ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN HOÀNG MINH ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN HOÀNG MINH ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Thái Hà Nội MỤC LỤC MỤC LỤC .1 DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG .4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT .6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN CÁCH TIẾP CẬN .7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .7 PHẠM VI THỰC HIỆN .8 B NỘI DUNG LUẬN VĂN CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG LÔ I.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên I.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 24 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHO LƯU VỰC SÔNG LÔ .27 II.1 Tổng quan BĐKH giới Việt Nam .27 II.2 Biểu biến đổi khí hậu kịch biến đổi khí hậu cho lưu vực sông Lô 31 CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ 46 III.1 Mô hình thủy văn .46 III.2 Mô hình thủy lực 60 III.3 Mô hình cân nước 67 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ 74 IV.1 Tác động BĐKH đến chế độ dòng chảy 74 IV.2 Tác động BĐKH đến cân nước hệ thống 78 IV.3 Tác động BĐKH đến dòng chảy lũ 83 IV.4 Tác động BĐKH đến hạn hán 87 C KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO .96 PHỤ LỤC 97 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Lô .10 Hình 2: Bản đồ địa hình lưu vực sông Lô 14 Hình 3: Bản đồ địa chất lưu vực sông Lô 16 Hình 4: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Lô 24 Hình 5: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu 27 Hình 6: Diễn biến lượng mưa năm vùng khác giới 28 Hình 7: Xu biến động mực nước biển trạm toàn cầu .30 Hình 8: Sự thay đổi yếu tố nhiệt độ số trạm lưu vực sông Lô 32 Hình 9: Sự thay đổi yếu tố lượng mưa số trạm lưu vực sông Lô 33 Hình 10: Giao diện phần mềm SDSM 35 Hình 11: Giao diện phần mềm SIMCLIM 36 Hình 12: Hệ thống Earth Simulator mô tả kịch BĐKH mô hình AGCM/MRI 37 Hình 13: Mô tả vị trí mô hình PRECIS giao diện mô hình 38 Hình 14: Sự thay đổi nhiệt độ theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 43 Hình 15: Sự thay đổi lượng mưa theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 45 Hình 16: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Bảo Yên 54 Hình 17: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Chiêm Hóa 54 Hình 18: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Đạo Đức 55 Hình 19: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Hàm Yên 55 Hình 20: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Ghềnh Gà 56 Hình 21: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Vụ Quang 56 Hình 22: Kết kiểm định mô hình trạm Bảo Yên 57 Hình 23: Kết kiểm định mô hình trạm Chiêm Hóa .57 Hình 24: Kết kiểm định mô hình trạm Đạo Đức 58 Hình 25: Kết kiểm định mô hình trạm Hàm Yên 58 Hình 26: Kết kiểm định mô hình trạm Ghềnh Gà 59 Hình 27: Kết kiểm định mô hình trạm Vụ Quang 59 Hình 28: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott 61 Hình 29: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott mặt phằng x~t 61 Hình 30: Nhánh sông điểm lưới xen kẽ 62 Hình 31: Cấu trúc điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 62 Hình 32: Cấu trúc điểm lưới mạng vòng 62 Hình 33: Mạng lưới sông mô hình MIKE 11 64 Hình 34: Sơ đồ trình hiệu chỉnh thông số mô hình .65 Hình 35: Đường trình mực nước tính toán thực đo trạm Vụ Quang – VII/1996 .66 Hình 36: Đường trình mực nước tính toán thực đo trạm Vụ Quang – VIII/2002 67 Hình 37: Sơ đồ mô hình MIKE BASIN 68 Hình 38: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Hàm Yên 70 Hình 