Tài liệu Nghiên cứu tác động của bđkh đến cân bằng nước lưu vực sông kôn hà thanh

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG KÔN – HÀ THANH LÊ THỊ HẠNH CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MÃ SỐ: 62440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGÔ LÊ AN HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Ngô Lê An Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyên Kiên Dũng Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Bùi Nam Sách Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 26 tháng 12 năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Thị Hạnh LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập và nghiên cứu khoa học cùng các anh chị em học viên Lớp Cao học Thủy văn CH-2AT (khóa 2016 - 2018) tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, đến nay em đã hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Với tấm lòng chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn: - Các thầy cô và các cán bộ làm công tác quản lý Khoa Khí tượng Thủy văn, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành chương trình Cao học và luận văn tốt nghiệp. - Các đồng chí Lãnh đạo Trung tâm Mạng lưới khí tượng thủy văn và môi trường, lãnh đạo Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học này. Cảm ơn các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong công tác để tôi có thời gian học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp tại Trường Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. - Các cán bộ Phòng Thông tin và dữ liệu, Phòng Quản lý Mạng lưới Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, Phòng Chỉnh lý và Bảo quản tư liệu khí tượng thủy văn Trung tâm Thông tin và Dữ liệu khí tượng thủy văn đã giúp đỡ tôi thập dữ liệu trong quá trình thực hiện luận văn của mình. - Các anh chị em học viên, sinh viên của Trường Đại học Thủy lợi và anh chị em học viên Lớp Cao học Thủy văn CH-2AT Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi vững tâm phấn đấu trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. - Đặc biệt là PGS.TS Ngô Lê An Trường Đại học Thủy lợi, người thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp; kết quả đạt được trong luận văn này là những kiến thức khoa học quý báu mà thầy đã giành nhiều thời gian và tâm huyết của mình để hướng dẫn, chỉ bảo em trong thời gian qua. Do thời gian có hạn, số liệu thực đo cũng chưa được đầy đủ như mong muốn và khảo năng nghiên cứu còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh được những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, đồng nghiệp và những người quan tâm. THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Lê Thị Hạnh Lớp: CH - 2AT Khóa: II Năm học: 2016 - 2018 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Lê An Tên đề tài: Nghiên cứu tác động của BĐKH đến cân bằng nước lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. Luận văn được thực hiện trong 70 trang bao gồm ba chương chính: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Trong chương 1, đã đưa ra một số nghiên cứu về tác động của BĐKH đến dòng chảy trên thế giới và Việt Nam. Hiện trạng hệ thống công trình trên sông Kôn - Hà Thanh và nhu cầu sử dụng nước. Phân tích lựa chọn mô hình tính toán. Chương 2: Thiết lập mô hình toán và xây dựng cơ sở dữ liệu. Mô phỏng dòng chảy đến các nhánh sông bằng mô hình NAM. Xác định nhu cầu sử dụng nước mà ở đây chủ yếu là nhu cầu sử dụng nước dùng cho nông nhiệp ở hiện trạng và nhu cầu nước với kịch bản BĐKH. Từ đó thiết lập mô hình cân bằng nước WEAP. Chương 3: Đánh giá biến đổi khí hậu tới cân bằng nước. Tác động của BĐKH đến dòng chảy đến trên lưu vực theo các kịch bản tính toán khác nhau và tác động của BĐKH đến nhu cầu sử dụng nước. Tác động của BĐKH đến cân bằng nước kịch bản hiện trạng và theo kịch bản BĐKH trên lưu vực. Từ đó đưa ra cái nhìn về vấn đề cân bằng nước của lưu vực đối với hiện trạng và BĐKH. MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 3 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. 