Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến cực trị dòng chảy trên lưu vực sông Nhuệ Đáy thuộc thành phố Hà Nội

Qua tổng quan đã tìm hiểu các phương pháp đánh giá tài nguyên nước dưới tác động của biến đổi khí hậu cũng như phương pháp hiệu chỉnh số liệu khí tượng, từ đó lựa chọn cách tính toán thủy văn offline, được nhận định là một phương pháp thực tiễn và hiệu quả trong nghiên cứu biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước cho đến nay, lựa chọn phương pháp hạ quy mô thống kê kết hợp với kết quả đã được hạ quy mô động lực thông qua hệ số hiệu sai nhằm cải thiện kết quả đầu ra của mô hình khí hậu. Qua nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực và tình hình phát triển kinh tế xã hội sông Nhuệ Đáy có thể thấy rằng khu vực đóng vai trò là vùng kinh tế trọng điểm , tập trung đông dân dẫn đến tăng nhu cầu nước, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh, Hà Nội có khả năng phải chịu những tác động nghiêm trọng hơn do biến đổi khí hậu. Một điểm cần chú ý nữa là hiện tượng úng ngập ở Hà Nội thường xuyên xảy ra, nhiều trận mưa thậm chí với cường độ 50 mm/giờ đã gây úng ngập ở nhiều khu vực, gây những hậu quả nghiêm trọng đối với nhiều ngành kinh tế quốc dân.

pdf86 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Ngày: 24/12/2013 | Lượt xem: 1350 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến cực trị dòng chảy trên lưu vực sông Nhuệ Đáy thuộc thành phố Hà Nội, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
0.2 0.1 0.0 [] Model Series Data Series Low er Calc Threshold RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff R2 = 0.862 9-2-1975 0-5-1975 28-8- 5 6-12-1975 15-3-1976 23-6- 976 1-10-1976 9-1-1977 19-4-1977 28-7-1977 5-11-1977 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 [m^3/s] 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 [] Model Series Data Series Low er Calc Threshold RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff R2 = 0.811 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 [m^3/s]Gauge 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 [m^3/s] Model Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.836 b=11.5 Theoretical Best Fit Line RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff R2 = 0.862 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300. 350.0 400.0 [m^3/s]Gauge 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 [m^3/s] Model Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.892 b=5.85 Theoretical Best Fit Line Hình 3. 3a. Hiệu chỉnh mô hình NAM xây dựng cho tiểu lƣu vực ND1 - Ba Thá (1972-1974). Sai số tổng lƣợng tích lũy = 0.3%, và NSE=0.824. Hình 3. 3b. Kiểm định mô hình NAM xây dựng cho tiểu lƣu vực ND1 - Ba Thá cho (1976-1978). Sai số cân bằng nƣớc tích lũy = 0.4%, và NSE=0.858. 52 Bảng 3. 3. Bộ thông số tối ƣu cho lƣu vực sông Nhuệ Đáy Thông số Umax Lmax CQOF CKIF CK1.2 TOF TIF TG CKBF CK2 14 292 0.568 282.5 88.9 0.0374 0.141 0.0541 1318 10 U L QOF QIF BF Điều kiện ban đầu 0.6 0.4 5 1 8 3.3 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG CỰC TRỊ DÒNG CHẢY 3.3.1 Biến động các đặc trƣng dòng chảy lũ 3.3.1.1 Dòng chảy lũ, dòng chảy 3 tháng lớn nhất và dòng chảy tháng lớn nhất Sử dụng chỉ tiêu phân mùa dòng chảy (mùa lũ bao gồm các tháng liên tục trong năm có lƣu lƣợng dòng chảy bình quân tháng bình quân nhiều năm đạt hoặc vƣợt lƣu lƣợng dòng chảy bình quân năm nhiều năm; mùa kiệt bao gồm các tháng còn lại) cho thấy xu hƣớng biến đổi rõ rệt trên lƣu vực mà do sự khác biệt về mƣa và đặc điểm lƣu vực, cụ thể là diện tích lƣu vực và độ cao. Tính chất của dòng chảy lũ trong giai đoạn 1970 – 1999 không mạnh có xu hƣớng biến đổi ít đột ngột và diễn ra trong 6 tháng, bắt đầu tháng VI và kết thúc tháng XI cũng đƣợc kết luận trong nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sơn (2011) [13]. Dòng chảy mùa lũ giai đoạn 2010 – 2050 ở cả 2 kịch bản A1B, A2 tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với 2 xu hƣớng đối lập, dòng chảy tăng mạnh về cƣờng độ ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu (hình 3. 4). Biến đổi khí hậu tác động đến dòng chảy tƣơng tự nhau nhƣng khác nhau về cƣờng độ. Kịch bản A2 gây ra tác động tăng lớn hơn ở dòng chảy lũ ở các lƣu vực thƣợng lƣu và tác động giảm nhỏ hơn ở các lƣu vực hạ lƣu so với kịch bản A1B ngoại trừ tiểu lƣu vực ND3, điểm đặc biệt ở đây là xu hƣớng giảm ở vùng hạ lƣu này thể hiện cả trên dòng chảy kiệt (xem xét kỹ hơn ở phần sau). Lƣu vực ND3, nằm ở rìa phía Tây với trạm khống chế cửa ra trạm Thủy văn Hƣng Thi, cho thấy một xu hƣớng hoàn toàn độc lập so với xu hƣớng diễn ra ở vùng thƣợng lƣu và hạ lƣu đã đề cập ở trên. Biến đổi khí hậu theo kịch bản A1B 53 làm giảm dòng chảy trong khi xu hƣớng tăng nhẹ đƣợc tìm thấy dƣới tác động của kịch bản A2. Hình 3. 4. Diễn biến dòng chảy tháng trung bình nhiều năm trên các tiểu lƣu vực cho từng thời kỳ thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy 54 Hình 3. 5a. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản A1B và giai đoạn nền (1970 – 1999) Hình 3. 5b. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản A2 và giai đoạn nền (1970 – 1999) Trên hình 3. 5, biểu đồ cột cho thấy sự thay đổi dòng chảy 6 tháng (màu xám) và dòng chảy 4 tháng mùa lũ (màu đen) trên lƣu vực trong điều kiện khí hậu kịch bản A1B (hình 3. 5a) và kịch bản A2 (hình 3. 5b) so với điều kiện khí hậu giai đoạn nền. Điểm đáng chú ý nhất trong hình 3. 5 là sự thay đổi mạnh của dòng chảy 4 tháng mùa lũ trong cả 2 kịch bản so với sự thay đổi của dòng chảy 6 tháng mùa lũ. Sự thay đổi điều kiện khí hậu theo kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy 6 tháng mùa lũ trên lƣu vực ND1 tăng 6.33%, 24.03%. Trong khi dòng chảy 4 tháng mùa lũ theo 2 kịch bản tăng 10.45% và 27.56% tƣơng ứng. Trên lƣu vực ND5, dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ dƣới tác động của khí hậu kịch bản A1B giảm 21.1%, 16.2% và kịch bản A2 giảm 4.95%, 3.03% tƣơng ứng. Với lƣu vực ND3 con số này tƣơng ứng là -13.18%, -9.07% với kịch bản A1B, +15.09, 17.99% với kịch bản A2. Xu thế biến đổi theo không gian của dòng chảy dƣới tác động của biến đổi khí hậu này là do trên lƣu vực xuất hiện 2 xu hƣớng thay đổi mƣa khác nhau theo kịch bản, tăng ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu. Tác động của điều kiện khí hậu khác nhau theo 2 kịch bản đối với dòng chảy khi xét đến đại lƣợng trung bình mùa lũ, 3 tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều 55 năm, tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều năm và tháng lũ lớn nhất tuyệt đối đƣợc minh họa trên hình 3. 