39: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Chiêm Hóa 70 Hình 40: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Ghềnh Gà 71 Hình 41: Kết hiệu chỉnh mô hình trạm Vụ Quang 71 Hình 42: Kết kiểm định mô hình trạm Hàm Yên 71 Hình 43: Kết kiểm định mô hình trạm Chiêm Hóa .72 Hình 44: Kết kiểm định mô hình trạm Ghềnh Gà 72 Hình 45: Kết kiểm định mô hình trạm Vụ Quang 72 Hình 46: Xu lưu lượng trung bình năm trạm sông Lô theo kịch 75 Hình 47: Xu lưu lượng mùa lũ trạm sông Lô theo kịch 77 Hình 48: Xu lưu lượng mùa kiệt trạm sông Lô theo kịch 78 Hình 49: Sự thay đổi nhu cầu nước lưu vực sông Lô qua thời kỳ theo KB BĐKH .79 Hình 50: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch A2 80 Hình 51: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B2 81 Hình 52: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B1 83 Hình 53: Bản đồ phân vùng hạn hán lưu vực sông Lô .91 Hình 54: Bản đồ hạn hán lưu vực sông Lô – Tháng 11/1992 92 Hình 55: Bản đồ hạn hán lưu vực sông Lô – Tháng 3/1993 .92 Hình 56: Bản đồ hạn hán lưu vực sông Lô – Tháng 11/2052 93 Hình 57: Bản đồ hạn hán lưu vực sông Lô – Tháng 3/2053 .93 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Lượng mưa trung bình tháng năm trạm lưu vực sông Lô 18 Bảng 2: Lượng bốc trung bình tháng năm trạm lưu vực sông Lô 19 Bảng 3: Sự thay đổi nhiệt độ trung bình năm so với thời kỳ trạm 39 Bảng 4: Sự thay đổi lượng mưa năm trạm sông Lô so với thời kỳ 43 Bảng 5: Các thông số mô hình NAM 47 Bảng 6: Danh sách trạm khí tượng sử dụng mô hình NAM .51 Bảng 7: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mô hình NAM trạm sông Lô 52 Bảng 8: Phân chia khu sử dụng nước lưu vực sông Lô .69 Bảng 9: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thông qua số NASH .73 Bảng 10: Nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông Lô theo kịch BĐKH 79 Bảng 11: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch A2 79 Bảng 12: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch B2 81 Bảng 13: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch B1 82 Bảng 14: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sông Lô – KB A2 83 Bảng 15: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sông Lô – KB B2 84 Bảng 16: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sông Lô – KB B1 85 Bảng 17: Sự thay đổi mực nước lớn trạm Vụ Quang theo KB BĐKH 87 Bảng 18: Chỉ tiêu phân cấp mức độ hạn 89 Bảng 19: Danh sách trạm khí tượng sử dụng sông Lô 90 Bảng 20: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1992/1993 91 Bảng 21: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB A2 .92 Bảng 22: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB B2 .92 Bảng 23: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB B1 .93 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu KTTV Khí tượng thủy văn KB Kịch MONRE Bộ Tài nguyên Môi trường IPCC Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu ĐN Hướng Đông Nam Đ Hướng Đông A2 Kịch phát thải khí nhà kính cao B2 Kịch phát thải khí nhà kính trung bình B1 Kịch phát thải khí nhà kính thấp SRES Special Report on Emission Scenarios PCMDI Program for Cliamte Model Diagnosis and Intercomparision NTDB Nhân tố dự báo DBHD Dự báo hạn dài GCM Mô hình khí hậu toàn cầu JMA Japan Meteorology Agency JAMSTEC Agency for Marine – Earth Science and Technology PRECIS Providing Regional Climates to Impacts Studies A MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT Biến đổi khí hậu (BĐKH) mà biểu nóng lên toàn cầu mực nước biển dâng, thách thức lớn nhân loại kỷ 21 Thiên tai tượng khí hậu cực đoan khác gia tăng hầu hết nơi giới, nhiệt độ mực