6 MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 11 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH tới tài nguyên nước..... 11 1.1.1. Các nghiên cứu về tác động của BĐKH đến dòng chảy ........................... 11 1.1.2. Các nghiên cứu về cân bằng nước và tác động của BĐKH đến cân bằng nước lưu vực sông. .............................................................................................. 12 1.1.3. Biểu hiện của BĐKH ................................................................................ 14 1.2. Đặc điểm lưu vực nghiên cứu ...................................................................... 17 1.2.1. Khái quát chung về hệ thống lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ................... 17 1.2.2. Đặc điểm địa hình, khí tượng, thủy văn .................................................... 19 1.2.3. Hiện trạng hệ thống công trình trên sông Kôn – Hà Thanh ...................... 27 1.3. Phân tích lựa chọn kịch bản BĐKH và dữ liệu ............................................ 28 1.4. Phân tích lựa chọn mô hình tính toán........................................................... 28 1.4.1. Mô hình NAM ........................................................................................... 29 1.4.2. Mô hình CROPWAT ................................................................................. 31 1.4.3. Mô hình WEAP ......................................................................................... 32 CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ............................................................................................................. 35 2.1. Mô phỏng dòng chảy đến các nhánh sông ................................................... 35 2.2. Xác định nhu cầu sử dụng nước ................................................................... 43 1 2.2.1. Nhu cầu nước với kịch bản hiện trạng ...................................................... 43 2.2.2. Nhu cầu nước với kịch bản biến đổi khí hậu ........................................... 52 2.3. Thiết lập mô hình cân bằng nước ................................................................ 53 2.3.1. Lập sơ đồ tính toán cân bằng nước trên sông Kôn - Hà Thanh .............. 53 2.3.2. Dữ liệu cần thiết ....................................................................................... 54 2.4. Xây dựng các kịch bản tính toán cân bằng nước ........................................ 57 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỚI CÂN BẰNG NƯỚC .... 58 3.1. Tác động của BĐKH đến dòng chảy đến trên lưu vực ................................ 58 3.2. Tác động của BĐKH đến nhu cầu sử dụng nước......................................... 58 3.3. Tác động của BĐKH đến cân bằng nước trên lưu vực ................................ 60 3.3.1. Cân bằng nước kịch bản hiện trạng........................................................... 60 3.3.2. Cân bằng nước theo kịch bản BĐKH....................................................... 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 69 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích BĐKH Biến đổi khí hậu NBD Nước biển dâng RCP Đường nồng độ khí nhà kính đại diện KB Kịch bản GHG Khí nhà kính (Green House Gas-GHG) TCXDVN 33-2006 Nedbor – Astromning – Model: có nghĩa là mô hình mưa - dòng chảy Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực thế giới – FAO sử dụng để tính toán nhu cầu nước tưới Water Evaluation and Planning System là một mô hình kết hợp giữa việc mô phỏng hệ thống và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 33-2006 TCVN 4454 -1987 Tiêu chuẩn Việt Nam 4454 - 1987 DT1 (DT2, DT3...) Diện tích 1 (diện tích 2, diện tích 3…) NN1 (NN2, NN3…) Nông nghiệp 1 (nông nghiệp 2, nông nghiệp 3…) NNTN CN1 (CN2, CN3…) MT1 (MT2, MT3…) Nông nghiệp Thuận Ninh Công nghiệp 1 (công nghiệp 2, công nghiệp 3…) Môi trường 1 (môi trường 2, môi trường 3…) NAM CROWAT 8.0 WEAP 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Miêu tả và trích dẫn về 4 kịch bản đường nồng độ nhà kính đại diện ....... 