6 và tổng kết trong bảng 3. 4. Bảng 3. 4. Thay đổi của một số đặc trƣng dòng chảy lũ của lƣu vực ND1 Lƣu vực ND1 Dòng chảy mùa lũ Dòng chảy tháng lớn nhất Dòng chảy tháng lớn nhất tuyệt đối Dòng chảy ba tháng lớn nhất Giai đoạn a1b a2 a1b a2 a1b a2 a1b a2 1970-1999 89.23 150.91 297.86 119.01 2010-2019 87.96 124.41 173.27 238.37 338.18 819.76 127.14 171.94 2020-2029 106.19 95.41 179.63 176.99 356.28 373.23 142.00 132.56 2030-2039 106.15 131.24 196.98 297.85 486.05 883.82 147.56 189.60 2040-2049 79.23 91.64 149.91 192.60 311.16 474.14 112.82 131.97 2010-2049 94.88 110.67 174.95 226.45 372.92 637.74 132.38 156.52 % thay đổi 6.33% 24.03% 15.93% 50.06% 25.20% 114.11% 11.23% 31.52% Hình 3. 6 này cho thấy 2 xu hƣớng khác biệt ở 2 khu vực thƣợng lƣu và hạ lƣu của các đặc trƣng dòng chảy lũ, xu hƣớng tăng ở vùng thƣợng lƣu (màu đỏ) và xu hƣớng giảm ở hạ lƣu (màu xanh) và đều thể hiện một xu hƣớng thay đổi tƣơng tự nhau dƣới tác động của cả 2 kịch bản nhƣng khác nhau về mức độ đối với cả 3 đặc trƣng dòng chảy bao gồm 3 tháng lớn nhất, tháng lớn nhất và tháng lớn nhất tuyệt đối. Khoảng biến đổi của dòng chảy mùa lũ từ -23.05% đến +8.95% dƣới tác động của kịch bản A1B, -7.24% đến + 21.22% dƣới tác động của kịch bản A2. Trong khi khí hậu của kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy tháng lớn nhất dao động trong khoảng -21.39% đến +21.98% và khoảng +5.74% đến 41.48% tƣơng ứng. Điều đó cho thấy một điểm thú vị là khoảng biến đổi có xu hƣớng thiên dƣơng đối với những yếu tố cực trị hơn hay nói cách khác những yếu tố cực trị hơn chịu tác động mạnh hơn của kịch bản biến đổi khí hậu (hàng cuối bảng 3. 4), đồng thời xu hƣớng thiên dƣơng cũng tìm thấy khi so sánh biến đổi dƣới tác động của kịch bản A2 so với kịch bản A1B, làm dòng chảy tăng mạnh hơn kịch bản A1B ở khu vực phía bắc, giảm nhẹ hơn ở khu vực phía Nam. So sánh với nghiên cứu trƣớc [17] thể hiện xu hƣớng tăng của dòng chảy mùa lũ trên toàn lƣu vực sông Hồng – Thái Bình, sở dĩ có sự khác biệt trong kết quả này là do nghiên cứu trƣớc đƣợc phân tích với dải kịch bản khác cũng nhƣ sử 56 dụng mô hình khí hậu khu vực khác, hơn nữa nghiên cứu đƣợc thực hiện trên lƣu vực quy mô lớn không cho phép thể hiện một cách chi tiết xu hƣớng biến đổi nhƣ trong nghiên cứu này. Hình 3. 6. Biến động theo không gian của các đặc trƣng dòng chảy lũ trên hệ thống lƣu vực sông Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B 57 Nhận xét: Tồn tại 2 xu thế biến đổi chính của dòng chảy trên lƣu vực, thƣợng lƣu và hạ lƣu. Dòng chảy lũ và dạng lũ thay đổi đáng kể, dòng chảy lũ tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với cƣờng độ lớn hơn ở thƣợng lƣu, nhỏ hơn ở hạ lƣu. Tính cực trị của yếu tố chịu ảnh hƣởng mạnh hơn bởi biến đổi khí hậu, đồng thời tác động của kịch bản A2 lớn hơn so với A1B. 3.3.1.2 Thời gian xuất hiện đỉnh lũ Xu hƣớng biến đổi dạng lũ đƣợc thể hiện rõ rệt hơn qua đƣờng quá trình dòng chảy cực đại tháng qua từng giai đoạn (hình 3. 7) trên 5 lƣu vực cơ sở thuộc hệ thống lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Xem xét thời gian xuất hiện đỉnh lũ cho các năm trong từng giai đoạn (hình 3. 7), phần lớn đỉnh lũ xuất hiện vào tháng VIII trong giai đoạn 1970 – 1999 trong khi đó xuất hiện vào tháng X trong giai đoạn 2010 – 2050. Cƣờng độ biến đổi của dòng chảy cực đại tháng dƣới tác động của 2 kịch bản vẫn thể hiện hai xu hƣớng chính. Ở các lƣu vực thƣợng lƣu, cƣờng độ dòng chảy biến đổi mạnh và đột ngột, mức độ biến đổi của dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A2 vẫn lớn hơn đáng kể so với kịch bản A1B. Ở hạ lƣu dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A1B cho thấy một dao động tƣơng tự với dòng chảy ở điều kiện khí hậu hiện tại, thậm chí còn ít rủi ro hơn; dƣới tác động của kịch bản A2 mức độ rủi ro của dòng chảy tăng cao, có sự xuất hiện của 2 đỉnh lũ lớn gần tƣơng đƣơng nhau vào 2 thời điểm, tháng VIII và tháng X. Dao động dòng chảy ngày lớn hơn so với hiện tại, yếu tố này đƣợc thể hiện qua so sánh đại lƣợng độ lệch chuẩn dòng chảy tháng tại các tiểu lƣu vực trên Nhuệ Đáy cho từng giai đoạn. Nhìn chung độ lệch chuẩn có xu hƣớng tăng do giá trị thấp và cao hơn giá trị trung bình biến đổi lớn, độ lệch chuẩn lớn nhất vào tháng X trên cả 5 tiểu lƣu vực khác với giai đoạn hiện tại, độ lệch chuẩn lớn nhất vào khoảng tháng VIII hoặc tháng IX. Xu hƣớng dịch chuyển này có khả năng do sự khác biệt về thời gian phản ứng với mƣa của lƣu vực và khoảng thời gian mƣa. Nhƣ vậy tác động của biến đổi khí hậu gây ra dao động mạnh của dòng chảy ngày, đồng thời dẫn đến sự dịch chuyển về cuối năm của tháng đỉnh lũ, muộn hơn 58 với cƣờng độ lớn hơn. Ngƣợc lại dòng chảy hạ lƣu cho thấy một dấu hiêu khả quan hơn, ít biến động hơn dƣới tác động của kịch bản A1B. Hình 3. 7. Đƣờng quá trình dòng chảy tháng cực đại tại các tiểu lƣu vực sông Nhuệ Đáy cho thời kỳ nền, kịch bản A1B và kịch bản A2 59 3.3.1.3 Dòng chảy ngày cực đại Hình 3. 8 thể hiện xu thế biến đổi của dòng chảy ngày cực đại trên các tiểu lƣu vực từ năm 1970 đến 2049 theo 2 kịch bản A1B và A2, đƣợc xác định từ hệ số góc A của phƣơng trình hồi qui tuyến tính một biến. Giá trị tuyệt đối của hệ số A càng lớn có nghĩa là mức độ biến đổi của nó càng mạnh và dấu của hệ số này cho thấy xu thế biến đổi, giảm khi mang dấu âm và ngƣợc lại tăng khi mang dấu dƣơng. Hình 3. 