự biến đổi của lượng mưa ngày cực đại thể hiện tính biến động mạnh giữa các tháng và trên các vùng khí hậu (hình 1.10). Ở phía Bắc, vùng B2 có xu thế tăng mạnh trong một vài tháng như tháng 3, 5, 6, tăng rất mạnh vào tháng 7 và 9, nhưng có dấu hiệu giảm trong tháng 8 và tháng 10. Vùng B4 cũng có xu thế tăng nhiều trong các tháng 8, 10, 11, 12. Tuy nhiên Rx thể hiện rõ xu thế giảm ở vùng B1 trong tháng 9, tháng 10, ở vùng B3 trong tháng 5, tháng 10, ở vùng B4 trong tháng 6, 7, 9. Ở phía Nam, Rx có xu thế tăng mạnh trong các tháng mùa mưa (từ tháng 8 đến tháng 12) ở vùng N1, trong tháng 3, 8, 9 ở vùng N2, trong tháng 12 ở vùng N3. Xu thế giảm Rx chủ yếu xảy ra trên vùng N3 nhưng với mức độ không lớn lắm trong các tháng 6, 9, 10. Xét chung cho toàn Việt Nam, Rx đều có xu thế tăng lên ở hầu hết các tháng, trừ tháng 6. Mức độ tăng mạnh của Rx đều xảy ra vào các tháng mùa mưa là tháng 8, 10, 11, 12. Tháng 1 có sự biến động nhỏ nhất của Rx [17]. Hình 1.10 Hệ số góc (mm/năm) của phương trình xu thế tuyến Rx thời kì 1961-2007 tại các vùng khí hậu phía Bắc (giữa), phía Nam (phải) và Việt Nam (trái) [17] 3) Biến đổi của một số hiện tượng khí hậu cực đoan a. Biến đổi của front lạnh Theo Nguyễn Đức Ngữ và Nguyễn Trọng Hiệu [7], trong thập kỷ 1961 - 1970 có 268 đợt front lạnh qua Bắc Bộ. Sang thập kỷ 1971 - 1980 có đến 288 đợt và giữ nguyên trong thập kỷ 1981 - 1990. Thập kỷ 1991 - 2000 số front lạnh qua Bắc Bộ chỉ còn 249 đợt, thấp hơn cả thập kỷ 1961 - 1970. Như vậy số lượng front lạnh hoạt động hàng năm có xu thế giảm, nhưng xu thế này trên thực tế chỉ bắt đầu vào thập kỷ 1971 - 1980. b. Biến đổi của hiện tượng rét đậm, rét hại: Rét đậm (rét hại) là hiện tượng nhiệt độ trung bình ngày hạ thấp xuống dưới 15 oC (13oC). Sự xuất hiện rét đậm, rét hại có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, gia súc, gia cầm cũng như các hoạt động sản xuất nói chung. Ở Việt Nam, rét đậm, rét hại chủ yếu xuất hiện vào những tháng mùa đông trên các vùng khí hậu phía Bắc (B1-B4). Ở các vùng khí hậu phía Nam hầu như ít khi xảy ra hiện tượng này, trừ những vùng núi cao. Trong năm, trừ một số trạm núi cao như Sa Pa, nhìn chung số ngày rét đậm dao động trong khoảng 20-40 ngày/năm, số ngày rét hại khoảng 10-15 ngày/năm, nhiều nhất ở Đông Bắc, sau đó đến Tây Bắc và Đồng bằng Bắc Bộ, và giảm dần cho đến các trạm phía nam của Bắc Trung Bộ (hình 1.11). Hình 1.11 Số ngày RĐ, RH một số trạm trên các vùng khí hậu phía Bắc [17] c. Biến đổi của nắng nóng: Nắng nóng là hiện tượng thời tiết được xác định bởi nhiệt độ cực đại ngày vượt quá ngưỡng 350C. Nếu nhiệt độ cực đại ngày vượt quá ngưỡng 370C được gọi là nắng nóng gay gắt. Hiện tượng nắng nóng ở nước ta xảy ra thường gắn liền với hiện tượng “fơn” (foehn) nên độ ẩm tương đối hạ xuống khá thấp, do đó, nắng nóng nhiều khi đồng nghĩa với khô nóng. Nói chung nắng nóng xuất hiện trên hầu khắp lãnh thổ, trừ những trạm núi cao như Sa Pa, Đà Lạt. Tuy nhiên tần suất xuất hiện nắng nóng nhiều nhất ở các vùng Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ (hình 1.12). Ở Bắc Trung Bộ, trung bình trong năm có khoảng 50-60 ngày nắng nóng. Ở Nam Trung Bộ ít hơn một chút, khoảng 40-50 ngày/năm.