16 Bảng 1.2: Tốc độ gió trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (m/s) ................ 21 Bảng 1.3: Nhiệt độ trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (0C) ..................... 21 Bảng 1.4: Độ ẩm trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (%) ........................ 22 Bảng 1.5: Bốc hơi trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (mm) ................... 22 Bảng 1.6: Số giờ nắng trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (giờ) .............. 23 Bảng 1.7: Lượng mưa trung bình tại trạm khí tượng Quy Nhơn (mm) .............. 24 Bảng 2.1: Bộ thông số của mô hình NAM tại Bình Tường ................................ 35 Bảng 2.2: Các vùng cấp nước ............................................................................. 37 Bảng 2.3: Diện tích các nhánh sông và khu giữa nhập lưu ................................. 39 Bảng 2.4: Dân số tại các nút nhu cầu nước sinh hoạt ......................................... 43 Bảng 2.5: Chỉ tiêu cấp nước sinh hoạt ................................................................ 44 Bảng 2.6: Diện tích trồng lúa .............................................................................. 45 Bảng 2.7: Giá trị sản xuất công nghiệp một số khu công nghiệp chính ............ 48 Bảng 2.8: Số lượng gia súc, gia cầm của các nút tính toán ................................ 49 Bảng 2.9: Chỉ tiêu cấp nước cho chăn nuôi (l/ngày - đêm) ................................ 49 Bảng 2.10: Nhu cầu nước cho vật nuôi của các nút tính toán (106 m3/năm) ...... 50 Bảng 2.11: Nhu cầu nước cho nuôi thủy sản trên các nút .................................. 50 Bảng 2.12: Kết quả tính toán nhu cầu nước sinh hoạt (106 m3) .......................... 50 Bảng 2.13: Kết quả tính toán nhu cầu nước nông nghiệp (106 m3) .................... 51 Bảng 2.14: Kết quả tính toán nhu cầu nước công nghiệp tại tiểu lưu vực (106 m3) ... 51 Bảng 2.15: Sự thay đổi nhu cầu nước tưới đối với cây trồng ngành nông nghiệp trong điều kiện BĐKH. ....................................................................................... 52 Bảng 2.16: Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm (oC) so với thời kỳ cơ sở ...... 54 Bảng 2.17: Biến đổi lượng mưa vào mùa xuân so với thời kỳ cơ sở.................. 55 Bảng 2.18: Biến đổi lượng mưa vào mùa đông so với thời kỳ cơ sở ................. 55 Bảng 2.19: Biến đổi lượng mưa vào mùa hạ so với thời kỳ cơ sở ...................... 55 4 Bảng 2.20: Biến đổi lượng mưa vào mùa thu so với thời kỳ cơ sở .................... 55 Bảng 2.21: Tổng hợp các kịch bản tính toán ...................................................... 57 Bảng 3.1: Nhu cầu nước nông nghiệp trung bình theo các kịch bản (106m3) ... 59 Bảng 3.2: Lượng thiếu hụt nước theo kịch bản hiện trạng khi có hồ (triệu m3) ....... 60 Bảng 3.3:Lượng nước thiếu trung bình hiện trạng khi không có hồ (triệu m3) ....... 62 Bảng 3.4: Tổng hợp lượng nước thiếu 2016 - 2035 khi có hồ (106 m3) .................. 64 Bảng 3.5: Tổng hợp lượng nước thiếu 2016 - 2035 nếu không có hồ (106 m3) ....... 65 Bảng 3.6: Tổng hợp lượng nước thiếu 2046 - 2065 khi có hồ (106 m3) .................. 66 Bảng 3.7: Tổng hợp lượng nước thiếu 2046 - 2065 khi không có hồ (106 m3) ........ 