8. Biến động dòng chảy ngày cực đại theo thập niên trên lƣu vực Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B 60 Xét trong thời kỳ 1970 – 2049, kết quả tính toán cho thấy xu thế tăng nhanh của dòng chảy theo thời gian, đƣợc biểu hiện qua giá trị tƣơng đối lớn và dƣơng của hệ số A với giá trị lớn nhất 3.4, 2.6 ở ND1, ND4 tƣơng ứng, thể hiện rõ rệt trong hầu hết các tiểu vùng ngoại trừ ND5 có hệ số A âm, giá trị của nó mặc dù không lớn nhƣng cho thấy xu hƣớng đối lập là xu hƣớng giảm theo thời gian của dòng chảy. Đƣờng xu thế của toàn chuỗi cho từng thời kỳ cho thấy biến đổi của dòng chảy cực đại từng 10 năm tƣơng tự nhau nhƣng khác về mức độ. Trên tiểu vùng ND1, xu thế của thời đoạn 70 – 99 giảm, xu thế của 3 thời đoạn 2010 - 2049 đều tăng theo thời gian và tăng so với thời đoạn 70 – 99 nhƣng tốc độ tăng của thời kỳ sau cao hơn thời kỳ trƣớc. Các lƣu vực khác cũng biến đổi tƣơng tự nhƣng tốc độ tăng chậm hơn ND1. Riêng tiểu lƣu vực ND5 cho thấy xu hƣớng đối lập, 3 thời đoạn 2010 – 2049 có xu hƣớng giảm so với giai đoạn 70 – 99. Tác động của kịch bản A2 đối với dòng chảy cũng thể hiện một bức tranh hoàn toàn tƣơng tự, nhƣng với cƣờng độ lớn hơn. Nhìn chung dòng chảy ngày cực đại thế hiện xu thế tăng chủ đạo trong cả thời kỳ 1970 – 2049, tăng mạnh hơn ở lƣu vực sông Đáy, tuy nhiên đƣợc tách biệt với 2 xu thế đối lập, giảm trong giai đoạn hiện tại và tăng trong giai đoạn tƣơng lai. 3.3.1.4 Chế độ lũ Chế độ lũ đƣợc mô tả thông qua đƣờng tần suất lũ. Nghiên cứu phân tích tần suất lũ của chuỗi dòng chảy cực đại, liên hệ cƣờng độ lũ với giai đoạn lặp lại trong các biến, đƣợc gọi là phân vị lũ. Sự biến đổi trong 2 chỉ số lũ đƣợc xem xét: tính nghiêm trọng của lũ đƣợc mô tả bởi sự thay đổi trong cƣờng độ của một trận lũ với thời gian lặp lại xác định, và tần suất của trận lũ đƣợc mô tả thông qua sự thay đổi trong thời gian lặp lại của một trận lũ với cƣờng độ xác định. Dòng chảy 3 ngày lớn nhất ứng với các tần suất 1%, 2%, 5%, 10% đƣợc xác định thông qua phân tích tần suất chuỗi dòng chảy lớn nhất theo qui luật phân bố log chuẩn trong đó các thông số thống kê xác định bằng phƣơng pháp mômen cho cả 2 kịch bản và giai đoạn nền sử dụng phần mềm phân bố tần suất 61 FFC2008. Phân bố log chuẩn đƣợc chọn trong nghiên cứu này bởi vì tính phổ biến và mạnh của nó trong phân tích cực trị, đồng thời nó cho thấy mức độ phù hợp tốt nhất giữa đƣờng phân bố tần suất lý luận và thực nghiệm trên lƣu vực Nhuệ Đáy so với các phân bố khác (hình 3. 9a, b, c). Các trận lũ với thời gian xuất hiện lại là 2, 5, 10 và 20 năm đƣợc phân tích vì chúng thể hiện một dải các trận lũ từ tƣơng đối phổ biến (giai đoạn xuất hiện lại là 2 năm) đến sự kiện tƣơng đối hiếm. Hình 3. 9a. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Giai đoạn nền Hình 3. 9b. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A1B 62 Hình 3. 9c. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A2 Phân bố tần suất của dòng chảy 3 ngày lớn nhất và độ lặp lại của từng tần suất cho 5 tiểu lƣu vực tƣơng ứng với giai đoạn nền và kịch bản đƣợc đƣợc tổng kết trong bảng 3. 5 cho thấy 2 dạng biến đổi đƣợc xác định theo không gian. Đối với lƣu vực thƣợng lƣu, cƣờng độ dòng chảy của tất cả các phân vị lũ tăng rõ rệt ở cả 2 kịch bản, cƣờng độ của sự thay đổi mặc dù biến đổi giữa chúng. Khoảng tăng từ 46.44 đến 71.94% và 1.74 đến 3.02 lần cho tất cả các phân vị đối với kịch bản A1B và A2 tƣơng ứng, sự thay đổi lớn nhất có thể bằng 8 lần sự thay đổi nhỏ nhất. Phản ứng của lƣu vực hạ lƣu đối với biến đổi khí hậu hỗn hợp với giảm cƣờng độ dòng chảy trong kịch bản A1B và tăng cƣờng độ với kịch bản A2. Dòng chảy ứng với các tần suất giảm từ 27.48 đến 37% trong kịch bản A1B, 37.43% đến 43.61% trong kịch bản A2. Điều này do sự khác biệt trong kịch bản biến đổi khí hậu ở 2 khu vực mặc dù chúng đều nằm trong lƣu vực Nhuệ Đáy. Những biến đổi này đƣợc thể hiện trực quan qua biểu đồ đƣờng (hình 3. 9), thể hiện mức độ thay đổi cƣờng độ dòng chảy ứng với các tần suất khác nhau trên 5 tiểu lƣu vực cho 2 kịch bản A1B và A2. Dạng thay đổi theo khu vực có chút xáo trộn, cả mức độ tăng và giảm của cƣờng độ lũ tƣơng ứng đều lớn lớn hơn trên lƣu vực ND2 và ND5 (tăng 94.6% và 63 giảm 31.8% trong cƣờng độ lũ ứng với tần suất 10% tƣơng ứng) so với ND1 và ND4 (46.4% tăng và 27.5% giảm tƣơng ứng). Điều đó cho thấy biến đổi đáng kể nhất diễn ra trên lƣu vực sông Nhuệ. Trên ND3, bằng chứng của xu hƣớng tăng trong kịch bản A1B rất yếu (từ 0.00 đến 0.03%), mặc dù kịch bản A2 vẫn thể hiện xu hƣớng tăng đáng kể (1.28 đến 2.02 lần ứng với tần suất 10% và 1%). Bảng 3. 5. Phân bố tần suất dòng chảy 3 ngày lớn nhất ND1 Cƣờng độ lũ với với tần suất P Thời gian xuất hiện lại (năm) P Baseline A1B A2 A1B A2 1% 698.34 1200.73 2812.33 14 << 2% 616.82 1017.08 2248.72 9 << 5% 512.02 792.86 1607.71 6 << 10% 433.91 635.43 1193.14 << << ND2 P Baseline A1B A2 A1B A2 1% 177.17 543.23 527.79 7 5 2% 156.49 426.15 430.90 6 << 5% 129.9 296.07 317.84 << << 10% 110.08 214.20 242.52 << << ND3 P Baseline A1B A2 A1B A2 1% 435.61 434.22 1314.46 > 100 7 2% 372.89 374.94 1045.86 49 5 5% 295.31 300.82 742.22 19 << 10% 240.02 247.35 547.22 8 << ND4 P Baseline A1B A2 A1B A2 1% 518.87 342.48 814.29 > 1000 21 2% 445.12 301.10 674.78 > 500 14 5% 353.65 248.21 509.00 > 100 8 10% 288.26 209.05 396.18 41 << ND5 P Baseline A1B A2 A1B A2 1% 253.69 159.84 440.43 > 1000 17 2% 220.52 141.84 363.59 > 500 12 5% 178.70 118.57 272.70 > 200 7 10% 148.25 101.12 211.18 64 << 64 Có một xu hƣớng chung nổi bật là lũ càng hiếm chịu tác động của biến đổi khí hậu càng lớn (Bảng 3. 5), kết luận này cũng đã đƣợc đề cập đến trong nghiên cứu khác [16]. Trên lƣu vực ND1, cƣờng độ lũ tần suất 10% tăng 46.44% (đƣờng tím – hình 3. 10) so với giai đoạn nền trong khi cƣờng độ với tần suất 1% tăng 71.94% (đƣờng xanh biển – hình 3. 10) dƣới tác động của kịch bản A1B, cƣờng độ lũ tăng 3.02 đến 1.75 lần ứng với tần suất 1% và 10% dƣới tác động của kịch bản A2. Đồng thời trên tiểu lƣu vực ND4, giảm 34% đƣợc tìm thấy ở cƣờng độ lũ với tần suất 1% và giảm 27.5% cƣờng độ lũ ứng với tần suất 10% trong kịch bản A1B. Hình 3. 10. Thay đổi cƣờng độ dòng chảy ứng với các tần suất khác nhau trên 5 tiểu lƣu vực cho 2 kịch bản A1B và A2 65 Vì quan hệ giữa độ lặp lại và cƣờng độ lũ không tuyến tính, nó quan trọng để phân tích tần suất của một cƣờng độ xác định thay đổi trong tƣơng lai. Bảng 3. 