Luận văn Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn

. Bốc hơi của lượng mưa bị chặn trên vòm cây Nếu lượng bốc hơi tiềm năng, Eo, nhỏ hơn lượng nước tự do trữ trong vòm, RINT, khi đó: (2.11) (2.12) Trong đó:  Ea là lượng bốc thoát hơi thực tế trên lưu vực trong một ngày (mm),  Ecan là lượng bốc thoát hơi từ bề mặt nước tự do trữ trong vòm cây trong một ngày (mm),  Eo là bốc thoát hơi tiềm năng trong một ngày (mm),  RINT(i) là lượng nước trữ trong vòm cây đầu thời điểm tính toán (mm),  RINT(f) là lượng nước trữ trong vòm cây cuối thời điểm tính toán (mm). Nếu lượng bốc hơi tiềm năng, Eo, nhỏ hơn lượng nước tự do trữ trong vòm, RINT, khi đó: (2.13) (2.14) b. Thoát hơi nước qua thảm phủ Việc tính toán thoát hơi nước qua thảm phủ sử dụng phương trình Penman - Monteith. (2.15) (2.16) Trong đó: ocana EEE  caniINTfINT ERR  )()( )(iINTcan RE  0)( fINTR 0.3 LAIE E ot   0.30  LAI ot EE  0.3LAI 44  Et là lượng thoát hơi nước cực đại trong ngày (mm),  là bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước tự do trong vòm (mm),  LAI là chỉ số phủ lá. Giá trị thoát hơi nước được tính toán bởi phương trình (2.15), (2.16) chính là tổng lượng thoát hơi nước có thể xảy ra với giả thiết cây trồng phát triển trong điều kiện lý tưởng. Trong thực tế lượng thoát hơi nước có thể nhỏ hơn do sự thiếu hụt nước trong đất. c. Bốc thoát hơi nước từ đất Lượng bốc thoát hơi từ đất sẽ bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng mặt trời. Lượng bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày được tính toán theo phương trình: (2.17) Trong đó:  Es là lượng bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày (mm),  là bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước tự do trong vòm (mm),  covsol là chỉ số đất. 2.4.3. Chuyển động của nước trong đất Nước khi đi vào trong đất sẽ di chuyển theo các cách khác nhau. Nó có thể được hấp thụ bởi thảm phủ hoặc bay hơi. Nó có thể thấm sâu xuống tầng đáy và trữ trong tầng ngậm nước, hoặc có thể chuyển động trong tầng đất và đóng góp vào thành phần dòng chảy. [25, 27] Quá trình thẩm thấu được tính toán cho từng lớp đất. Nước sẽ thẩm thấu khi lượng nước vượt quá khả năng trữ của lớp đất. Thể tích nước có thể thẩm thấu được xác định theo phương trình: nếu (2.18) nếu (2.19) Trong đó:  SWly,excess là lượng nước có thể thấm từ lớp đất trên cùng trong một ngày (mm),  SWly là lượng nước trữ trong lớp đất trong một ngày (mm), oE  solos covEE  oE  lylyexcessly FCSWSW , lyly FCSW  0, excesslySW lyly FCSW  45  FCly là khả năng trữ nước lớn nhất của lớp đất (mm). Mô hình SWAT kết hợp mô hình động học lượng trữ (Sloan và NNK - 1983) với các nghiên cứu được tổng kết bởi Sloan và Moore (1984). Mô hình này mô phỏng dòng chảy mặt theo hai chiều dọc theo sườn dốc. Mô hình này dựa trên phương trình khối lượng liên tục, hoặc cân bằng khối lượng, với toàn bộ sườn dốc được sử dụng như một tổng lượng. Mỗi một phần sườn dốc được xem như là một lớp đất thấm với độ sâu Dperm và chiều dài Lhill và một lớp không thấm với độ dốc ahill. 2.4.4. Nước ngầm Nước ngầm là nước chứa trong tầng bão hoà dưới bề mặt đất. Nước vào tầng bão hoà chủ yếu do thấm. Nước ngầm có thể quay trở lại dòng chính hoặc có thể thấm xuống tầng sâu. 2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông Phương trình cân bằng nước cho tầng chứa nước nông: (2.20) Trong đó:  aqsh,i là lượng nước trữ trong tầng nước nông trong ngày thứ i (mm),  aqsh,i-1 là lượng nước trữ trong tầng nước nông trong ngày thứ i-1 (mm),  wrchrg là lượng nước đi vào tầng nước nông ngày thứ i (mm),  Qgw là dòng chảy ngầm đi vào kênh chính của ngày thứ i (mm),  wrevap là lượng nước di chuyển vào trong đất (lượng nước thiếu hụt) của ngày thứ i (mm),  wdeep là lượng nước thấm từ tầng ngậm nước nông xuống tầng ngậm nước sâu của ngày thứ i (mm),  wpump,sh là số lượng ra khỏi tầng ngậm nước nông bởi bơm (mm). 2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu Phương trình cân bằng nước cho tầng chứa nước sâu: (2.21) Trong đó:  aqdp,i là lượng nước trữ vào tầng ngậm nước sâu ngày thứ i (mm),  aqdp,i-1 là lượng nước trữ vào tầng ngậm nước sâu ngày thứ i-1 (mm), shpumpdeeprevapgwrchrgishish wwwQwaqaq ,1,,   dppumpdeepidpidp wwaqaq ,1,,   46  wdeep là lượng nước thấm từ tầng ngậm nước nông vào trong tầng ngậm nước sâu vào ngày thứ i (mm),  wpump,dp là lượng nước bơm ra khỏi tầng chứa nước sâu vào ngày thứ i (mm) 2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông SWAT sử dụng phương trình Manning để xác định hệ số và tốc độ dòng chảy. Nước được diễn toán qua hệ thống kênh dẫn bởi