67 5 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu ............................... 15 Hình 1.2: Cưỡng bức bức xạ theo đường nồng độ khí nhà kính đại diện ........... 15 Hình 1.3: Vị trí địa lý lưu vực sông Kôn - Hà Thanh ......................................... 18 Hình 1.4: Cấu trúc các bể chứa của mô hình NAM ............................................ 30 Hình 1.5: Sơ đồ các bước tính toán trong luận văn............................................. 34 Hình 2.1: Dòng chảy thực đo và tính toán thời đoạn 1981-1989 - trạm Bình Tường 36 Hình 2.2: Dòng chảy thực đo và tính toán thời đoạn 1990-1996 - trạm Bình Tường 36 Hình 2.3: Sơ đồ vùng cấp nước trên lưu vực [1] ................................................ 38 Hình 2.4: Sơ đồ các tiểu lưu vực để mô phỏng dòng chảy đến .......................... 39 Hình 2.5: Bản đồ phân vùng ảnh hưởng mưa theo đa giác Thiesson ................. 40 Hình 2.6: Dòng chảy đến nhánh 1 từ 2003 - 2015 .............................................. 41 Hình 2.7: Dòng chảy đến nhánh 2 từ 2003 - 2015 .............................................. 41 Hình 2.8: Dòng chảy đến nhánh 3 từ 2003 - 2015 .............................................. 42 Hình 2.9: Dòng chảy đến nhánh 4 từ 2003 - 2015 .............................................. 42 Hình 2.10: Dòng chảy đến nhánh 5 từ 2003 - 2015 ............................................ 43 Hình 2.11: Số liệu khí tượng nhập vào Cropwat ................................................ 45 Hình 2.12: Số liệu mưa nhập vào Cropwat ......................................................... 46 Hình 2.13: Số liệu thông số cây trồng ................................................................. 47 Hình 2.14: Kết quả nhu cầu nước tưới trong Cropwat........................................ 47 Hình 2.15: Sơ đồ cân bằng nước trong WEAP ................................................... 53 Hình 2.16: Lượng mưa trung bình các giai đoạn ứng với các kịch bản khác nhau ............................................................................................................................. 56 Hình 3.1: Dòng chảy tự nhiên hạ lưu (sau vị trí nhập lưu Kôn và Hà Thanh) tương ứng với các kịch bản khác nhau................................................................ 58 Hình 3.2: Nhu cầu nước nông nghiệp trung bình giai đoạn ứng với các kịch bản ............................................................................................................................. 60 Hình 3.3: Lượng nước thiếu trung bình giai đoạn hiện trạng khi có hồ ............. 61 6 Hình 3.4: Lượng nước thiếu giai đoạn hiện trạng khi không có hồ .................... 63 Hình 3.5: Lượng nước thiếu theo các kịch bản giai đoạn 2016-2035 có hồ (103 m3) ............................................................................................................................. 64 Hình 3.6: Lượng nước thiếu theo các nút của kịch bản RCP4.5 (106 m3) .......... 64 Hình 3.7: Lượng nước thiếu theo các kịch bản giai đoạn 2016-2035 khi không có hồ (106 m3) ...................................................................................................... 65 Hình 3.8: Lượng nước thiếu theo các kịch bản giai đoạn 2046 - 2065 khi có hồ ............................................................................................................................. 66 Hình 3.9: Lượng nước thiếu theo các kịch bản giai đoạn 2046 - 2065 khi không có hồ .................................................................................................................... 