Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết sẽ giới thiệu kết quả chi tiết hóa lượng mưa theo 2 kịch bản A2 và B2 trên lưu vực trong tương lai dựa trên mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu HadCM3 và sử dụng mô hình hệ thống mưa dòng chảy để mô phỏng sự ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước trên hệ thống sông tính đến trạm Yên Thượng.
ảNH HƯởNG CủA BIếN ĐổI KHí HậU ĐếN DòNG CHảY LƯU VựC SÔNG Cả Cự Th Phng1 Túm tt: Lu vực sông Cả lưu vực sông Miền Bắc Trung Với đặc điểm độ dốc lưu vực lớn, lưu vực thường gặp nhiều khó khăn nguồn nước vào mùa khô Đây thách thức lưu vực bối cảnh biến đổi khí hậu Bài viết giới thiệu kết chi tiết hóa lượng mưa theo kịch A2 B2 lưu vực tương lai dựa mơ hình biến đổi khí hậu tồn cầu HadCM3 sử dụng mơ hình hệ thống mưa dịng chảy để mô ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến tài ngun nước hệ thống sơng tính đến trạm Yên Thượng GIỚI THIỆU LƯU VỰC NGHIÊN CỨU Sông Cả bắt nguồn từ tỉnh Phông Sa Vắn Sầm Nưa nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào, chảy theo hướng Tây Bắc Đơng Nam qua địa phận tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh Diện tích tự nhiên tồn lưu vực sơng Cả, tính từ thượng nguồn đến cửa sơng 27.200 km2 Diện tích Việt Nam chiếm 17.730 km2 Địa hình sơng Cả tính đến n Thượng dạng địa hình tổng hợp nhiều dạng dốc chung theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Độ dốc bình quân lưu vực lớn, phần đồng hẹp [4] Hình Phân bố trạm khí tượng lưu vực sơng Cả Lưu vực sơng Cả có lượng dòng chảy Khoa Thủy văn Tài nguyên nước - Trường Đại học Thủy lợi dồi phân bố không đều, thiên lệch mạnh theo thời gian khơng gian Mơđun dịng chảy năm tăng dần từ Tây sang Đông Tây Bắc xuống Đông Nam Mơ duyn dịng chảy trung bình năm vùng thượng nguồn sông Cả đạt 20 l/s.km2 , vùng trung lưu đạt 25 l/s.km2 hạ du đạt 25 30 l/s.km2 Mùa lũ mùa cạn sông Cả sơng nhánh có khác thời gian bắt đầu thời gian kết thúc Giữa mùa kiệt vào tháng 5, có xuất lũ tiểu mãn có thời gian lũ chen mùa kiệt mà dịng chảy sơng Cả có thời kỳ kiệt khác biệt nhau: Kiệt vào tháng kiệt vào tháng Dịng chảy kiệt phân bố tồn lưu vực không vùng từ thượng nguồn sông Cả đến Yên Thượng [4] Nghiên cứu tập trung mô biến đổi dòng chảy lưu vực tương lai, tương ứng với kịch A2 B2, bao gồm bước: (1) Downscaling biến đổi mưa theo kịch biến đổi khí hâu; (2) mơ biến đổi dòng chảy lưu vực ứng với kịch biến đổi khí hậu MƠ PHỎNG SỰ BIẾN ĐỔI LƯỢNG MƯA TRÊN LƯU VỰC Trong nghiên cứu sử dụng số liệu 12 trạm khí tượng phân bố tương đối đồng lưu vực có số liệu đo mưa tương đối đầy đủ từ năm 1958 đến nay: Thác Muối, Con Cuông, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 79 Tương Dương, Khe Lá, Mường Xén, Vinh, Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Tây Hiếu, Đô Lương, Nghĩa Lợi Bất Mọt Vị trí trạm đo mưa hiển thị hình Nghiên cứu ứng dụng phương pháp: Phân tích tương quan đa biến (Transper function) kết hợp để chi tiết hóa lượng mưa ngày 12 trạm lưu vực đến năm 2099 từ mơ hình khí tượng tồn cầu HadCM3 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: Bộ thơng số mơ hình bao gồm thông số thống