phương pháp diễn toán lượng trữ hoặc diễn toán Muskingum. Cả hai phương pháp đều dựa trên mô hình sóng động học. Tổn thất dòng chảy trong sông được chia ra thành hai thành phần: tổn thất dọc đường và tổn thất do bốc hơi. Lượng nước trữ trong đất dưới đáy kênh sẽ đóng góp cho thành phần dòng chảy. Lượng nước đóng góp này sẽ được tính toán theo hệ số triết giảm tương tự như trong tính toán thành phần dòng chảy ngầm. Lượng nước trữ trong kênh tại cuối mỗi bước thời gian được tính toán theo phương trình: (2.22) 2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa Phương trình cân bằng nước cho một kho chứa (hồ): (2.23) Trong đó:  V là tổng lượng nước trữ trong hồ tại thời điểm cuối ngày (m3),  Vstored là tổng lượng nước trữ trong hồ tại thời điểm đầu ngày (m 3 ),  Vflowin là tổng lượng nước đi vào hồ trong một ngày (m 3 ),  Vflowout là tổng lượng nước ra khỏi hồ trong một ngày (m 3 ),  Vpcp là tổng lượng mưa rơi vào hồ trong một ngày (m 3 ),  Vevap là tổng lượng bốc hơi từ hồ trong một ngày (m 3 ),  Vseep là tổng lượng nước thấm vào đáy hồ trong một ngày (m 3 ). Ngoài ra mô hình SWAT còn diễn toán các thành phần khác như bùn cát, các chất hoá học, các chất dinh dưỡng, ... , tuy nhiên giới hạn của nghiên cứu chỉ tính toán dòng chảy trên lưu vực sông, nên các phương trình cân bằng, phương trình diễn toán các thành phần này sẽ không được trình bày trong báo cáo này. bnkchoutinstoredstored VdivEtlossVVVV  1,2, seepevappcpflowoutflowinstored VVVVVVV  47 2.5. THÔNG SỐ MÔ HÌNH Tuỳ thuộc lựa chọn phương pháp tính toán của người sử dụng, mô hình sẽ có các thông số khác nhau: 2.5.1. Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp Sử dụng phương pháp chỉ số SCS CN2 CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II Sử dụng phương pháp Green và Ampt SOL_K Ksat: Độ dẫn thủy lực ở trường hợp bão hoà (mm/giờ) CN2 CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II SOL_BD b: Mật độ khối của lớp đất (Mg/m 3 ): CLAY mc: % đất sét SAND ms: % đất cát 2.5.2. Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ OV_N n: Hệ số nhám sườn dốc CH_N(1) n: Hệ số nhám kênh dẫn 2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt SURLAG surlag: hệ số trễ dòng chảy mặt 2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường CH_K(1) Kch: độ dẫn thủy lực của kênh dẫn (mm/giờ) 2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi CANMX canmx: lượng trữ lớn nhất của vòm cây ESCO esco: hệ số bốc hơi của đất 2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm GWQMN aqshthr,q: Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) ALPHA_BF gw: Hệ số triết giảm REVAPMN aqshthr,rvp: Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng ngậm nước sâu (mm) 2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính Phương pháp lượng tr CH_N(2) n: Hệ số nhám của kênh chính Phương pháp Muskinggum MSK_X X: hệ số trọng số MSK_CO 1 coef1: Hệ số C1 MSK_CO 2 coef2: Hệ số C2 Tính toán tổn thất dọc đường 48 CH_K(2) Kch: Hệ số dẫn thủy lực của kênh chính (mm/giờ) Tính toán tổn thất bốc hơi EVRCH coefev: Hệ số hiệu chỉnh bốc hơi của kênh chính Ngoài ra, còn có các thông số tính toán lượng bùn cát, chất dinh dương, và diễn toán qua hồ chứa 2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH Hiệu quả của mô hình được đánh giá bằng cách so sánh kết quả chạy mô hình với số liệu thực đo dòng chảy năm, tháng, ngày. Để đánh giá mô hình SWAT, luận văn dùng chỉ tiêu của Nash – Sutcliffe (1970). Chỉ tiêu đó được viết như sau:       2 2 2 1 1 2 1 n n i i i i i n i i x x x x R x x            (2.24) Trong đó: R 2 : Hệ số hiệu quả của mô hình i : Chỉ số xi : Giá trị đo đạc x’i : Giá trị tính toán theo mô hình : Giá trị thực đo trung bình Bảng 2.1. Bảng kết quả đánh giá Mô hình bằng chỉ tiêu Nash Hệ số hiệu quả Kết quả 1,0 ≥ R2 ≥ 0,9 tốt 0,9 ≥ R2 ≥ 0,7 khá 0,7 ≥ R2 ≥ 0,5 trung bình 0,5 ≥ R2 ≥ 0,3 kém 49 CHƯƠNG 3 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ THAY ĐỔI MẶT ĐỆM 3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN Kịch bản là hình ảnh của tương lai. Chúng không phải là dự đoán hay dự báo. Mỗi kịch bản là một bức tranh về sự phát triển có thể xảy ra ở tương lai. Chúng tham gia vào việc nắm bắt sự phát triển khả thi trong tương lai của các hệ thống phức tạp. Trong đó, với một số hệ thống chúng ta có được hiểu biêt khá đầy đủ, các thông tin hoàn chỉnh, có thể mô hình hóa với mức độ tin cậy nhất định, thường thấy trong các ngành vật lý, như vậy trạng thái trong tương lai của chúng có thể dự đoán được. Tuy nhiên, có rất nhiều hệ vật lý hay xã hội khác mà chúng ta không mấy