5 thể hiện độ lặp lại gắn với các tần suất tƣơng ứng cho 2 kịch bản A1B và A2. Giai đoạn lặp lại của một cƣờng độ lũ lựa chọn nói chung cũng thể hiện theo 2 xu hƣớng chính, giảm ở thƣợng lƣu và tăng ở khu vực hạ lƣu theo kịch bản A1B, giảm trên toàn bộ lƣu vực theo kịch bản A2, cho thấy rằng một trận lũ với cƣờng độ xác định trƣớc đƣợc dự tính xảy ra thƣờng xuyên hơn hiện tại. Độ lặp lại 100 năm ở lƣu vực ND1 có khả năng sẽ xảy ra sau 14 năm theo kịch bản A1B, nhỏ hơn 5 năm theo kịch bản A2. Tuy nhiên, những thay đổi này khó nhận thấy để có thể đƣa ra quy trình thích nghi và không thể hiện liên kết với tần suất của một sự kiện lũ. Những biến đổi tƣơng tự theo không gian của cƣờng độ lũ cũng đƣợc tìm thấy trong độ lặp lại, giảm lớn nhất trong thời gian lặp lại ở ND2 và tăng lớn nhất trên ND5. Với tiểu lƣu vực ND3 vẫn thể hiện xu hƣớng riêng so với các tiểu lƣu vực khác, tăng trong kịch bản A1B không rõ ràng, và giảm đáng kể ở kịch bản A2. Nhận xét: Những sự kiện hiếm hơn cho thấy sự biến đổi lớn hơn, đồng thời xảy ra thƣờng xuyên hơn dƣới tác động của biến đổi khí hậu, mặc dù khác nhau về mức độ giữa các kịch bản. Xét theo không gian sông Nhuệ chịu tác động lớn hơn, và khu vực thƣợng lƣu cũng cho thấy mức rủi ro lớn hơn so với những vùng khác. 3.3.2 Biến động các đặc trƣng dòng chảy kiệt Đối tƣợng dòng chảy kiệt trong phạm vi nghiên cứu này là một hiện tƣợng theo mùa và thành phần tổng hợp của chế độ dòng chảy trong sông, đƣợc giới hạn trong những quá trình hoạt động trong mùa khô và khía cạnh khác nhau của đầu ra tích lũy của những quá trình này – dòng chảy kiệt nhƣ một phần của đƣờng quá trình dòng chảy liên tục. 3.3.2.1 Dòng chảy kiệt và tháng kiệt nhất Dòng chảy kiệt đƣợc tính toán cho giai đoạn từ tháng XII năm nay đến tháng V năm sau (nửa năm) cho mỗi năm trong từng giai đoạn nền và tƣơng lai. Tác động 66 của 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B và A2 đều gây ra cả xu hƣớng tăng và giảm trong dòng chảy kiệt của lƣu vực, đồng thời thể hiện khoảng dao động rộng trong dòng chảy (hình 3. 11). Trên các tiểu lƣu vực ND1, ND2 dòng chảy kiệt dƣới tác động của kịch bản A1B tăng tƣơng ứng 23.21 (3.13 m3/s), 8.23 (0.36 m3/s); giảm 20.58% (1.41 m 3 /s), 24.38% (2.21 m 3 /s) và 27.51% (1.45 m 3 /s) trong dòng chảy kiệt đƣợc tìm thấy trên các tiểu lƣu vực còn lại, ND3, ND4 và ND5. Điều đó cho thấy mặc dù dòng chảy biến đổi mạnh về tỉ lệ, nhƣng giá trị thay đổi thực là không đáng kể, tƣơng đƣơng với tăng hoặc giảm trong khoảng 1 đến 3 m3/s do bản thân dòng chảy kiệt của khu vực nghiên cứu thấp. Kịch bản A2 gây ra tác động tăng tuyến tính so với kịch bản A1B do đó vẫn thể hiện cùng tính chất biến đổi theo không gian, dao động tăng trong khoảng 10.17% (ND3) đến 47.25% (ND1), giảm từ 6.05% (ND4) đến 9.36% (ND5). Từ các chấm tròn thể hiện trên hình 3. 11, có thể thấy xu hƣớng giảm của dòng chảy tháng kiệt nhất nổi bật trên toàn lƣu vực, ngoại trừ tiểu lƣu vực ND1 dƣới tác động của kịch bản A1B. Giảm nhỏ nhất trong dòng chảy tháng kiệt nhất là 1.81% (tƣơng đƣơng với 0.03 m3/s) trên lƣu vực ND2, giảm lớn nhất là 37.54% (tƣơng đƣơng 0.77 m3/s) trên ND5. Riêng trên lƣu vực ND1 cho thấy giá trị dòng chảy tháng kiệt nhất tăng 17.85% tƣơng đƣơng với 0.78 m3/s. Kịch bản A2 cho thấy bằng chứng của xu hƣớng tƣơng tự, dòng chảy tháng kiệt nhất tăng ở các tiểu lƣu vực thƣợng lƣu, ngƣợc lại ở hạ lƣu. Kết quả tính toán cho thấy dòng chảy tăng lớn nhất trên lƣu vực ND1, 45.58% (xấp xỉ 2 m3/s), nhỏ nhất trên ND3, 2.12% (0.05 m 3 /s). Trên tiểu vùng ND2 dòng chảy tháng kiệt nhất tăng 15.15% (0.226 m3/s). Ngƣợc lại tiểu vùng ND4, ND5 dòng chảy giảm 5.49%, 8%, tƣơng đƣơng 0.19 m 3 /s, 0.16 m 3 /s. Nhận xét: Nhƣ vậy có thể kết luận rằng dòng chảy tháng kiệt nhất của lƣu vực sông Nhuệ chịu tác động lớn hơn của biến đổi khí hậu và kịch bản A2 gây ra một tác động tăng tuyến tính đến cả dòng chảy mùa kiệt và dòng chảy tháng kiệt nhất so với kịch bản A1B trên cả 5 lƣu vực cơ sở. Tuy nhiên, những thay đổi của đặc trƣng kiệt rất nhỏ (chỉ dao động từ 2 đến 6 m3/s ở cả 2 kịch bản). 67 Hình 3. 11. Biến động dòng chảy kiệt theo không gian kịch bản A1B trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy thuộc địa phân thành phố Hà Nội. 3.3.2.2 Dòng chảy 3 tháng kiệt nhất Hình 3. 12 biểu diễn đƣờng xu thế biến đổi của giá trị cực tiểu tháng trung bình nhiều năm qua từng thập niên từ 1970 đến 2049 cho thấy xu thế và mức độ biến đổi kế tiếp hay chính là chênh lệch giữa 10 năm sau so với 10 năm trƣớc. 68 Hình 3. 12. Biến động dòng chảy kiệt trên các tiểu vùng thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B qua từng thập niên và từng thời kỳ Nhìn chung, chu kỳ của dòng chảy kiệt khoảng 10 năm thể hiện khá rõ rệt, xen kẽ thời kỷ nƣớc nhiều và nƣớc ít và theo 2 xu hƣớng đối lập theo không gian trên toàn lƣu vực nghiên cứu qua đƣờng trung bình trƣợt 10 năm (hình 3. 12). Xét trong thời kỳ dài từ 1970 đến 2049, xu thế tăng ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu theo thời gian. Tuy nhiên mức độ biến đổi không lớn, hệ số của đƣờng xu thế dao động trong khoảng 0.00 đến 0.06 trên các tiểu lƣu vực. 69 Dòng chảy kiệt xét trong phạm vi thời gian từng thập niên thể hiện 2 xu hƣớng chủ đạo, giảm trong thời kỳ 70 – 99, phù hợp với kết quả của nghiên cứu trƣớc [8], và tăng trong các thời kỳ 2010 – 2049, mức độ biến đổi mặc dù chênh lệch không đáng kể. Xét theo không gian cũng cho thấy bằng chứng của 2 xu hƣớng biến đổi chính, ở phía Bắc xu hƣớng thập kỷ sau tăng tuyến tính so với thập kỷ trƣớc trong cả giai đoạn dài từ 1970 đến 2049 thể hiện qua độ dốc của đƣờng xu thế và hệ số của phƣơng trình hồi quy tuyến tính một biến, trong khi ở khu vực phía Nam xu thế này đƣợc tìm thấy trong giai đoạn 2010 đến 2049, và đều thấp hơn dòng chảy thời kỳ 1970 – 1999. Một điểm đáng chú ý là gradient của đƣờng xu thế tăng, lớn nhất ở thập niên cuối 40 – 49, cho thấy biên độ dao động của dòng chảy kiệt tăng theo thời gian dƣới tác động của biến đổi khí hậu. Dòng chảy kiệt nhìn chung vẫn thể hiện 2 xu thế đối lập theo không gian tƣơng tự dòng chảy lũ. Nghĩa là biến đổi khí hậu gây ra tác động giống nhau theo mùa nhƣng biến đổi theo không gian. 3.3.2.3 Đường xác suất vượt ngưỡng Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy (FDC) cho phép thể hiện đẩy đủ thông tin dòng chảy trong sông từ dòng chảy kiệt đến lũ. Nó là quan hệ giữa giá trị lƣu lƣợng xác định và phần trăm thời gian mà lƣu lƣợng này bằng hoặc bị vƣợt quá, hay nói cách khác – quan hệ giữa cƣờng độ và tần suất của lƣu lƣợng. Tần suất xuất hiện của một giá trị lƣu lƣợng này là một yếu tố quan trọng trong quản lý tài nguyên nƣớc. Do đó ba khía cạnh của đƣờng cong FDC đƣợc xem xét: biến đổi dòng chảy theo thời gian thể hiện qua độ dốc của đƣờng FDC, thay đổi của cƣờng độ dòng chảy vƣợt quá x% và thay đổi trong cƣờng độ vƣợt quá của Qx hiện tại. FDC đƣợc xây dựng bằng cách tập hợp lại chuỗi dòng chảy theo trật tự giảm dần, gắn giá trị dòng chảy và khoảng phân lớp và tính số lần xuất hiện trong mỗi khoảng. Tần suất khoảng tích lũy sau đó đƣợc xác định và biểu diễn dƣới dạng phần trăm của số bƣớc thời gian tổng trong chuỗi số liệu. Cuối cùng giới hạn dƣới của 70 các khoảng phân cấp lƣu lƣợng và phần trăm xuất hiện đƣợc đƣa lên đồ thị. FDC đƣợc xây dựng trên giấy log – chuẩn, cho phép FDC đƣợc thể hiện rõ ràng. Hình 3. 