kê chuỗi ngày mưa (không mưa) liên tục, thông số hàm chuyển đổi tuyến tính đa biến Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thực chuỗi số liệu mưa thực đo dựa tiêu chí: Hiệu chỉnh giá trị lượng mưa ngày tần suất Xp% Hiệu chỉnh kỳ vọng phương sai tháng năm Giai đoạn từ 1961 đến 1990 sử dụng để hiệu chỉnh xác định thông số, giai đoạn từ 1991 đến 2001 sử dụng để kiểm mơ hình Bộ thơng số sau kiểm định lần kiểm định số liệu mưa downscaled từ mơ hình HadCM3 cho kịch gốc A2 B2 giai đoạn từ 1961 đến 2001 Kết mô phỏng: Khi xác định thông số mơ hình Tiến hành mơ lượng mưa ngày 12 điểm quan trắc lưu vực đến năm 2099 tính tốn thay đổi mưa bối cảnh biến đổi khí hậu qua giai đoạn: 2011-2040; 2041-2070; 2071-2099 cho kịch gốc A2 B2 Kết mơ mơ hình chuỗi số liệu mưa ngày từ 2011 đến 2099 chi tiết hóa cho 12 trạm lưu vực sơng Cả hiển thị hình tài liệu tham khảo [3] 1/1/2086 1/1/2082 1/1/2078 1/1/2074 1/1/2070 1/1/2066 1/1/2062 1/1/2058 1/1/2054 1/1/2050 1/1/2046 1/1/2042 1/1/2038 1/1/2034 1/1/2030 1/1/2026 1/1/2018 1/1/2014 1/1/2010 1/1/2006 1/1/2002 12/1/2040 11/1/2040 10/1/2040 9/1/2040 8/1/2040 50 7/1/2040 100 20 6/1/2040 150 40 5/1/2040 200 60 4/1/2040 250 80 3/1/2040 300 100 2/1/2040 120 1/1/2040 mm 1/1/2022 Lượng mưa ngày tr Quỳ Châu Lượng mưa ngày tr Quỳ Châu mm Hình 2: Lượng mưa ngày mô từ 2011 đến 2099 trạm Quỳ Châu MƠ PHỎNG SỰ BIẾN ĐỔI DỊNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC Theo số liệu mưa chi tiết hóa cho 12 điểm lưu vực tương ứng với kịch A2 B2 tiến hành mô dòng chảy cho tương lai ứng với kịch bản: (1) Khơng tính đến biến đổi khí hậu; (2) Biến đổi khí hậu kịch A2; Biến đổi khí hậu kịch B2 Cơ sở lý luận: Sự biến đổi dịng chảy lưu vực mơ dựa mơ hình hệ thống MIKE BASIN MIKE BASIN mơ hình tính tốn cân nước hệ thống sở xác định lượng nước đến (mưa - dòng chảy) lượng nước yêu cầu ngành 80 Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng Mơ hình thuộc kiểu mơ hình mạng lưới, sơng nhánh hợp lưu biểu diễn lưới bao gồm nhánh nút MIKE BASIN tính tốn mơi trường ArcView GIS Cơ sở tốn học mơ hình MIKE BASIN phương trình cân nước giải ổn định cho bước thời gian toàn hệ thống mạng lưới [4] Dữ liệu đầu vào mơ hình MIKE BASIN chia làm nhóm: Dữ liệu mạng lưới sơng suối, địa hình (DEM); liệu khí tượng thủy văn (mưa dòng chảy) lưu vực; liệu dùng nước lưu vực hệ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) thống điều hành phân bổ nguồn nước; liệu hồ chứa đồng thời nguyên tắc vận hành hồ chứa Mạng lưới thủy văn phân chia tiểu lưu vực: Mạng lưới lưu vực bao gồm nhánh chính: dịng sơng Cả sơng Hiếu Diện tích tồn lưu vực chia làm tiểu lưu vực Đối với tiểu lưu vực ứng dụng cơng cụ mưa dịng chảy NAM tính tốn dịng chảy từ mưa Phân chia tiểu lưu vực dựa điểm khống chế sau: Diện tích tiểu lưu vực không lớn; Các nút nhập lưu nhánh sông; Các điểm dùng nước sông; Các trạm thủy văn, trạm quan trắc dịng chảy mơi trường Phân chia tiểu lưu vực thể hỡnh Quế Phong Quỳ Châu ì & & Kỳ Sơn ì Quỳ Hợp Tương Dương & ì ì & Sôn g Cả Nghĩa Đàn ì ì & Quỳnh Lưu & ì ì & Tân Kỳ Yên Thành Con Cuông & ì Diễn Châu Anh Sơn & ĐôLương ì ì ì Nghi Lộc TX Cửa Lò & Thanh Chương & TP Vinh