67 7 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá và không thể thiếu đối với đời sống và các hoạt động của con người. Nước được sử dụng nhiều trong sinh hoạt hàng ngày, trong công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản và các hoạt động vui chơi, giải trí, du lịch khác của con người. Tuy nhiên, nước không phải là tài nguyên vô hạn và cũng đang phải đối mặt với nhiều thách thức như: Cùng với sự phát triển của kinh tế, đời sống con người cũng ngày càng được cải thiện khiến cho nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng trong khi hiệu quả sử dụng nước còn thấp. Việc khai thác tài nguyên nước chưa được kiểm soát chặt chẽ làm cho tình trạng ô nhiễm, suy thoái, cạn kiệt nguồn nước ngày càng gia tăng cả về mức độ nghiêm trọng và phạm vi ảnh hưởng. Thêm nữa, hiện nay biến đổi khí hậu (BĐKH) là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21. Biến đổi khí hậu có tác động đến những yếu tố cơ bản của đời sống nhân loại trên phạm vi toàn cầu: nước, lương thực, sức khỏe và môi trường. Hàng trăm triệu người có thể phải lâm vào nạn đói, thiếu nước và lụt lội tại vùng ven biển do trái đất nóng lên. Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng gây ngập lụt, hạn hán, nhiễm mặn nguồn nước gây ảnh hưởng tới nông nghiệp. Bên cạnh đó, vấn đề hài hòa lợi ích giữa các đối tượng sử dụng nước cũng đang rất nóng bỏng. Tính cạnh tranh trong khai thác, sử dụng nguồn nước ngày càng tăng, đặc biệt là việc sử dụng nước ở thượng lưu và hạ lưu các sông lớn có hồ chứa thủy điện. Vì vậy, tài nguyên nước cần được khai thác và sử dụng hợp lý, đảm bảo sự phát triển bền vững. Là lưu vực sông lớn nhất tỉnh Bình Định, lưu vực sông Kôn - Hà Thanh đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Bình Định, song trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, cũng như các lưu vực sông khác, lưu vực sông Kôn - Hà Thanh cũng đang phải đối mặt với các thách thức trên. 8 Đề tài: “Nghiên cứu tác động của BĐKH đến cân bằng nước lưu vực sông Kôn - Hà Thanh” được thực hiện để giải quyết bài toán cân bằng nước cho lưu vực sông Kôn - Hà Thanh nhằm đáp ứng các nhu cầu dùng nước và quy hoạch tổng hợp, khai thác và sử dụng tài nguyên nước một cách hợp lý, đảm bảo cho các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội trong lưu vực để đem lại lợi ích và hiệu quả sử dụng nước tốt hơn dưới các tác động của biến đổi khí hậu. 2. Mục tiêu: Đánh giá được tác động của BĐKH đến cân bằng nước lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng: dòng chảy, nhu cầu sử dụng nước của một số đối tượng sử dụng nước chính trên lưu vực, các đặc trưng khí hậu như mưa, nhiệt độ... Phạm vi: Lưu vực sông Kôn - Hà Thanh. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu * Cách tiếp cận: Cách tiếp cận của đề tài là đánh giá sự thay đổi của dòng chảy và nhu cầu sử dụng nước của lưu vực sông Kôn - Hà Thanh theo các kịch bản biến đổi khí hậu từ đánh giá sự thay đổi cân bằng nước của lưu vực sông so với hiện trạng, từ đó đề xuất các biện pháp giảm thiểu. 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 cân bằng nước của một lưu vực sông 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 và sự điều chỉnh các chính sách, các quy hoạch là một hệ thống nhất tự nhiên - kinh tế - xã hội (khí hậu - hệ thống tài nguyên - môi trường - sinh thái - 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 9 phần khác. Hiện trạng tài nguyên môi trường, phát triển kinh tế - xã hội 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. + Theo cách tiếp cận này, việc nghiên cứu, điều tra đánh giá ảnh hưởng của BĐKH tới các chính sách, quy hoạch phát triển tổng thể và phát triển ngành phải được tiến hành đồng bộ, hệ thống, toàn diện. Việc xây dựng, chỉnh sửa các chính sách, quy hoạch tài nguyên nước trong khu vực nghiên cứu cần được thực hiện trong mối quan hệ không chỉ của đơn lẻ từng yếu tố, hoặc chỉ tính đến các yếu tố nội địa, mà phải xem xét trong mối quan hệ, tác động tổng hợp của các cấu thành thuộc hệ thống