13a. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo các điều kiện khí hậu khác nhau tại lƣu vực ND1 Hình 3. 13b. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo điều kiện khí hậu giai đoạn nền cho từng tiểu lƣu vực 71 Trong nghiên cứu số liệu dòng chảy tháng nhiều năm cho giai đoạn nền, kịch bản A1B và A2 đƣợc sử dụng để xây dựng FDC (hình 3. 13a). Trong hình 3. 13b đƣờng FDC đƣợc xây dựng với dòng chảy chuẩn hóa, nghĩa là dòng chảy đƣợc chia cho diện tích lƣu vực, việc chuẩn hóa này nhằm mục đích so sánh giữa các lƣu vực vì nó loại trừ đƣợc sự khác nhau trong FDC gây ra bởi sự khác nhau trong diện tích lƣu vực. Sự biến đổi của đƣờng FDC trên các tiểu lƣu vực thể hiện xu hƣớng biến đổi tƣơng tự nhau, do đó lƣu vực con ND1 đƣợc lựa chọn để minh họa cho tác động của biến đổi khí hậu. Độ dốc phần dƣới của đƣờng FDC cho cả điều kiện khí hậu nền, kịch bản A1B và A2 trên các tiểu lƣu vực lớn và gần nhƣ trùng nhau, thể hiện sự biến đổi mạnh của dòng chảy, và cho thấy mức độ đóng góp của dòng ngầm để duy trì dòng chảy mùa kiệt trên lƣu vực là rất nhỏ (hình 3. 13a, b), đồng thời điều đó cũng nói lên tác động nhỏ của biến đổi khí hậu đối với phần dòng chảy thấp. Phần trên của đƣờng FDC cho thấy 2 xu hƣớng khác biệt dƣới tác động của 2 kịch bản. Trong điều kiện kịch bản A2, độ dốc của phần phía trên của đƣờng FDC lớn hơn đáng kể so với kịch bản A1B và thời kỳ nền. Sự khác biệt này cho thấy kịch bản A2 nhạy hơn với những biến đổi trong giá trị dòng chảy lớn, giá trị dòng chảy ứng với tần suất nhỏ hơn 10% trong đó giá trị dòng chảy ứng với tần suất nhỏ hơn 1% thể hiện xu hƣớng này rõ rệt hơn. Khác với kịch bản A2, đƣờng FDC của A1B và giai đoạn nền gần nhƣ trùng khít với nhau, từ đó có thể kết luận kịch bản A1B tác động không đáng kể đến các phân vị của dòng chảy tháng trung bình. Tỉ lệ Q90/Q50 của A1B giảm 7.7% và 40.5% đối với A2 cho thấy tỉ lệ dòng ngầm đóng góp vào dòng chảy có xu hƣớng giảm, điều này có khả năng do dòng chảy tổng tăng trong khi thành phần dòng ngầm không thay đổi. Kết quả tính toán cho thấy xu hƣớng giảm theo thời gian của phân vị Q90, 1.2% theo điều kiện khí hậu kịch bản A1B và 34.1% theo kịch bản A2. Tuy nhiên Q75 và những phân vị bé hơn thể hiện xu thế biến đổi ngƣợc lại, xu hƣớng tăng và tăng mạnh hơn ở những phân vị thấp hơn. Phân vị Q75 của giai đoạn sau chỉ tăng 1.81% so với thời kỳ nền trong khi đó phân vị Q50 tăng 7.03%, điều đó cho thấy xu hƣớng giảm nhẹ trong 72 giá trị dòng chảy nhỏ hơn dòng chảy trung bình đồng thời tăng đối với giá trị dòng chảy lớn hơn trung bình, xu thế biến đổi đó diễn biến mạnh hơn theo kịch bản A2 so với kịch bản A1B. Dòng chảy vƣợt quá 90% thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ một chỉ số hƣớng dẫn mà điều khiển công việc xử lý nƣớc thải và đánh giá cấp phép cho hoạt động bơm hút nƣớc. Sự giảm tần suất xuất hiện của Q90 nghĩa là tiềm năng cho những lƣu lƣợng này và khai thác giảm. Một điểm khác cần quan tâm là tốc độ thay đổi của cƣờng độ vƣợt quá giá trị Q90 cũng nhƣ các phân vị khác thay đổi không đáng kể dƣới tác động của 2 kịch bản, trong đó tác động của kịch bản A2 gây ra biến đổi lớn hơn. Mặc dù vậy 2 xu hƣớng đối lập đƣợc tìm thấy, xu hƣớng giảm cƣờng độ vƣợt quá ở những phân vị lớn hơn 50 và xu hƣớng ngƣợc lại, tăng với phân vị nhỏ hơn 50 (bảng 3. 6). Bảng 3. 6. Thay đổi cƣờng độ vƣợt quá của Qx Thời đoạn Phân vị Giai đoạn nền 90 75 50 20 A1B 90 75 52 23 A2 82 71 52 29 Kết quả cho thấy ở lƣu vực nghiên cứu, một lƣợng dòng chảy rất nhỏ đƣợc yêu cầu để duy trì dòng chảy kiệt, nƣớc ngầm để duy trì dòng chảy kiệt trên lƣu vực nhỏ dẫn đến sự biến đổi dòng chảy kiệt lớn; đồng thời những chỉ số này cho thấy tác động của biến đổi khí hậu là không đáng kể đối với dòng chảy kiệt. 3.3.2.4 Tần suất dòng chảy kiệt Không giống với đƣờng cong thời khoảng của dòng chảy, thể hiện tỉ lệ thời gian trong đó một giá trị dòng chảy bị vƣợt quá, đƣờng cong tần suất dòng chảy kiệt thể hiện tỉ lệ năm khi một dòng chảy bị vƣợt quá. Các chỉ số tần suất dòng chảy kiệt đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hạn, thiết kế hệ thống cấp nƣớc, tính toán lƣợng nƣớc mặt khai thác đảm bảo an toàn, phân loại tiểm năng dòng chảy cho khả năng pha loãng, điều phối lƣợng chất thải vào dòng chảy, duy trì lƣu lƣợng nhất định trong sông vì thế việc phân tích nó là cần thiết. 73 Đƣờng tần suất dòng chảy kiệt đƣợc xây dựng trên cơ sở chuỗi số liệu dòng chảy tháng nhỏ nhất năm. Một lý do của việc lựa chọn bƣớc thời gian tháng là vì Nhuệ Đáy nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, dòng chảy năm có thể không phản ánh đƣợc những trận kiệt khắc nghiệt nhất, do nếu một mùa hè kiệt bất thƣờng đƣợc tiếp theo bởi một mùa mƣa, dòng chảy trung bình năm không thể hiện rõ sự sai lệch so với bình thƣờng và với dòng chảy năm thời gian xuất hiện kiệt không thể xác định đƣợc dẫn đến những kết luận về tác động của nó bị giới hạn (Bonacci, 1993) [19], do đó dòng chảy tháng là khoảng thời gian thích hợp cho nghiên cứu hạn đối với nông nghiệp, cấp nƣớc và nƣớc ngầm vì nó chứa nhiều thông tin chi tiết hơn năm, và nó có khoảng thời gian đủ dài để loại đi những hiện tƣợng ít có ý nghĩa đƣợc gọi là kiệt cục bộ. Các hàm phân bố thƣờng đƣợc sử dụng trong các tài liệu liên quan đến dòng chảy kiệt, các phân bố Weibull, Gumbel, Pearson III, và phân bố log chuẩn, đƣợc kiểm tra để lựa chọn hàm phân bố lý thuyết phù hợp nhất với chuỗi dòng chảy nhỏ nhất năm với bƣớc thời gian tháng trên lƣu vực Nhuệ Đáy, với phƣơng pháp đánh giá dựa vào kiểm tra đồ thị. Kết quả cho thấy phân bố log – chuẩn nên đƣợc sử dụng trong mô tả thống kê dòng chảy kiệt trong lƣu vực Nhuệ Đáy cho cả thời kỳ nền và 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B, A2 (hình 3. 14a, b, c). Kết quả cho thấy sự biến đổi của tần suất dòng chảy tháng kiệt nhất cũng tƣơng tự với dòng chảy tháng lớn nhất xét trên phạm vi không gian, và xu hƣớng biến đổi mạnh hơn dƣới tác động của kịch bản A2. Tuy nhiên, điểm khác biệt so với tần suất lũ là những cực trị hiếm thay đổi nhỏ hơn (Bảng 3. 