NamĐàn Hưng Nguyên Hỡnh 3: Phõn chia tiu lưu vực Các hộ dùng nước: Sử dụng nước lưu vực chia làm khu dùng nước chính, bao gồm: Trung lưu sông Cả - Thanh Chương, Khe Khuôn – Văn Tràng, Thượng lưu sông Cả, Thượng lưu sông Hiếu, Trung lưu sông Hiếu hạ lưu sông Hiếu Mỗi khu dùng nước gồm hộ dùng nước: nước tưới cho nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp nuôi trồng thủy sản Bảng tổng hợp nhu cầu sử dụng nước lưu vực cho năm 2002 dự tính đến 2020 Bảng 1: Tổng nhu cầu dùng nước Các ngành dùng nước Tưới tiêu Chăn nuôi Thủy sản Công nghiệp Các ngành tiểu công nghiệp Tổng lượng nước (106 m3) 2002 2020 709.4 4007.9 61.1 103.2 301 811.4 546.5 15.79 112.2 Dữ liệu khí tượng thủy văn: Dữ liệu khí tượng thủy văn số liệu mưa ngày 12 trạm đo, số liệu bốc tháng dòng chảy thực đo trạm: Cửa Rào, Nghĩa Khánh, Dừa Yên Thượng Lượng mưa trung bình tiểu lưu vực tính theo phương pháp đa giác Thiesson Do số liệu bốc lưu vực trạm đo không đầy đủ, mặt khác lượng bốc tương đổi ổn định, nên trường hợp sử dụng tài liệu bốc tháng số trạm đo: Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Vinh, Đô Lương, Tương Dương Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tiến hành chuỗi số liệu dòng chảy thực đo trạm: Cửa Rào, Nghĩa Khánh, Dừa Yên Thượng Thời đoạn từ 1969 đến 1994 sử dụng để hiệu chỉnh, xác định thơng số mơ hình NAM cho nhóm tiểu lưu vực Bộ thông số kiểm định số liệu thực đo mưa dòng chảy từ năm 1995 đến 2010, lần kiểm định số liệu chuỗi mưa mô theo kịch A2 B2 từ năm 1961 đến 2010 Mơ hình tính tốn với bước thời gian ngày Bước thời gian hiệu chỉnh kiểm định tháng Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình hiển thị bảng hình Qua thấy hệ số Nash thay đổi từ 0.72 đến 0.94 Như thông số chấp nhận để mơ dòng chảy cho tương lai KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 81 Bảng 2: Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình dòng chảy trạm Trạm đo Cửa Rào* Nghĩa Khánh Dừa Yên Thượng Số liệu mưa thực đo 1969-1994 0.86 0.90 0.87 0.87 1995-2010 0.89 0.88 0.75 0.87 Số liệu mưa mô theo B2 1995-2010 1969-1994 1995-2010 0.90 0.88 0.91 0.78 0.77 0.77 0.94 0.83 0.72 0.75 0.78 0.77 Số liệu mưa mô A2 1969-1994 0.87 0.78 0.94 0.78 Đối với trạm Cửa Rào; Hiệu chỉnh 1969 – 1972; Kiểm định: 1973-1976 Hình 5: Kết “Fit” hàm mật độ tần suất lý luận tính tốn Hình 4: Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình trạm n Thượng Kết mơ biến đổi dòng chảy lưu vực: Với tài liệu mưa ngày mô theo kịch A2 B2 đến năm 2099, nhu cầu nước tính đến năm 2020 Tiến hành mơ dịng chảy lưu vực thuộc địa phận Việt Nam Phần diện tích bên Lào khơng có số liệu đo mưa nên khó mơ lượng mưa bối cảnh biến đổi khí hậu Trong nghiên cứu dịng chảy đến trạm thượng nguồn sông Cả từ diện tích bên Lào tính theo phương pháp tỷ lệ diện tích coi khơng thay đổi tương lai Để mơ dịng chảy từ phần diện tích bên Lào sử phương pháp tạo chuỗi ngẫu nhiên Markov 82 Từ chuỗi dòng chảy quan trắc trạm đo xác định hàm phân bố xác suất đặc trưng thống kê chuỗi Các đặc trưng thống kê xác định cho tháng (12 tháng năm) cách “fit” theo hàm phân bố xác suất thực đo (hình 5) Đối với trạm lựa chọn (Mường