nước biển trung bình toàn cầu tiếp tục tăng mối lo ngại quốc gia giới Theo tính toán Bộ Tài nguyên Môi trường (MONRE, 2012), Việt Nam, khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5 đến 0,7°C, mực nước biển dâng khoảng 20cm Hiện tượng El-Nino, La-Nina ngày tác động mạnh mẽ đến Việt Nam Biến đổi khí hậu thực làm cho thiên tai, đặc biệt bão, lũ, hạn hán ngày nghiêm trọng Nhiệt độ trung bình Việt Nam tăng lên 3°C mực nước biển dâng 1m vào năm 2100 Từ số liệu quan trắc cho thấy, thành phần chu trình thủy văn có biến đổi vài thập niên qua, gia tăng hàm lượng nước khí quyển; mưa thay đổi lượng mưa, dạng mưa, cường độ cực trị mưa; độ ẩm đất dòng chảy thay đổi Tài nguyên nước bị tổn thương bị tác động mạnh biến đổi khí hậu gây nên hậu bất lợi loài người hệ sinh thái Theo Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu (IPCC, 2007), vào kỷ 21, biến đổi khí hậu nên dòng chảy năm trung bình sông suối tăng lên khu vực vĩ độ cao vài khu vực nhiệt đới ẩm, giảm số khu vực nằm vĩ độ vừa khu vực nhiệt đới khô Lưu vực sông Lô lưu vực có nguồn tài nguyên nước dồi đã, phải hứng chịu tác động biến đổi khí hậu, điều ảnh hưởng lớn đến kinh tế xã hội đa dạng sinh học lưu vực Do đó, cần phải có nghiên cứu, đánh giá định lượng, từ đưa giải pháp ứng phó kịp thời Nội dung luận văn đề cập đến vấn đề: “Đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông Lô” MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN a Mục tiêu tổng quát Đưa đánh giá định lượng thay đổi đặc trưng tài nguyên nước mặt tác động biến đổi khí hậu b Mục tiêu cụ thể - Đánh giá mức độ tác động BĐKH đến đặc trưng tài nguyên nước mặt như: dòng chảy đến, nhu cầu nước, cân nước hệ thống, lưu lượng đỉnh lũ, hạn hán - Đánh giá xu thay đổi tài nguyên nước mặt theo kịch BĐKH CÁCH TIẾP CẬN Luận văn áp dụng cách tiếp cận sau: - Tiếp cận theo không gian thời gian: BĐKH gây tượng thời tiết cực đoan, tăng tần suất thiên tai mực nước biển dâng, xâm nhập mặn Các ảnh hưởng thay đổi thường diễn diện rộng, mức độ phạm vi ảnh hưởng thay đổi theo không gian thời gian Do để nhận định quy mô ảnh hưởng BĐKH đến tài nguyên nước cần tiếp cận theo không gian thời gian - Tiếp cận hệ thống: + Chúng ta xem xét tác động BĐKH, đối tượng chịu tác động điều chỉnh sách, quy hoạch hệ thống tự nhiên - kinh tế - xã hội (khí hậu - hệ thống tài nguyên - môi trường - sinh thái – kinh tế - xã hội), thành phần hệ thống có quan hệ chặt chẽ với nhau, biến động thành phần hệ thống có tác động đến thành phần khác Hiện trạng tài nguyên môi trường, phát triển kinh tế - xã hội liên quan chặt chẽ với phụ thuộc mạnh mẽ vào điều kiện tự nhiên nói chung, khí tượng-khí hậu nói riêng Do đó, xu BĐKH gây nên tác động có tính chất định tới cấu phần lại hệ thống + Theo cách tiếp cận này, việc nghiên cứu, điều tra đánh giá ảnh hưởng BĐKH tới sách, quy hoạch phát triển tổng thể phát triển ngành phải tiến hành đồng bộ, hệ thống, toàn diện Việc xây dựng, chỉnh sửa sách, quy hoạch tài nguyên nước khu vực nghiên cứu cần thực mối quan hệ không đơn lẻ yếu tố, tính đến yếu tố nội địa, mà phải xem xét mối quan hệ, tác động tổng hợp cấu thành thuộc hệ thống nội yếu tố ảnh hưởng từ bên - Tiếp cận tích hợp, liên ngành: Việc nghiên cứu, xây dựng sách, quy hoạch tài nguyên nước lưu vực cần xem xét mối quan hệ tổng thể điều kiện tự nhiên (khí hậu, địa chất, địa hình, địa mạo), điều kiện kinh tế - xã hội PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu: + Phương pháp thực sở kế thừa, phân tích tổng hợp nguồn tài liệu, tư liệu, số liệu thông tin có liên quan cách có chọn lọc, từ đó, đánh giá chúng theo yêu cầu mục đích nghiên cứu + Thống kê phương pháp xử lý số liệu cách định lượng Ở giai đoạn đầu, tiến hành thống kê, thu thập số liệu, kết nghiên cứu chương trình, dự án thực có liên quan Đồng thời, thống kê, thu thập số liệu đo đạc, khảo sát thực địa, tính toán đồ + Các tài liệu cần thu thập:  Số liệu nhiệt độ, lượng mưa, bốc hơi, lưu lượng, mực nước trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Lô  Kịch biến đổi khí hậu nhiệt độ, lượng mưa cho lưu vực sông Lô  Tài liệu niên giám thống kê năm 2011, tài liệu quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020, tài liệu quy hoạch thủy lợi tỉnh có diện tích tự nhiên nằm lưu vực sông Lô  Các đặc trưng hồ chứa Thác Bà Tuyên Quang - Phương pháp mô hình toán: Các mô hình sử dụng luận văn: Mô hình NAM, mô hình MIKE 11, mô hình MIKE BASIN - Phương pháp đồ GIS: Phương pháp đồ GIS sử dụng phục vụ việc đánh giá phạm vi, đối tượng bị ảnh hưởng tác động biến đổi khí hậu PHẠM VI THỰC HIỆN Luận văn không nghiên cứu xây dựng kịch biến đổi khí hậu Luận văn thu thập, tổng quan kịch dựa nghiên cứu tiến hành Luận văn tập trung nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu đến đối tượng tài nguyên nước mặt theo quy mô không gian thời gian nơi trái đất có nước ta Ở nước ta, ảnh hưởng thiên tai hạn hán đến kinh tế - xã hội môi trường xảy từ lâu Đất nước với gần 80% dân số sống nông thôn thu nhập chủ yếu từ sản xuất nông nghiệp, hạn há xảy tác động nhiều mặt đến đời sống kinh tế, xã hội môi trường không vùng bị hạn mà ảnh hưởng đến vùng lân cận nước Hạn hán thiên tai gây tác hại nghiêm trọng tới sản xuất đời sống nhân dân ta, mang đến thiệt hại lớn tài sản sinh mạng, đứng sau lũ lụt bão tố Trước đây, hạn hán làm mùa, gây nạn đói trầm trọng ngày nay, trình phát triển, có quan tâm đến vấn đề môi trường có hệ thống thuỷ nông hoàn chỉnh, hạn hán thường xẩy gây khó khăn lớn cho đời sống kinh tế - xã hội, môi sinh Các kết nghiên cứu rằng, hạn hán lưu vực sông Lô xảy từ tháng XI năm trước đến tháng IV năm sau IV.4.1 Phương pháp tính toán hạn hán Có nhiều nguyên nhân gây hạn hán mức độ hạn nặng hay nhẹ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Do vậy, vấn đề xác định (chỉ tiêu – số) khô hạn phức tạp Các nhà khoa học đưa nhiều loại số khô hạn, chưa có số chung người thừa nhận chưa có thống Mỗi số hạn cho nhìn tổng quát hạn khác Để đưa biện pháp có hiệu phòng chống giảm thiểu tác hạn hạn hán gây lưu vực sông Lô ứng với mức độ ảnh hưởng khác nhau, luận văn tiến hành phân vùng hạn hán thông qua việc tính toán hệ số hạn (K hạn ) dựa việc tính toán hệ số khô (Kkhô) hệ số cạn nước sông (Kcạn) Trong trường hợp vừa khô vừa cạn có khả sinh hạn a Hệ số khô (Kkhô) Hệ số khô đặc trưng thiếu hụt nước trình cân lượng mưa bốc hơi, thiếu hụt lượng mưa trạng thái mưa thời gian dài Ngoài lượng mưa bốc hơi, hạn khí tượng chịu tác động với nhân tố khí khác tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí cường độ ánh sáng mặt trời Quan niệm hạn hán lâu chủ yếu phân định theo trạng thái không bình thường mưa, nhà khí hậu Việt Nam đúc kết phương pháp tiêu thống kê hạn, thử nghiệm tiêu phân tích ưu khuyết điểm chúng từ lựa chọn xác định số hạn Qua trình tính toán, so sánh đối chiếu với thực tế hạn hán địa phương, báo cáo nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng khô hạn, xem xét sở hạn khí tượng trình tính số khô hạn theo số cán cân nước Kkhô Đào Xuân Học Chỉ số tính toán khô Kkhô tính theo công 88 thức: Trong đó: X Z lượng mưa bốc thời đoạn tính toán Nếu lượng mưa vừa đủ để cấp nước cho trình bốc thoát thời đoạn X= Z dẫn đến Kkhô= ấn định chưa khô Khi Kkhô = lúc khô có khả sinh hạn Trường hợp Kkhô