7), diễn biến này có khả năng do giá trị cực trị hiếm của dòng chảy kiệt là quá thấp. Cụ thể cƣờng độ của dòng chảy mùa kiệt với tần suất xuất hiện lại là 20 năm tăng 8.7% và 17.4% tƣơng ứng với kịch bản A1B, A2, trong khi đó kịch bản A1B và A2 dẫn đến tăng 21.17%, 59.7% đƣợc tính toán trong cƣờng độ của dòng chảy kiệt với p 95%.. 74 Hình 3. 14a. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Giai đoạn nền Hình 3. 14b. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A1B 75 Hình 3. 14c. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A2 Bảng 3. 7. Tần suất dòng chảy tháng kiệt nhất Subbasin ND1 ND2 ND3 P Baseline A1B A2 Baseline A1B A2 Baseline A1B A2 5% 1.61 1.75 1.89 0.64 0.65 0.68 0.8 0.70 0.75 10% 1.95 2.15 2.37 0.75 0.76 0.82 0.99 0.83 0.94 25% 2.69 3.03 3.46 0.99 0.99 1.10 1.42 1.11 1.38 50% 3.85 4.42 5.27 1.34 1.34 1.53 2.11 1.54 2.11 75% 5.50 6.46 8.02 1.83 1.79 2.12 3.15 2.13 3.24 90% 7.60 9.09 11.72 2.41 2.34 2.86 4.52 2.85 4.75 95% 9.21 11.16 14.71 2.84 2.75 3.41 5.61 3.40 5.97 Subbasin ND4 ND5 P Baseline A1B A2 Baseline A1B A2 5% 1.27 1.07 1.01 0.91 0.65 0.58 10% 1.54 1.23 1.26 1.06 0.75 0.72 25% 1.95 1.47 1.82 1.29 0.93 1.04 50% 3.04 2.04 2.74 1.86 1.20 1.57 75% 4.35 2.67 4.13 2.50 1.53 2.37 90% 6.00 3.39 5.98 3.27 1.92 3.43 95% 7.28 3.91 7.47 3.83 2.19 4.28 76 3.2.3.5 Đặc trưng thiếu hụt Cả đƣờng cong thời khoảng dòng chảy và đƣờng tần suất dòng chảy kiệt đều không cung cấp thông tin về độ dài một giai đoạn liên tục dƣới một giá trị dòng chảy đƣợc quan tâm. Phƣơng pháp mô tả cũng không đƣa ra chỉ số về lƣợng thiếu hụt có thể của dòng chảy, mà đƣợc xây dựng trong một giai đoạn dòng chảy kiệt liên tục. Lý thuyết thời đoạn thiếu hụt đƣợc sử dụng để đánh giá khả năng của hồ chứa cần thiết đề cung cấp một lƣợng xác định. Hình 3. 15a. Dòng chảy kiệt và đặc trƣng khô hạn năm 1977 Một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng khái niệm ngƣỡng (Yevjevich, 1967) [39]. Một thời đoạn trong phạm vi dòng chảy kiệt là số ngày trong đó dòng chảy duy trì dƣới một dòng chảy ngƣỡng xác định. Giá trị ngƣỡng cho dòng chảy thƣờng niên là dải lƣu lƣợng với xác suất vƣợt quá từ 70 – 90% từ đƣờng cong FDC, nghiên cứu lựa chọn giá trị Q90 của dòng chảy tháng nhiều năm trên lƣu vực (5.5 m 3 /s với lƣu vực Nhuệ Đáy) do dƣới ngƣỡng này lƣu lƣợng quá thấp để duy trì môi trƣờng sinh thái bình thƣờng cho lƣu vực. Ba đặc trƣng chính đƣợc xem xét trong lý thuyết thời đoạn là khoảng thời gian, tính nghiêm trọng (tổng thiếu hụt tích lũy) và 77 cƣờng độ. Tổng lƣợng dòng chảy thiếu hụt trong một giai đoạn Qdef đƣợc xác định bằng tổng của (Qthreshold-Qday) cho tất cả những ngày Qday < Qthreshold từ chuỗi giá trị lƣu lƣợng trung bình ngày Qday. Hình 3.15b. Dòng chảy kiệt và đặc trƣng khô hạn năm 2040 T1=85 ngày T3=149 ngày 78 Dòng chảy năm khô nhất trong 30 năm trên toàn bộ lƣu vực giảm mạnh 56.4%, 28.27% theo kịch bản A1B và A2, trong khi dòng chảy năm ẩm nhất tăng 5.57% trên toàn bộ dƣới tác động kịch bản A1B, tăng 15.3% dƣới tác động kịch bản A2, mặc dù có sự khác biệt giữa 5 tiểu lƣu vực. Dựa vào tính toán dòng chảy, năm 1977 đƣợc xác định là năm khô nhất trong giai đoạn 1971 -1999, với dòng chảy năm 355 m3/s. Trong giai đoạn 2010 – 2049 năm 2040 là năm khô nhất với dòng chảy năm chỉ đạt 87.79 m3/s. Vì thế chuỗi dòng chảy ngày trong 2 năm 1977 và 2040 sẽ đƣợc phân tích chi tiết. Hình 3. 15a cho thấy lƣu lƣợng dƣới ngƣỡng Q90 trong năm 1977 xuất hiện vài đợt diễn ra trong khoảng thời đoạn rất ngắn, đợt dài nhất chỉ kéo dài 1 tuần, và thể tích thiếu hụt tích lũy rất nhỏ. Năm 2040, bức tranh hoàn toàn khác, mức độ hạn tăng nghiêm trọng với nhiều đợt kéo dài với đợt 1 kéo dài 85 ngày từ 21/5 đến 13/8/2040, đợt 2 kéo dài từ 29/9 đến 12/11 (45 ngày), đợt 3 kéo dài 149 ngày từ 3/12/2040 đến 30/4/2041 với tổng lƣợng nƣớc thiếu hụt ở 3 đợt tƣơng ứng là 185.3 m3, 141.7 m3 và 235.35 m3 tƣơng ứng (hình 3. 15b). 79 KẾT LUẬN 1/. Qua tổng quan đã tìm hiểu các phƣơng pháp đánh giá tài nguyên nƣớc dƣới tác động của biến đổi khí hậu cũng nhƣ phƣơng pháp hiệu chỉnh số liệu khí tƣợng, từ đó lựa chọn cách tính toán thủy văn offline, đƣợc nhận định là một phƣơng pháp thực tiễn và hiệu quả trong nghiên cứu biến đổi khí hậu đến tài nguyên nƣớc cho đến nay, lựa chọn phƣơng pháp hạ quy mô thống kê kết hợp với kết quả đã đƣợc hạ quy mô động lực thông qua hệ số hiệu sai nhằm cải thiện kết quả đầu ra của mô hình khí hậu. Qua nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên lƣu vực và tình hình phát triển kinh tế xã hội sông Nhuệ Đáy có thể thấy rằng khu vực đóng vai trò là vùng kinh tế trọng điểm , tập trung đông dân dẫn đến tăng nhu cầu nƣớc, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh, Hà Nội có khả năng phải chịu những tác động nghiêm trọng hơn do biến đổi khí hậu. Một điểm cần chú ý nữa là hiện tượng úng ngập ở Hà Nội thường xuyên xảy ra, nhiều trận mƣa thậm chí với cƣờng độ 50 mm/giờ đã gây úng ngập ở nhiều khu vực, gây những hậu quả nghiêm trọng đối với nhiều ngành kinh tế quốc dân. 2/. Đã tìm hiểu về các kịch bản biến đổi khí hậu và các mô hình toán mô phỏng khí hậu – dòng chảy, đặc biệt là mô hình NAM, mô hình đƣợc lựa chọn làm công cụ chính khảo sát 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B và A2 trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Kết quả cho thấy mô hình có khả năng phân tích tác động của biến đổi khí hậu đối với cực trị cũng nhƣ đại lƣợng trung bình của dòng chảy và 2 kịch bản đƣợc sử dụng là nhân tố khí hậu trong mô hình hóa. 3/. Mô hình NAM đã khảo sát các tác động của biến đổi khí hậu thông qua 2 kịch bản cho kết quả nhƣ sau: Tác động của biến đổi khí hậu có tính phân kỳ mạnh theo không gian. Ở các tiểu lƣu vực thƣợng lƣu, dạng biểu đồ thủy văn biến đổi đáng kể, dòng chảy lũ tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X, trong đó tháng đỉnh lũ dịch chuyển về 80 cuối năm, tháng X. Dòng chảy lũ cũng nhƣ cƣờng độ đỉnh lũ đều thể hiện xu thế tăng trung bình 6% và 16% so với hiện tại. Trong dòng chảy lũ thì yếu tố càng mang tính cực trị biến đổi càng lớn, thể hiện qua cƣờng độ thay đổi của dòng chảy lũ tăng 6% trong khi dòng chảy 3 tháng tăng 11% và dòng chảy tháng lớn nhất tăng 16%. Phân tích tần suất dòng chảy lũ cho thấy sự kiện lũ càng hiếm biến đổi càng lớn, và diễn ra thường xuyên hơn với cƣờng độ của trận lũ với tần suất 1% là 1200 m3/s và 2800 m3/s (so với 698 