Xén Quỳ Châu) chuỗi dòng chảy ngày tháng năm tuân theo hàm phân bố chuẩn (normal) loga-chuẩn (lognormal) Kiểm định thống kê sử dụng giá trị p 2 KolmogorovSmirnov (K-S) Giá trị p thay đổi từ 0.5 đến 0.86 mức đảm bảo p=0.05 giá trị chấp nhận Hàm phân bố xác suất thông số coi không thay đổi tương lai Dựa thông số thống kê tìm được, sử dụng phương pháp tạo chuỗi Markov mơ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) chuỗi dòng chảy ngày đến năm 2099 Dịng chảy mơ đến điểm khống chế Khe Bố, Con Cuông, Thanh Tiên, Dừa, Thác Muối, Bản Mồng, Nghĩa Khánh, n Thượng tính tốn theo tần suất tương ứng với kịch mưa tại, mưa A2 B2 Kết hiển thị bảng 3, 4, tài liệu tham khảo [3] Bảng 3: Sự thay đổi dòng chảy ứng với tần suất trạm Thác Muối Hiện Theo kich A2 Theo kịch B2 1970-2010 2011-2040 2041-2070 2071-2099 2011-2040 2041-2070 2071-2099 Dòng chảy đến Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng nút chảy chảy chảy chảy chảy chảy P Q Q m3/s m3/s Q m3/s Q m3/s Q m3/s Q m3/s Q m3/s Trạm Thác Muối 50% 15.6 0.3 1.95 2.57 16.52 2.27 14.6 1.31 8.42 -0.28 -1.82 0.99 6.38 75% 7.66 -0.21 -2.72 1.1 14.32 0.8 10.42 0.47 6.17 -0.68 -8.93 -0.09 -1.13 90% 3.45 0.47 13.52 1.67 48.4 1.22 35.41 0.87 25.25 0.35 10.16 0.47 13.73 95% 1.87 0.56 30.13 1.72 92.24 1.28 68.51 0.83 44.5 0.28 14.87 0.59 31.73 Trạm Nghĩa Khánh 50% 100.6 -16.3 -16.2 0.83 0.83 -18.5 -18.4 -19.4 -19.3 -16.8 -16.7 -16.4 -16.3 75% 63.03 -3.88 -6.15 0.92 1.46 -16.5 -26.2 -6.67 -10.6 -3.51 -5.57 -3.62 -5.74 90% 44.44 1.22 2.75 1.01 2.27 -9.26 -20.8 -0.12 -0.26 1.43 3.23 0.86 1.93 95% 36.26 5.19 14.31 1.14 3.13 -4.52 -12.5 4.43 12.22 6.14 16.93 5.31 14.66 Trạm Yên Thượng 50% 420.1 -62 -14.8 -49 -11.7 -114 -27.3 -66.8 -15.9 -61.7 -14.7 -61.7 -14.7 75% 255.6 -21.4 -8.36 -16 -6.27 -82.9 -32.4 -18.5 -7.22 -19.2 -7.52 -21.2 -8.32 90% 191.9 -5.12 -2.67 0.1 0.05 -62.9 -32.8 -2.77 -1.44 -3.98 -2.07 -5.81 -3.03 95% 166.1 3.47 2.09 10.33 6.22 -50.6 -30.4 7.28 4.38 7.77 4.68 5.49 3.31 Theo kết tính tốn trên, nhận thấy tính đến biến đổi khí hậu, cửa phạm vi lưu vực nghiên cứu, trạm Yên thượng, dòng chảy tần suất 50% giảm từ 12 đến 30% ứng với kịch A2 Trong kịch B2 có tính đến biện pháp bảo vệ mơi trường, lượng mưa giảm nhẹ hơn, dòng chảy cải thiện so với kịch bản, nhiên dòng chảy tần suất 50% giảm khoảng 15% so với dòng chảy tự nhiên Tuy nhiên, phân bố dịng chảy theo khơng gian khơng đồng lưu vực Phía lưu vực sơng Hiếu thượng lưu dịng sơng dịng chảy sơng tần suất 50% giảm Tính đến trạm thủy văn Nghĩa Khánh, dòng chảy năm tần suất 50% giảm đến 20% ứng với kịch A2 16% ứng với kịch B2 Lưu vực Thác Muối, dòng chảy tần suất 50% tăng: 15% ứng với kịch A2 khoảng 8% ứng với kịch B2 THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Lưu vực sông Cả lưu vực gặp nhiều khó khăn nguồn nước vào mùa khơ ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến nguồn nước sông lưu vực sông vấn đề được quan tâm ngành sử dụng nước Nghiên cứu thành cơng việc hiệu chỉnh kiểm định mơ hình khí tượng tồn cầu HadCM3 cho lưu vực mơ biến đổi dịng chảy sơng ứng với kịch A2 B2 Qua kết nghiên cứu nhận thấy nguồn nước KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 