nội tại và các yếu tố ảnh hưởng từ bên ngoài. * Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thống kê: Thu thập và xử lý các tài liệu cần thiết có liên quan đến lưu vực nghiên cứu, cũng như các nội dung tính toán trong luận văn. - Phương pháp tổng hợp địa lý: Phân tích đánh giá tài nguyên nước và sự biến đổi của nó trong không gian thông qua việc phân chia thành các tiểu lưu vực sử dụng nước trên lưu vực nghiên cứu. - Phương pháp mô hình toán: Phân tích và lựa chọn mô hình toán để tính toán tài nguyên nước, nhu cầu nước và cân bằng nước cho lưu vực. - Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện, luận văn có tham khảo và thừa kế một số tài liệu, kết quả có liên quan đến luận văn được nghiên cứu trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức khác. Những thừa kế này là hết sức quan trọng trong việc định hướng và hiệu chỉnh các kết quả nghiên cứu, cũng như đưa ra các kết luận khoa học mới có giá trị, tránh trùng lặp hay kết quả nghiên cứu lỗi thời và để tính toán của luận văn phù hợp hơn với thực tiễn của vùng nghiên cứu. 5. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, nội dung luận văn gồm 3 chương: - Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Thiết lập mô hình toán và xây dựng cơ sở dữ liệu - Chương 3: Đánh giá biến đổi khíh ậu đến cân bằng nước. 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH tới tài nguyên nước 1.1.1. Các nghiên cứu về tác động của BĐKH đến dòng chảy Trên thế giới, có rất nhiều các nghiên cứu về tác động của BĐKH đến dòng chảy, chế độ thuỷ văn. Zbigniew W.Kundzewicz (2008) [21] đã nghiên cứu tác động của BĐKH đến vòng tuần hoàn nước. Nghiên cứu đã tập trung vào các đối tượng liên quan chính đến vòng tuần hoàn nước như nhiệt độ, mưa, mực nước biển, dòng chảy sông ngòi, độ ẩm đất, bốc thoát hơi, nước ngầm… Dựa trên các chứng cứ quan trắc được có thể thấy sự tiếp diễn gia tăng mạnh mẽ về bốc hơi và mưa lên vòng tuần hoàn nước. Biến đổi khí hậu sẽ làm thay đổi tài nguyên nước ngọt trên toàn cầu trong tương lai ở một số khía cạnh, như lượng nước sẵn có, chất lượng nước và tiềm năng ô nhiễm. Trong phạm vi toàn cầu, dường như các tác động có hại của BĐKH đến tài nguyên nước lớn hơn là các tác động có lợi. Nigel W. Arnell và nnk (2016) [15] sử dụng mô hình thuỷ văn toàn cầu với các kịch bản khí hậu từ 21 mô hình CMIP3 là A1B cho thấy có sự thay đổi đáng kể về thuỷ văn đến giữa thế kỷ 21 với khoảng 47% vùng đất toàn cầu có sự gia tăng đáng kể về dòng chảy, 36% vùng đất có sự suy giảm đáng kể và chỉ khoảng 17% không cho thấy sự thay đổi đáng kể. Sự biến thiên về thay đổi giữa các vùng cũng mạnh mẽ. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhấn mạnh vào sự bất định của các mô hình khí hậu về sự thay đổi dòng chảy này. Còn sự bất định do mô hình thuỷ văn được loại bỏ trong nghiên cứu. Hosseini và nnk (2014) [6] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến dòng chảy và vận hành hồ chứa cho lưu vực Alavian trên sông Sufichay. Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng kịch bản A2 và B1 với các số liệu đầu vào từ 14 mô hình khí hậu toàn cầu khác nhau để đánh giá tác động của BĐKH đến dòng chảy và vận hành hồ chứa. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ trên lưu vực có khả năng tăng từ 2,0 - 2,5o C và lượng mưa giảm từ 26 - 39% tính đến giữa thế kỷ 21. Điều này dẫn đến việc thiếu hụt nước đáp ứng cho các nhu cầu nước sinh hoạt, môi trường, công nghiệp và nông nghiệp tương ứng với các tỷ lệ là 14%, 19%, 21% và 26%. 