m3/s hiện tại) dƣới tác động của kịch bản A1B và A2, cƣờng độ lũ với thời gian lặp lại là 100 năm ở hiện tại có khả năng sẽ xuất hiện lại với tần suất 20 năm trong tƣơng lai. Kết luận này cũng phù hợp với xu thế biến đổi theo nghiên cứu của IPCC. Trên các tiểu lƣu vực hạ lưu, các đặc trưng lũ thể hiện 2 xu hướng biến đổi đối lập dưới tác động của 2 kịch bản BDKH. Không giống với kịch bản A2 gây ra tác động tƣơng tự ở thƣợng lƣu, kịch bản A1B có thiên hướng làm giảm rủi ro lũ so với hiện tại, với dòng chảy lũ và cƣờng độ tháng đỉnh lũ giảm 5%, 21% tƣơng ứng, cƣờng độ lũ tần suất 1% giảm xuống 342 m3/s (hiện tại là 528 m3/s), độ lặp lại của trận lũ 10 năm tăng lên 40 năm. Kết quả phân tích dòng chảy kiệt cũng cho thấy một bức tranh hoàn toàn tương tự dòng chảy lũ nhƣng khác về cƣờng độ, điều này cho thấy lƣu vực Nhuệ Đáy mặc dù thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình nhƣng lại biến đổi theo quy luật riêng dƣới tác động của biến đổi khí hậu. Dòng chảy kiệt cũng thể hiện tác động phân kỳ theo không gian. Mặc dù có sự xen kẽ chu kỳ nhiều nước và ít nước 10 năm của dòng chảy nhƣng thể hiện 2 xu thế biến đổi chính, tăng ở thượng lưu và giảm ở hạ lưu. Với trung binh 25% tăng, 8% giảm ở thƣợng và hạ lƣu tƣơng ứng. Cực trị kiệt có xu hướng dao động thiên giảm hơn so với đại lƣợng trung bình kiệt, với khoảng biến đổi trung bình từ +23% đến -6%. Phân tích đƣờng cong thời khoảng cho thấy mức độ đóng góp dòng ngầm để duy trì dòng chảy kiệt của lưu vực nhỏ và có xu hướng giảm theo thời gian, 81 Q90/Q50 giảm 7.7% theo kịch bản A1B và 40.5% theo kịch bản A2. Đồng thởi Q90 giảm 1.2% và 34.1% tƣơng ứng theo 2 kịch bản A1B và A2 cho thấy tiềm năng khai thác đang ngày càng suy giảm. Hàm phân bố log chuẩn được đề nghị sử dụng trong phân tích tần suất cực trị dòng chảy trên lƣu vực Nhuệ Đáy vì nó thể hiện mức độ phù hợp tốt nhất so với những hàm phân bố đƣợc xét đến (Weibull, Gumbel, Pearson III). Trong phân bố tần suất dòng chảy kiệt thể hiện biến đổi ngược với tần suất lũ, nghĩa là sự kiện hiếm biến đổi ít hơn, một lý do cho biến đổi này là giá trị dòng chảy kiệt trên lƣu vực quá thấp. Cƣờng độ của dòng chảy mùa kiệt với tần suất xuất hiện lại là 20 năm tăng 8.7% và 17.4% tƣơng ứng với kịch bản A1B, A2, trong khi đó kịch bản A1B và A2 dẫn đến tăng 21.17%, 59.7% đƣợc tính toán trong cƣờng độ của dòng chảy kiệt với p 95%. Đặc trƣng thiếu hụt trong năm khô nhất của giai đoạn hiện tại và tƣơng lai đƣợc xem xét cho thấy năm 2040 xuất hiện năm kiệt nhất trong khoảng từ 1970 đến 2050. Xảy ra 3 đợt kiệt liên tục với đợt dài nhất là 149 ngày với tổng lƣợng nƣớc thiết hụt khoảng 600 m3 so với giá trị ngƣỡng Q90 lấy từ đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng giai đoạn hiện tại. Một cách tổng quát có thể thấy rõ tác động của biến đổi khí hậu trội hơn hẳn với sự biến đổi theo không gian, trong khi biến đổi dòng chảy thể hiện sự phân kỳ theo không gian thì đối với biến đổi theo thời gian chúng diễn ra theo xu thế tƣơng tự nhau với biên dao động tăng ở cả dòng lũ và kiệt nhƣng khác nhau về cƣờng độ. Từ khía cạnh quản lý lũ, kết quả cho thấy biến động lớn, đại diện bởi khoảng chênh lệch giữa các kết quả từ 2 kịch bản. Trong khi hƣớng thay đổi đƣợc biết đến trên toàn lƣu vực, cƣờng độ thay đổi có thể biến đổi đáng kể theo độ phân giải thời gian đƣợc xem xét. Các kết quả dƣờng nhƣ ít phân tán trong lƣu vực sông Đáy hơn sông Nhuệ, biểu hiện qua khoảng biến động bé hơn trong tính toán biến đổi khí hậu, đi cùng với khả năng khoảng biến đổi nhỏ hơn trong chế độ dòng chảy tƣơng lai ở lƣu vực này. 82 Với các chỉ số từ biến đổi khí hậu cho thấy xu hƣớng này có khả năng tiếp tục và có thể biến đổi lớn hơn trong tƣơng lai, chính sách quy hoạch nên đặt ra những quy trình mới để thực hiện. Cần thiết phải có những kế hoạch quản lý lũ trong thời gian dài để kết hợp các yếu tố của biến đổi khí hậu và các chiến lƣợc đánh giá rủi ro bao gồm những thay đổi khí hậu trong khoảng biến động. 4/. Một số hƣớng nghiên cứu tiếp theo Phải thừa nhận rằng những nghiên cứu về tác động biến đổi khí hậu còn nhiều bất định không chỉ do mô hình hóa thủy văn mả cả trong đánh giá tác động đối với tƣơng lai. Đối với mô hình hóa thủy văn, luận văn đã cố gắng loại bỏ những bất định thông qua việc hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy văn trong tính toán nhằm mục đích tối thiểu hóa sai số từ mô hình, nhƣng những biến đổi trong quá trình mƣa – dòng chảy sẽ diễn ra dƣới những điều kiện biến đổi trong tƣơng lai, do đó việc thay đổi thông số của mô hình theo thời gian là cần thiết. Những thay đổi này có thể là không đáng kể so với cƣờng độ của chế độ lũ nhƣng hoàn toàn khác với dòng chảy kiệt và việc tìm ra quy luật của những thay đổi này sẽ góp phần cung cấp kết quả đánh giá chính xác, có độ tin cậy cao hơn. Đối với khía cạnh mô hình hóa khí hậu và đánh giá tác động, độ phân giải cả về thời gian và không gian của các quá trình thủy văn rất khác so với đầu ra của mô hình khí hậu, bƣớc đầu khắc phục vấn đề này đã đƣợc thực hiện trong luận văn tuy nhiên do hạn chế về mặt thời gian, cũng nhƣ hệ thống máy móc, kết quả của luận văn vẫn chỉ mới dừng lại ở một mức độ nhất định. Do đó việc cải thiện kết quả đầu ra của mô hình khí hậu cũng nhƣ cải thiện cầu nối giữa thủy văn và khí hậu là một vấn đề còn cần đƣợc nghiên cứu nhiều, trong đó có 2 hƣớng tiếp cận để có thể khắc phục đƣợc những vấn đề này, một là từ khía cạnh thủy văn xây dựng mô đun thủy văn tích hợp vào mô hình khí hậu sử dụng mƣa dạng lƣới ở độ phân giải cao, hai là từ khía cạnh khí tƣợng nghiên cứu phƣơng pháp chuyển đổi dữ liệu khí tƣợng sang dữ liệu đáp ứng yêu cầu của mô hình thủy văn với độ tin cậy cao hơn. 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ tài nguyên và môi trƣờng, 2009. Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam, Hà Nội. 2. Nguyễn Văn Cƣ, 2005. Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước: Xây dựng đề án tổng thể bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy – Hà Nội, Lƣu trữ Viện Địa lý. 3. Hồ Thị Minh Hà, 2008. Nghiên cứu khả năng mô phỏng mùa các yếu tố khí tượng trên lãnh thổ Việt Nam bằng phương pháp thủy động và thống kê, Luận án tiến sỹ khí tƣợng học, Trƣờng Đại học KHTN Hà Nội. 4. Văn Thị Hằng 2010, Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến biến động tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc thành phố Hà Nội, Luận văn thạc sỹ khoa học, Trƣờng Đại học KNTN Hà Nội. 5. Vũ Văn Minh, Nguyễn Hoàng Minh, Trần Hồng Thái, 2011. Đánh giá tác động của Biến đổi khí hậu đến dòng chảy lũ lƣu vực sông Hồng - Thái Bình. Tuyển tập Báo cáo Khoa học lần thứ XIII, tr. 72 – 78. 