hiểu biết rõ, các thông tin được cung cấp còn thiếu hụt và do đó chúng ta chỉ đánh giá được chúng qua trực giác, và một trong những cách tốt nhất là sử dụng các hình ảnh hay câu chuyện mô tả. Dự đoán là không thể trong trường hợp này. Kịch bản được xem là công cụ kết nối để tổng hợp việc định lượng các cốt truyện về tương lai và việc định tính những chi tiết cụ thể dựa vào các mô hình. Cũng nhờ vậy nâng cao hiểu biết của chúng ta về các hệ thống vận hành, phản ứng và tiến triển như thế nào. Kịch bản là công cụ hiệu quả cho các đánh giá về mặt khoa học, cho việc nghiên cứu các hệ thống phức tạp và cho việc thiết lập các chính sách, là công cụ tương đối chính xác để nắm bắt về những hiểu biết hiện tại và cả những điều chưa chắc chắn. Do vậy, chúng ta sử dụng những điểm mạnh của các kịch bản để hỗ trợ cho việc đánh giá biến đổi khí hậu, thay đổi mặt đệm trong tương lai, tác động, hiểm họa, giảm thiểu và thích ứng.  Cung cấp những cơ sở tương tự với những can thiệp về chính trị để giảm phát thải KNK và phát triển, quy hoạch đất phù hợp.  Cung cấp đầu vào cho việc định ra khả năng ứng phó và giảm thiểu. 50 3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay Từ khoảng giữa thế kỷ XIX, theo số liệu quan sát cho thấy xu thế chung từ cuối thế kỷ XIX đến nay, nhiệt độ trung bình không khí và đại dương toàn cầu tăng lên. Kết quả đo đạc và nghiên cứu cho thấy thập kỷ 1990 là thập kỷ nóng nhất trong thiên niên kỷ vừa qua (IPCC, 2007). Từ 1995-2006 có đến 11 năm nằm trong số 12 năm nhiệt độ lớn nhất theo số liệu đo đạc nhiệt độ toàn cầu từ 1850. Nhiệt độ trong 100 năm 1906-2005 tăng 0.74°C [(0.56÷0.92)°C] lớn hơn so với giai đoạn 100 năm 1901-2000 là 0,6°C [(0.4÷0.8)°C]. Xu hướng trong 50 năm từ 1956-2005 là 0,13°C [(0.10-0.16)°C] gần gấp đôi so với giai đoạn 100 năm từ 1906 đến 2005 (Hình 3.1). Nhiệt độ tăng lên cao hơn ở các vĩ độ cao ở bắc bán cầu: nhiệt độ ở bắc bán cầu trung bình tăng gần gấp đôi của toàn cầu trong giai đoạn 100 năm qua. Nhiệt độ ở đất liền tăng nhanh hơn đại dương. Theo quan sát từ 1961 thì nhiệt độ đại dương tăng ở cả độ sâu ít nhất là 3000m. Đại dương đã chiếm 80% lượng nhiệt của hệ thống khí hậu.Theo kết quả phân tích từ khinh khí cầu và vệ tinh thì tốc độ nóng lên ở giữa tầng đối lưu và thấp hơn giống với tốc độ của nhiệt độ bề mặt. [21] Hình 3.1. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) 51 Trong 100 năm qua, lượng mưa có xu hướng tăng ở khu vực vĩ độ cao hơn 30 o . Tuy nhiên, lượng mưa lại có xu hướng giảm ở khu vực nhiệt đới từ giữa những năm 1970 (Hình 3.2). Hiện tượng mưa lớn có dấu hiệu tăng ở nhiều khu vực trên thế giới (IPCC, 2007). Hình 3.2. Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007) Tương ứng với sự nóng lên toàn cầu, mực nước trung bình đại dương cũng tăng lên do bằng tan và sự giãn nở nhiệt đại dương. Mực nước biển tăng với tốc độ trung bình 1.8mm/năm trong giai đoạn 1961-2003. Tốc độ là 3.1mm/năm trong giai đoạn 1993-2003. Cùng với xu thế tăng nhiệt độ toàn cầu là sự phân bố dị thường của nhiệt độ. Trên các đại lục ở Bắc Bán Cầu, trong những năm gần đây xuất hiện hàng loạt kỷ lục về nhiệt độ cao và thấp. 3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. Trung bình nhiệt độ lớn nhất trong thập kỷ 90-99 nhiệt độ tăng đến 0.15°C so với thập kỷ trước từ 29.4°C đến 29.55°C. Xu thế biến đổi nhiệt độ ở Việt Nam trong 70 năm qua: nhiệt độ trung bình tăng 0.1°C trên một thập kỷ (Nguyễn Đức Ngữ, Biến đổi khí hậu), dao động từ 0.07°C đến 0.15°C. Ở Quảng Trị trong 3 thập kỷ gần đây đã đạt mức tối đa này. Hơn nữa dao động nhiệt độ thập kỷ cuối theo xu hướng mạnh hơn rõ rệt so với thập kỷ trước đó. 52 Dao động lượng mưa theo tháng qua các năm: hầu hết các tháng đều có xu thế lượng mưa giảm, riêng trong tháng 3,8 và 12 là những tháng mưa biến đổi theo xu thế ngược lại. Hình 3.3. Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu của trạm Đông Hà Hình 3.4. Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập niên qua 3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu hiện nay cũng như trong thể kỷ 21 phụ thuộc chủ yếu vào mức độ phát thải nhà kính, tức là phụ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế - xã hội. y = 0,0141x - 2,1245 25 25,5 26 26,5 27 27,5 1970 1980 1990 2000 2010 N h ie t d o t (nam) y = -19,827x + 41982 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 M u a ( m m ) t (nam) 53 Vì vậy các kịch bản biến đổi khí hậu được xây dựng trên các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu. [1, 2, 21] Con người đã phát thải quá mức khí nhà kính vào khí quyển từ các hoạt động khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, phá rừng, … Do đó, cơ sở để xác định các kịch bản phát thải khí nhà kính là: sự phát triển kinh tế ở quy mô toàn cầu, dân số thế giới và mức độ tiêu dùng, chuẩn mực cuộc sống và lối sống, tiêu thụ năng lượng và tài nguyên năng lượng, chuyển giao công nghệ, thay đổi sử dụng đất, … Trong Báo cáo đặc biệt về phát thải nhà kính năm 2000, IPCC đã đưa ra 40 kịch bản, phản ánh đa dạng khả năng phát thải khí nhà kính trong thế kỷ 21. Các kịch bản phát thải này được tổ hợp thành 4 kịch bản gốc là A1, A2, B1, B2 với các đặc điểm chính như sau: + Kịch bản gốc A1: Mô tả thế giới tương lai kinh tế phát triển nhanh, dân số thế giới đạt đỉnh vào năm 2050 sau đó giảm dần, truyền bá nhanh chóng và hiệu quả các công nghệ mới, thế giới có sự tương đồng về thu nhập và cách sống, có sự tương đồng giữa các khu vực, giao lưu mạnh mẽ về văn hóa và xã hội toàn cầu. Họ kịch bản A1 được chia làm 3 nhóm dựa theo mức độ phát triển công nghệ: A1FI (kịch bản phát thải cao), A1T (kịch bản phát thải thấp), A1B (kịch bản phát thải trung bình). + Kịch bản gốc A2 (kịch bản phát thải cao, tương ứng với A1FI): Mô tả thế giới không đồng nhất, các quốc gia hoạt động độc lập, tự cung tự cấp; dân số thế giới tiếp tục tăng trong thế kỷ 21; kinh tế phát triển theo định hướng khu vực; thay đổi về công nghệ và tốc độ tăng trưởng kinh tế tính theo đầu người chậm. + Kịch bản gốc B1: Mô tả thế giới tập trung với dân số thấp như A1, nhưng thay đổi mạnh cấu trúc nền kinh tế theo hướng dịch vụ và công nghiệp thông tin, giảm nguyên liệu, và tăng công nghệ sạch và hiệu quả. Nhấn mạnh phát triển toàn cầu về môi trường, xã hôi và kinh tế bao gồm công bằng tiến bộ. + Kịch bản gốc B2 (kịch bản phát thải trung bình, được xếp cùng nhóm với A1B): 54 Mô tả thế giới nhấn mạnh phát triển khu vực về kinh tế, xã hội, và môi trường. Dân số tăng liên lục nhưng với tốc độ thấp hơn A2, kinh tế mức trung, chậm và rời rạc trong thay đổi công nghệ hơn A1 và B1. Đi theo hướng bảo vệ môi trường và công bằng xã hội, kịch bản phát triển theo khu vực và vùng. Chênh lệch thu nhập giữa nước giàu và nghèo giảm. Ứng dụng cho khu vực có nhiều hoạt động bảo vệ môi trường, dân cư thưa thớt, tốc độ phát triển kinh tế tương đối chậm. 3.3 KỊCH BẢN THAY ĐỔI MẶT ĐỆM Việc hiểu được tác động của thay đổi lớp phủ, sử dụng đất giúp chính quyền địa phương và các nhà chính sách đề ra, thực hiện để làm giảm tác động không mong muốn do sự thay đổi sử dụng đất trong tương lai. Để có thể đương đầu với tác động của thay đổi sử dụng đất đối với dòng chảy trong tương lai thì việc hiểu được những tác động do thay đổi dòng chảy trong lịch sử cũng là một vấn đề quan trọng. Với mục đích tăng sự hiểu biết chi tiết về tác động của sự biến đổi sử dụng đất đến dòng chảy. Việc tính toán cho những kịch bản và các chiến lược tốt nhất có thể cung cấp những thông tin có giá trị để đặt ra những chiến lược quản lý hiệu quả hơn để phát triển bền vững cho cộng đồng địa phương. Các kịch bản thảm phủ được sử dụng trong luận văn này thể hiện một vài khả năng có thể thay đổi trong tương quan với bản đồ sử dụng đất năm 2000 mà được sử dụng làm bản đồ chuẩn. [9] 3.3.1. Kịch bản 1 Dựa vào phương hướng phát triển kinh tế, đất nông nghiệp tăng chủ yếu do khai thác quỹ đất chưa sử dụng đưa vào sản xuất cây hàng năm và cây lâu năm, trồng và khoanh nuôi phục hồi rừng, kịch bản 1 được xây dựng với sự thay đổi diện tích từng loại thực vật với phân bố theo không gian như hình 3.5. Phân bố loại cây trồng theo không gian trong kịch bản này dựa trên đặc tính của đất, địa hình và loại hình sử dụng đất như sau:  Nhóm đất phù sa địa hình bằng và thấp: thích hợp trồng lúa hoặc luân canh với cây trồng ngắn ngày.  Đất glay sử dụng trồng lúa nước.  Đất xám feralit ở địa hình có các cấp độ khác nhau. Đất có độ dốc thấp thích hợp trồng cây lương thực ngắn ngày. Đất có độ dốc trung bình thích hợp với 55 cây công nghiệp lâu năm và cây ăn quả. Đối với đất có độ dốc cao chủ yếu cho cây rừng hoặc nông lâm kết hợp.  Nhóm đất đỏ ưu thế trồng cây lâu năm, đặc biệt là đất đỏ bazan cần ưu tiên trồng các loại cây công nghiệp dài ngày Xây dựng bản đồ sử dụng đất Trên cơ sở đã nêu ở trên, kết hợp bản đồ địa hình, bản đồ đất và bản đồ sử dụng đất năm 2000. Xây dựng bản đồ sử dụng đất dựa vào phần mềm Mapinfo. Cụ thể: Diện tích đất xám feralit ở độ cao thấp trồng rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày. Đối với độ cao trung bình dưới 100m, chuyển thành đất trồng cây công nghiệp. Vùng núi cao chuyển thành đất trồng rừng. Vùng đất glay chuyển thành vựa lúa. Phân bố sử dụng đất theo không gian và tỉ lệ thay đổi diện tích như hình 3.5. Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 3.3.2. Kịch bản 2. Sự thay đổi sử dụng đất cực đoan được giả thiết trong kịch bản 2 (Bảng 16). Trường hợp này có thể hỗ trợ trong việc đánh giá tài nguyên nước lưu vực trong các điều kiện sử dụng đất cực đoan đó. 3.3.3. Kịch bản 3. Kịch bản này đưa ra sự thay đổi sử dụng đất theo chiều hướng tốt nhất để có thể hiểu được những tác động tích cực, và khả năng của nó đối với việc làm hạn chế các tác động không mong muốn (Bảng 3.1). Bảng 3.1. Các kịch bản biến đổi sử dụng đất Kịch bản 1 Đất đồng cỏ chuyển sang đất trồng rừng, một phần chuyển thành đất nông nghiệp, đất trồng cây công nghiệp lâu năm Kịch bản 2 Toàn bộ đất trong lưu vực bị hoang mạc hóa Kịch bản 3 Toàn bộ diện tích cây bụi và cỏ trong vùng được phục hồi thành đất trồng rừng 0% 50% 100% ban đầu kịch bản 11,6 30,5 26,3 30,1 5,8 10,8 41,1 4,4 12,8 21,7 rau màu và CN ngắn ngày lúa công nghiệp 56 3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu Dựa vào các đặc điểm về tình hình phát triển kinh tế, dân số, mức độ quan tâm đến môi trường của tỉnh Quảng Trị nói chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng, luận văn này đã lựa chọn 2 kịch bản để đánh giá mức độ tác động của biến đổi khí hậu đối với dòng chảy là: kịch bản phát thải cao (A2) và kịch bản phát thải trung bình (B2) từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường (2012). Đây là các kịch bản chú trọng đến các giải pháp cục bộ cho vấn đề bền vững về mặt môi trường, kinh tế và xã hội. Trong đó kịch bản B2 mô phỏng dân số toàn cầu vẫn tiếp tục gia tăng nhưng ở mức độ thấp hơn so với kịch bản A2, phát triển kinh tế ở mức cơ bản cùng với sự thay đổi của khoa học kỹ thuật ở mức vừa phải. Kịch bản A2 dựa trên mức độ tăng cao của dân số toàn cầu và sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật. [1, 2] Chi tiết hóa các kịch bản toàn cầu từ mô hình GCM cho khu vực nghiên cứu, nhưng với khuôn khổ của một luận văn việc tìm hiểu và chi tiết hóa không thể thực hiện vì yêu cầu về khối lượng dữ liệu và thời gian tính toán kéo dài đến vài tháng. Vì thế trong luận văn này sử dụng kết quả đã chi tiết hóa từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường (2012) làm đầu vào kịch bản biến đổi khí hậu cho lưu vực sông Thạch Hãn. Cụ thể trong kịch bản B2 và A2 mưa và nhiệt độ biến đổi theo thời gian như bảng sau: Bảng 3.2. Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) Kịch bản Thời đoạn 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 A2 XII - II 0.6 0.9 1.2 1.6 1.8 2.2 2.7 3.2 3.7 III - V 0.8 1.0 1.3 1.9 2.1 2.5 3.0 3.5 4.1 VI - VIII 0.5 0.7 1.0 1.3 1.6 2.0 2.5 2.9 3.3 IX - XI 0.6 0.8 1.1 1.4 1.7 2.1 2.5 2.9 3.4 B2 XII - II 0.6 0.9 1.3 1.6 2.0 2.3 2.6 2.9 3.1 III - V 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.8 3.1 3.4 VI - VIII 0.6 0.9 1.3 1.7 2.0 2.4 2.7 2.9 3.2 IX - XI 0.6 0.9 1.3 1.7 2.1 2.4 2.7 3.0 3.2 57 Bảng 3.3. Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) Kịch bản Thời đoạn 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 A2 XII - II 0.6 0.9 1.1 1.5 1.9 2.4 2.8 3.4 3.8 III - V -2.1 -2.9 -3.5 -4.9 -6.2 -7.7 -9.2 -10.9 -12.6 VI - VIII 3.0 4.6 5.6 7.3 9.1 11.3 13.6 15.9 18.5 IX - XI 1.5 2.5 3.3 4.3 5.4 6.5 7.9 9.4 10.8 B2 XII - II 0.7 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.9 3.2 3.5 III - V -2.3 -3.4 -4.8 -6.2 -7.5 -8.8 -9.9 -10.9 -11.8 VI - VIII 2.7 4.0 5.6 7.2 8.9 10.3 11.5 12.7 13.8 IX - XI 2.1 3.2 4.4 5.7 6.9 8.1 9.1 10.0 10.9 3.4.2 Lựa chọn kịch bản thay đổi mặt đệm Tiến hành đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ theo cả 3 kịch bản, với những xu hướng cực đoan hay tốt nhất để thấy rõ tác động của thay đổi sử dụng đất đối với dòng chảy. 3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất Những thay đổi dù là nhỏ nhất, khi tác động những điều kiện cực đoan hoặc tốt nhất sẽ làm cho sự biến đổi đó diễn ra mạnh hơn, điều này sẽ giúp chúng ta có cái nhìn chính xác hơn trong các vấn đề. Chính vì thế khóa luận đã lựa chọn kết hợp các kịch bản biến đổi khí hậu với điều kiện thảm phủ theo kịch bản 3. 58 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN 4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN 4.1.1 Số liệu đầu vào Số liệu đầu vào mô hình bao gồm số liệu không gian và số liệu thuộc tính. Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:  Bản đồ DEM lưu vực sông Thạch Hãn.  Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn: trong tính toán sẽ sử dụng bản đồ sử dụng đất năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.  