11 Ngô Lê An và nnk (2016) [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH và vận hành hồ chứa đến chế độ dòng chảy của lưu vực sông Sesan, Srepok. Các tác giả đã sử dụng mô hình SWAT mô phỏng dòng chảy đến kết hợp với mô hình WEAP cân bằng nước, vận hành hồ chứa để đánh giá sự thay đổi của chế độ dòng chảy trong tương lai dưới tác động của BĐKH. Hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 được sử dụng với các số liệu mưa và nhiệt độ được lấy từ mô hình vùng RCM là HadGEM3-RA. Kết quả cho thấy, nhìn chung tác động của BĐKH đến dòng chảy tự nhiên là đã làm suy giảm dòng chảy mùa kiệt, gia tăng dòng chảy mùa lũ, đồng thời mùa lũ có thiên hướng đến sớm hơn. Các tác động này đã được bù trừ với tác động của vận hành các hồ chứa do việc tích nước mùa lũ và bổ sung nước mùa kiệt. Nhìn chung, các nghiên cứu đều cho thấy, BĐKH đã làm thay đổi đáng kể về dòng chảy cũng như chế độ của nó cả về không gian và thời gian. 1.1.2. Các nghiên cứu về cân bằng nước và tác động của BĐKH đến cân bằng nước lưu vực sông. Các tác động của BĐKH đến nhu cầu nước và cân bằng nước trên các lưu vực sông cũng đã được nhiều nghiên cứu thực hiện trong thời gian qua. Qiang Liu và nnk (2015) [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH đến cân bằng nước cho một lưu vực lớn khô hạn ở Trung Quốc. Các tác giả đã sử dụng một mô hình cân bằng nước để đánh giá cho lưu vực sông Hoàng Hà với các kịch bản tăng giảm nhiệt độ và lượng mưa khác nhau. Một số kết quả ban đầu của nghiên cứu như nếu lượng mưa tăng 10% thì dòng chảy nhìn chung sẽ tăng xấp xỉ 22%, nếu lượng bốc hơi tăng trung bình 10% thì sẽ làm giảm lượng dòng chảy khoảng 13%. Đây sẽ là cơ sở để phân tích các tác động của BĐKH đến tài nguyên nước lưu vực theo các mức độ thay đổi nhiệt độ và lượng mưa khác nhau. M. J. Zareian và nnk (2017) [20] trong ứng dụng tại lưu vực sông Zayandeh-Rud tại Iran đã nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH đến cân bằng nước. Các tác giả sử dụng Máy sinh thời tiết ngẫu nhiên để chi tiết hoá lượng mưa của lưu vực từ các mô hình mưa toàn cầu. Sự thay đổi dòng chảy trong lưu vực được đánh giá bằng một mô hình mưa dòng chảy trên nền tảng mô hình đường đơn vị. Từ đó, các tác giả đã đánh giá sự thay đổi của dòng chảy cũng như nhu cầu nước 12 trong lưu vực. Chỉ số tài nguyên nước bền vững được sử dụng để đánh giá tác động của BĐKH đến hoạt động sử dụng nước trong lưu vực. Eruola A. O và nnk (2012) [5] đã nghiên cứu tác động của BĐKH đến cân bằng nước của khu vực hạ lưu lưu vực Ogun, Nigeria. Sử dụng chuỗi số liệu thực đo trong quá khứ, các tác giả đã phân tích tác động của BĐKH đến các thành phần cân bằng nước và nhận thấy các năm kiệt xuất hiện là 1988, 1990, 1998, 2006 và 2009. Tuy nhiên, một số năm gần đây có lượng mưa gia tăng dẫn đến tình trạng lũ lụt thay vì hạn hán. Probst, F và nnk (2007) [16] sử dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của BĐKH đến cân bằng nước vùng bán khô hạn ở Tây Phi. Sơ bộ nghiên cứu cho thấy, lượng mưa gia tăng dẫn đến lưu lượng đỉnh lũ cũng gia tăng. Lượng nước cả năm có xu thế suy giảm và lượng bổ cập nước ngầm cũng ít đi. Tuy nhiên, nghiên cứu còn chưa đánh giá về độ bất định trong tính toán. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về BĐKH đến tài nguyên nước và cân bằng nước cũng được nhiều nhà khoa học thực hiện. Ngô Chí Tuấn và nnk (2010) [11] thực hiện cân bằng nước cho lưu vực sông Cầu sử dụng mô hình MIKE-BASIN theo định hướng phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020. Sơ đồ cân bằng nước của nghiên cứu được dựa trên quan điểm Quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông phân lưu vực sông Cầu thành 4 vùng cân bằng nước chính. Kết quả tính toán cân bằng nước hệ thống bằng mô hình MIKE-BASIN trên lưu vực sông Cầu cho thấy tình trạng thiếu nước vẫn xảy ra vào mùa kiệt và tập trung chủ yếu ở các khu hạ lưu sông Cầu. Nguyễn Ngọc Anh và Đỗ Đức Dũng (2016) [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH đến cân bằng nước của lưu vực sông Đồng Nai. Mô hình MIKENAM được các tác giả sử dụng để mô