6. Nguyễn Ý Nhƣ, 2009. Ứng dụng mô hình SWAT nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sử dụng đất đến dòng chảy sông Bến Hải. Khóa luận tốt nghiệp, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên. 7. Nguyễn Ý Nhƣ, Lê Văn Linh, Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh, 2011. Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lƣu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, số 1S, tr. 192. 8. Nguyễn Ý Nhƣ, Nguyễn Thanh Sơn, 2011. Biến đổi dòng chảy kiệt trong bối cảnh Biến đổi khí hậu trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, số 3S, tr. 39 – 43. 9. Nguyễn Ý Nhƣ, Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Quang Trung, 2011. The potential impacts of climate change on flood flow in Nhue – Day river basin. The second International MAHASRI/HyARC Workshop, August 22- 24, 2011, Nha Trang, Vietnam. 84 10. Lê Vũ Việt Phong, 2006. Nghiên cứu áp dụng mô hình toán MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ và sông Đáy. Khóa luận tốt nghiệp trƣờng Đại học Thủy lợi. 11. Nguyễn Thanh Sơn, 2008. Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn miền Trung. Luận án tiến sỹ Địa lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. 12. Nguyễn Thanh Sơn, Ngô Chí Tuấn, Văn Thị Hằng, Nguyễn Ý Nhƣ, 2011. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến biến đổi tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Nhuệ - Đáy. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, số 1S, tr. 218. 13. Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Ý Nhƣ, Trần Ngọc Anh, Lê Thị Hƣờng, 2011. Khảo sát hiện trạng tài nguyên nƣớc lƣu vực sông Nhuệ - Đáy, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, số1S, tr. 227. 14. Nguyen Thanh Son, Nguyen Y Nhƣ, 2009, Applying SWAT model to simulate streamflow in BenHai River Basin in response to climate change scenarios. Journal of Science, Earth Sciences, VNU, V25, No3, tr. 161. 15. Trung tâm Tƣ vấn Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng, Viện KH KTTV & MT, 2010. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng – Lưu vực sông Hồng – Thái Bình, Lƣu trữ Viện KH KTTV & MT. 16. Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn & Môi trƣờng, 2010. Tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng, Lƣu trữ Viện KH KTTV & MT. 17. Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyển, Lê Tuấn Nghĩa, Lƣơng Hữu Dũng, 2011. Tác động của Biến đổi khí hậu đến dòng chảy trong sông Tuyển tập Báo cáo Khoa học lần thứ XIII, tr. 146 – 153. Tiếng Anh 18. Andersen H.E., Kronvang B., Larsen S.E., Hoffmann C.C., Jensen T.S, Rasmussen E.K., 2006. Climate change impacts on hydrology and nutrients in a Danish lowland river basin. Science of the Total Environment 365, pp 223 – 237. 85 19. Bonacci, O., Tadic, Z., Trninic, D., 1992. Effects of dams and reservoirs on the hydrological characteristics of the lower Drava River. Regul. Rivers Res. Manag. 7 (4), pp. 349–357. 20. Cooley, K.R. 1990: Effects of CO2 – induced climate changes on snowpack and streamflow. Hydrological Sciences Journal 35, pp. 511 – 22. 21. D. Labat, Y. Godderis, J. L. Probst, 2004. Evidence for global runoff increase related to climate warming. Advances in Water Resources, 27, pp. 631 – 642. 22. DHI, 2007. Mike 11 – User’s Manual. 23. Feddes, R.A., M. Menenti, and P. Kabat, 1989. Modeling the soil water and surface energy balance in relation to climate models, European coordination group on land – surface processes, hydrology, Dessertification in Europe, Barcelona, pp. 21. 24. Hayhoe K.A., 2010. A standardized framework for evaluating the skill of regional climate downscaling techniques. Doctor of Philosophy in Atmospheric, Sciences in the Graduate College of the University of Illinois at Urbana – Champaign. 25. IPCC (2007), Climate Change 2007: Synthesis Report. 26. IPCC (2001), Special Report on Emissions Scenarios 27. Gleick, P.H., 1987a. Regional hydrologic consequences of increases in atmospheric CO2 and other trace gases, Climate Change 10, tr. 137 – 61. 28. Kalvova, J., Nemesova, I., 1997. Projections of climate change for the Czech Republic. Climate Change 36, tr. 41 – 64. 29. Kim U., Kaluarachchi J. J., Smakhtin V. U., 2008. Climate Change Impacts on Hydrology and Water Resources of the Upper Blue Nile River Basin, Ethiopia, Colombo, Sri Lanka: International Water Management Institute pp. 27 (IWMI Research Report 126) 30. Mark Maslin, 2004. GLOBAL WARMING: A Very Short Introduction, OXFORD University Press. 86 31. Michal Jenicek, 2007. Rainfall-runoff modelling in small and middle-large catchments – an overview. 32. Nemec, J. and Schaake, J., 1982. Sensitivity of water resources systems to climate variation. Hydrological Sciences Journal 2, pp. 327 – 43. 33. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams, 2001. Soil and water assessment tool user’s manual, USDA_ARS Publications. 34. Nash, J. E. and J. V. Sutcliffe, 1970. River flow forecasting through conceptual models part I — A discussion of principles, Journal of Hydrology, 10 (3), 282– 290. 35. Sapkota M., Hamagochi T., Kojiri T., 2010. Geostatistical bias correction of super high resolution GCM outputs under climate change and its application to runoff simulations in Red river basin. Proceedings of the fifth conference of APHW Conference, Labor and Social Publisher. 36. US Army Corps of Engineers (2001), Hydrology Model System HEC-HMS. Users’ Manual. 37. Wigley, T.M.L, Jones, P.D., 1987. England and Wales precipitations: a discussion of recent changes in variability and an update to 1985. J. Climatol. 7, 231 – 246. 38. Z.X. Xu, F.F. Zhao, J.Y. Li, 2008. Response of streamflow to climate change in the headwater catchment of the Yellow River basin. Quaternary International xxx, pp 1 – 14. 39. Yevjevich, V., 1972. Probability and Statistics in Hydrology. Water Resources Publications, Fort Collins, CO, USA, pp. 302.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluanvan_21nov2011_nhu_final_4805.pdf
Luận văn liên quan