83 lưu vực giảm, biến đổi dịng chảy phân bố khơng theo khơng gian Nếu lưu vực sơng Hiếu dịng chảy năm tần suất 50% giảm đến 20% trạm Nghĩa Khánh lưu vực Thác Muối, dịng chảy sơng lại tăng Tuy nhiên, xét tổng thể lưu vực, dòng chảy năm nhìn chung giảm Nếu khơng tính đến biện pháp giảm thiểu tác động mơi trường dịng chảy năm giảm đến 30% (kịch A2) Như thử thách lớn vùng, vùng hưởng lợi hạ lưu sơng vấn đề ứng phó với biến đổi khí hậu tương lai Do đó, cần thiết phải có biện pháp bảo vệ mơi trường nhằm giảm thiểu biến đổi khí hậu như: nâng cao nhận thức người dân biến đổi khí hậu, bảo vệ nguồn nước, môi trường xã hội Tuy nhiên nên có giải pháp nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu điều hịa phân bổ nguồn nước hợp lý Nghiên cứu góp phần đánh giá biến đổi dòng chảy điểm khống chế lưu vực, sở khoa học cho nhà quản lý việc định phân bổ sử dụng nguồn nước tương lai Tài liệu tham khảo Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng, 2009, Bộ Tài nguyên Môi trường Carter T.R (2004) "General guideline on the use of scenario data for climate impact and adaptation assessment " Intergovernmental Panel on Climate Change Version2 Cu Thi Phuong, 2011, Impacts of climate change on runoff and reservoir system regulation of Ca river in Vietnam Small Grant project, AusAID DHI Software (2000) "MIKE BASIN Rainfall-Runoff Modelling." Goodess C.M., a P., J.P (1998) "Development of daily rainfall scenarios for southeast Spain using a circulation-type approach to downscaling." International Journal of Climatology 10 IPPC http://www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data.shtml MONRE (2009) Integrated water resources management of Ca basin Abstract: IMPACTS OF CLIMATE CHANGE ON RUNOFF ACROSS CA RIVER BASIN Ca river basin is one of the main basins in the North of Center Vietnam The basin is very steep leading to difficults in water resources in dry season Simulations of future climate using general circulation models (GCMs) suggest that rising concentrations of greenhouse gases may have significant consequences for the global climate In this paper, a downscaling technique is used to simulate rainfall change in the future at 12 stations within Ca river Basin based on Global circulation model HadCM3 A hydrological model is then used to simulate streamflows in each subbasin under the downscaled current- and future-climate conditions Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ 84 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) ... lai ứng với kịch bản: (1) Khơng tính đến biến đổi khí hậu; (2) Biến đổi khí hậu kịch A2; Biến đổi khí hậu kịch B2 Cơ sở lý luận: Sự biến đổi dòng chảy lưu vực mô dựa mô hình hệ thống MIKE BASIN... 2071-2099 Dòng chảy đến Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng Biến đổi dòng nút chảy chảy chảy chảy chảy chảy P Q Q m3/s m3/s Q m3/s Q m3/s Q m3/s ... với kịch B2 THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Lưu vực sông Cả lưu vực gặp nhiều khó khăn nguồn nước vào mùa khơ ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến nguồn nước sông lưu vực sông vấn đề được quan tâm ngành sử