phỏng dòng chảy đến cho các sông không có số liệu. Mô hình MIKE-BASIN được dùng để tính toán cân bằng nước. Ba mô hình GCM đại diện cho 3 xu thế chung là khô hạn, trung bình và ẩm ướt để mô phỏng sự thay đổi các đặc trưng khí hậu trong tương lai. Kết quả nghiên cứu cho thấy tùy tần suất và thời kỳ phát triển cũng như mô hình khí hậu, các vùng hạ lưu sông Đồng Nai, lưu vực sông Sài Gòn và ven biển đều thiếu nước từ nghiêm trọng đến rất nghiêm trọng, cần được bổ sung từ các nơi khác trong và ngoài lưu vực. 13 Hoàng Thanh Sơn và nnk (2013) [7] đã đánh giá cân bằng nước cho lưu vực sông Cái Phan Rang. Vùng tính toán được phân chia thành 15 tiểu lưu vực dựa trên các lưu vực sông có điểm khống chế là một công trình hồ, đập cấp nước. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE - BASIN tính toán cân bằng nước đến năm 2020 cho thấy vùng khô Ninh Thuận sẽ tiếp tục đối mặt với nguy cơ thiếu nước trầm trọng cho các nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội. Nguyễn Thanh Hiền và Nguyễn Văn Tỉnh (2017) [13] sử dụng mô hình WEAP đánh giá cân bằng nước cho lưu vực sông Hồng - Thái Bình. Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng với năm dòng chảy tần suất 85%, lượng nước đến lưu vực sông khoảng 106 tỷ m3, vận hành điều tiết nước từ các hồ chứa lớn Hòa Bình, Sơn La, Thác Bà, Tuyên Quang bảo đảm cấp đủ nước cho hoạt động sản xuất, dân sinh giai đoạn hiện tại cũng như đến năm 2030. Qua một số nghiên cứu điển hình ở trên, có thể thấy tác động của BĐKH đến cân bằng nước của các lưu vực sông là rõ rệt. Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu dựa trên các kịch bản biến đổi khí hậu, kết quả tính toán của các mô hình khí hậu toàn cầu, mô hình khí hậu vùng để có được sự thay đổi các đặc trưng khí tượng trong tương lai như mưa, nhiệt độ, bốc hơi. Sau đó sử dụng các mô hình mưa dòng chảy để mô phỏng sự thay đổi dòng chảy trong tương lai. Từ đó kết hợp với mô hình cân bằng nước để đánh giá tác động của BĐKH đến vấn đề này. Luận văn cũng sử dụng cách tiếp cận và phương pháp tính toán như vậy. 1.1.3. Biểu hiện của BĐKH * Trên thế giới Sự nóng lên của hệ thống khí hậu toàn cầu rất rõ ràng với biểu hiện là sự tăng nhiệt độ không khí và đại dương, sự tan băng diện rộng, dẫn đến sự tăng mực nước biển trung bình toàn cầu. Các quan trắc cho thấy rằng nhiệt độ tăng trên toàn cầu và tăng nhiều hơn ở các vĩ độ cực Bắc. Trong 100 năm qua (1906 - 2005), nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tăng khoảng 0,74° C, tốc độ tăng của nhiệt độ trong 50 năm gần đây gần gấp đôi so với 50 năm trước đó. Sự nóng lên của hệ thống khí hậu được minh chứng bởi số liệu quan trắc ghi nhận sự tăng lên của nhiệt độ không khí và nhiệt độ nước biển trung bình toàn cầu, sự tan chảy nhanh của lớp tuyết phủ và băng, làm tăng mực nước biển trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) [8]. 14 Theo các nhà khoa học về BĐKH toàn cầu và nước biển dâng, đại dương đã nóng lên đáng kể từ cuối thập kỷ 1950. Các nghiên cứu từ số liệu quan trắc toàn cầu cho thấy, mực nước biển trung bình toàn cầu trong thời kỳ 1961 - 2003 đã dâng với tốc độ 1,8 ÷ 0,5 mm/năm, trong đó, đóng góp do giãn nở nhiệt khoảng 0,42 ÷ 0,12 mm/năm và tan băng khoảng 0,70 ÷ 0,50 mm/năm (IPCC, 2007) [7]. Hình 1.1: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu Kịch bản BĐKH: Đường nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP) Bốn RCPs được lựa chọn và xác định theo các cưỡng bức bức xạ (được tích lũy đo lường con người về khí thải GHGs từ tất cả những nguồn tính theo Watts trên mỗi mét vuông) lộ trình và cấp độ đến năm 2100. RCP’s được chọn để đại diện xu thế chính khí hậu hướng tới theo các kịch bản khác nhau. Hình 1.2: Cưỡng bức bức xạ theo đường nồng độ khí nhà kính đại diện (Van Vuuren et al, 2011) [19] 15