Bản đồ thảm phủ thực vật lưu vực sông Thạch Hãn: trong tính toán sẽ sử dụng bản đồ lớp phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.  Bản đồ mạng lưới sông suối .  Bản đồ hệ thống lưới trạm đo khí tượng, thuỷ văn . Các số liệu thuộc tính bao gồm:  Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực  Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí tối cao và nhiệt độ không khí tối thấp.  Số liệu thuỷ văn bao gồm lượng mưa trung bình ngày và lưu lượng trung bình ngày. Số liệu khí tượng và thủy văn lấy từ trung tâm tư liệu quốc gia cho các trạm đo trong và xung quanh khu vực nghiên cứu. Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM, còn bản đồ sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng shape file. 4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn Để tính toán được mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi nhập vào số liệu bản đồ độ cao số hóa DEM, DEM được sử dụng để phác họa các đặc điểm địa hình của lưu vực và xác định các thông số thủy 59 văn của lưu vực như là: độ dốc lưu vực, tích lũy dòng chảy, hướng dòng chảy, mạng lưới sông. Mô hình SWAT, giao diện ArcView được sử dụng để phác họa lưu vực. Để thể hiện được tính không đồng nhất về tính chất vật lý, bản đồ DEM của lưu vực sông Thạch Hãn (sau khi kết hợp với bản đồ hệ thống sông suối) được phân chia thành 04 lưu vực cơ sở và mỗi lưu vực cơ sở được coi như là một đơn vị thủy văn mà có sự đồng nhất về sử dụng đất, loại đất, và chế độ quản lý (Hình 4.1). Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị để tính toán phần trăm từng diện tích sử dụng đất và phần trăm từng loại đất trên các lưu vực con đó (Hình 4.2). Đặc tính thổ nhưỡng bao gồm thành phần, độ dày mỗi lớp, độ dẫn thấm thủy lực được nhận diện ở các mẫu được tập hợp ở các lớp khác nhau. [26] Tiếp theo, nhập các số liệu về khí tượng, thủy văn, cài đặt khoảng thời gian tính toán (thời gian bắt đầu và kết thúc), lựa chọn phương pháp tính bốc hơi, phương pháp diễn toán, bước thời gian tính toán.... Sau khi có đầy đủ các thông tin trên, tiến hành chạy chương trình. Nếu kết quả giữa tính toán và thực đo chưa phù hợp, tiến hành hiệu chỉnh. 60 Hình 4.2. Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị Tuy nhiên, vì tỉnh Quảng Trị chỉ có trạm thủy văn Gia Vòng đo lưu lượng dòng chảy của cửa ra cho lưu vực sông Bến Hải mà không có số liệu thực đo của của ra cho lưu vực sông Thạch Hãn, nên áp dụng lý thuyết lưu vực tương tự, trong luận văn này sẽ sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh của lưu vực sông Bến Hải để tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn. Bộ thông số này được xác định bằng cách áp dụng mô hình SWAT tính toán cho các dữ liệu đầu vào của lưu vực sông Bến Hải: các bản đồ lưu vực, bản đồ DEM, bản đồ sử dụng đất, bản đồ thảm phủ thực vật, bản đồ hệ thống sông suối, hệ thống trạm đo khí tượng – thủy văn và các số liệu khí tượng – thủy văn tương ứng với lưu vực sông Bến Hải. Kết quả tính toán sẽ được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu dòng chảy thực đo tại trạm Gia Vòng. 4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình Số liệu lưu lượng theo chuỗi thời gian ở cửa ra là số liệu quan trọng nhất để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Số liệu dòng chảy theo ngày từ 1978 đến 2006 lấy từ trung tâm tư liệu quốc gia được đo ở trạm Gia Vòng cửa ra của lưu vực sông Bến Hải. Bộ số liệu này được phân chia thành 2 giai đoạn 1978-1997 và 1998-2006 hiệu chỉnh và kiểm định tương ứng. 61 Các thông số hiệu chỉnh mô hình được xác định theo phương pháp dò tìm thông số Rosenbrok. Các thông số được chia làm các nhóm thông số sau:  Nhóm thông số tính toán dòng chảy mặt  Nhóm thông số tính toán dòng chảy ngầm  Thông số diễn toán dòng chảy trong lòng dẫn Kết quả hiệu chỉnh các thông số mô hình được thống kê trong bảng 4.1. Đường quá trình tính toán và thực đo tại tại trạm thuỷ văn Gia Vòng, và quan hệ tương quan giữa chúng được thể hiện trong hình 4.3, hình 4.4 tương ứng. Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn Thông số Nhóm thông số Quá trình hình thành dòng chảy mặt Dòng chảy ngầm Diễn toán trong kênh CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II 63.5 SOL_AWC: Khả năng trữ nước của đất 0.21 OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt 2.6 CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0.18 CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.013 SURLAG: Hệ số trễ dòng chảy mặt 0.5 ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm 0.06 CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính 0.005 CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ) 2.5 62 Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng Nhận xét Từ kết quả tính toán được thể hiện trong hình 4.3 cho thấy dạng đường quá trình dòng chảy tính toán và thực đo có sự phù hợp tương đối tốt. Nói chung mô hình có khả năng mô phỏng được biến động theo thời gian của dòng chảy ngày nhưng đối với các đỉnh lũ thì mức độ chính xác chưa cao. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 11/14/1984 8/11/1987 5/7/1990 1/31/1993 10/28/1995 7/24/1998 Q ( m 3 /s ) t (ngày) Q thuc do Q tinh toan y = 0,7415x - 2,4481 R² = 0,7135 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Q t ín h t o á n ( m 3 /s ) Q thực đo (m3/s) 63 Kết quả tính toán giữa lưu lượng thực đo và lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo chỉ tiêu của Nash là F2 = 0.713. 4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình Từ các thông số đã được hiệu chỉnh ở phần trên tiến hành kiểm nghiệm bộ thông số mô hình. Chuỗi thời gian được sử dụng để kiểm nghiệm mô hình là quá trình lưu lượng tháng thực đo từ 1/1/1998 đến 31/12/2006 tại trạm Gia Vòng. Kết quả kiểm định của mô hình được thể hiện trong hình 4.5. Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng Nhận xét Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho thấy hệ số tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ tiêu của Nash là F2 = 0.73, đạt kết quả khá tốt. 4.1.5 Nhận xét chung Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lưu vực sông Bến Hải với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo tại trạm Gia Vòng. Kết quả xác định bộ thông số của mô hình như đã trình bày trong bảng 4.1. Bộ thông số này đã được kiểm định và được đánh giá khá. Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ số Nash đều đạt trên 0.7. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 3/11/97 7/24/98 12/6/99 4/19/01 9/1/02 1/14/04 5/28/05 10/10/06 2/22/08 Q ( m 3 /s ) t (ngày) Q thuc do Q tinh 64 Từ đây, luận văn sẽ sử dụng bộ thông số trong bảng 4.1 đã được kiểm nghiệm để áp dụng tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn với các kịch bản đã lựa chọn. 4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY Giai đoạn 1980-1999 là mốc bắt đầu xuất hiện những biến đổi một cách rõ rệt về khí hậu, là thập kỷ nóng nhất trong thiên niên kỷ qua, nên nó được chọn làm tính toán kiểm tra phục vụ cho đánh giá biến đổi khí hậu. 4.2.1 Kịch bản B2: Từ kết quả tính toán cho thấy với điều kiện khí hậu biến đổi theo xu thế của kịch bản này thì dòng chảy tháng dao động trong khoảng rất lớn từ giảm 49,2% đến tăng tới 47.1% so với dòng chảy tháng trong thời đoạn nền (Bảng 4.3). Biến đổi dòng chảy theo tháng được thể hiện trong hình 4.6, hình 4.7. Hình 4.6. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 % t (tháng) 65 Hình 4.7. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 Quan sát trên hình ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh của dòng chảy. Theo xu hướng biến đổi của kịch bản B2: dòng chảy tháng tăng mạnh vào mùa lũ, đồng thời giảm vào mùa kiệt. Dòng chảy trong cả 4 tháng mùa lũ (từ tháng IX-XII) tăng mạnh từ 7.4% - 24.3% so với thời đoạn nền. Trong khi đó, dòng chảy kiệt lại giảm từ khoảng 9.2% - 49.2%. Trong khi dao động tháng khá mạnh, dòng chảy năm cũng tăng lên nhưng không nhiều, chỉ khoảng 11.22% so với dòng chảy của thời đoạn nền tính toán. Bảng 4.2. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí hậu A2 B2 Giai đoạn nền Q (m 3 /s) 17.18 16.87 15.17 Thay đổi (%) 13.3 11.22 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q nền Q kịch bản B2 t (tháng) Q (m3/s) 66 Hình 4.8. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu 4.2.2 Kịch bản A2 Tương tự kịch bản B2, đối với kịch bản này, ta cũng đánh giá biến đồi theo thời đoạn nền là giai đoạn từ 1980-1999. Tác động của kịch bản này cũng tương tự như của kịch bản B2, song mức độ tác động của nó diễn ra mạnh hơn cả về dòng chảy năm (Bảng 4.2) lẫn dòng chảy tháng (Bảng 4.3). Bảng 4.3. Biến đổi dòng chảy tháng so với tính toán kiểm tra Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII B2 (%) 11.9 4.3 -9.2 -19.8 -49.2 9.1 18.9 47.1 24.3 15.4 10.6 7.4 A2 (%) 14.1 7.4 -13.9 -26.7 -56.2 11.2 23.4 58.6 27.2 19.4 11.8 8.1 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 A2 B2 Giai đoạn nền Q ( m 3 /s ) 67 Hình 4.9. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 Hình 4.10. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 Quan sát trên hình ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh của dòng chảy. Theo xu hướng biến đổi của kịch bản A2: dòng chảy tháng tăng mạnh vào mùa lũ, đồng thời giảm mạnh vào mùa kiệt. -60 -40 -20 0 20 40 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 % t (tháng) 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q nền Q kịch bản A2 t (tháng) Q (m3/s) 68 Vào các tháng mùa lũ (từ tháng IX-XII), dòng chảy đều tăng mạnh từ 8.1% - 27.2% so với thời đoạn nền. Trong khi đó, dòng chảy kiệt lại giảm từ khoảng 13.9% -56.2%. Trong khi dao động tháng khá mạnh, dòng chảy năm cũng tăng lên nhưng không nhiều, chỉ khoảng 13.3% so với dòng chảy của thời đoạn nền tính toán. Nhận xét: Xu hướng thay đổi dòng chảy tương ứng với 2 kịch bản tương tự nhau, nhưng xu hướng biến đổi của kịch bản A2 diễn ra mạnh hơn cả về dòng chảy năm, và dòng chảy theo mùa, đồng thời mức độ biến đổi trong thời kỳ lũ lớn hơn nhiều so với mức độ biến đổi dòng chảy của thời kỳ kiệt ở cả 2 kịch bản so với thời đoạn nền. 4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC Tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy lưu vực dựa vào kết quả so sánh giữa tính toán kiểm tra – kết quả tính cho giai đoạn từ 1978 đến 2006, sử dụng bản đồ sử dụng đất năm 2000, với kết quả tính toán cho cùng giai đoạn với điều kiện khí hậu giữ nguyên và thay đổi bản đồ sử dụng đất tương ứng (đã được làm lại tương ứng với các kịch bản đã chọn). Sự thay đổi dòng chảy tính toán với kịch bản sử dụng đất so với hiện trạng sử dụng đất năm 2000 mô tả tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy của lưu vực. 4.3.1 Kịch bản 1: Kết quả dòng chảy năm trung bình năm chỉ giảm 2.32%, nhưng dòng chảy theo mùa lại biến đổi khá lớn (Bảng 4.4) và khoảng dao động của nó tương đối rộng (Bảng 4.5). Bảng 4.4. Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1 Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng (%) I- III IV - VI VII VIII - X XI-XII - 2.32% + 16.77 -7.6 + 17.34 -8.18 +7.45 Bảng 4.5. Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch bản 1 Tăng Giảm Lớn nhất Nhỏ nhất Lớn nhất Nhỏ nhất 26.3% 1% 11.6% 3.4% 69 Biến đổi lớp phủ theo kịch bản này làm tăng dòng chảy kiệt và dòng chảy lũ giảm mạnh. Sự giảm dòng chảy do thay đổi thảm phủ diễn ra mạnh nhất vào tháng 5 và tháng 9, mức độ giảm nhẹ hơn ở các tháng 4, 8, 10. Dòng chảy từ tháng 12 đến tháng 2 tăng khá mạnh (hình 4.11). Thay đổi dòng chảy diễn biến như thế này khả năng do khi thay đổi diện tích đất trống thành đất trồng cây hàng năm và cây lâu năm, nhu cầu tưới của các cây trồng tăng lên gây xu hướng giảm dòng chảy năm. Hơn nữa do khi thay đổi diện tích vụ mùa, thời kỳ phát triển của nó thời kỳ tháng 4, 5, chính vì thế làm cho lưu lượng của tháng 4, 5 giảm do cung cấp nhu cầu sử dụng nước của các loại cây này. Hình 4.11. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1 Nhận xét: Từ kết quả đánh giá cho thấy việc lựa chọn trồng theo mùa vụ nào cũng có tác động đáng kể đến phân phối dòng chảy theo mùa. Kết quả của kịch bản này cũng cho thấy sự thay đổi sử dụng đất vừa phải dẫn đến thay đổi các thành phần trong cân bằng nước. 4.3.2 Kịch bản 2 Toàn bộ đất đai trong lưu vực bị hoang mạc hóa khiến dòng chảy năm có xu hướng tăng lên rất mạnh 13.67%. Xu hướng tăng này có thể do sự giảm mạnh lượng bốc thoát hơi từ bề mặt. Sinh ra dòng chảy mặt lớn hơn và dòng chảy bộ phận giảm, lượng nước được chứa trong tầng nước ngầm giảm. Sự thay đổi này dẫn đến tổng lượng nước tăng và dòng chảy lưu vực lớn hơn. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q ( m 3 /s ) t (tháng) số liệu kiểm tra kịch bản 1 70 Bảng 4.6. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 2 Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng (%) I-III IV-VI VII VIII-X XI-XII + 13.67% + 9.71 +8.11 + 5.73 +6.6 +3.9 Hình 4.12. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2 4.3.3 Kịch bản 3 Trong kịch bản này diện tích rừng chiếm hơn 50% diện tích toàn lưu vực. Diện tích rừng tăng rất mạnh dẫn đến dòng chảy năm có xu hướng giảm 7.3%. Xu hướng giảm này là do thực tế lượng bốc thoát hơi từ diện tích rừng nhiều hơn so với đất trồng cỏ và cây bụi. Bảng 4.7. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 3 Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng (%) I-III IV-VI VII VIII-XI XII -7.3% + 23.94 -23.08 + 0.52 -19.56 +18.71 Theo số liệu trong bảng 4.7 cho thấy kịch bản này tác động mạnh đến dòng chảy theo mùa. Giảm mạnh vào giai đoạn lũ: giai đoạn này mưa phong phú và nhiệt độ đủ cao gây bốc thoát hơi tương đối. Dòng chảy giảm về căn bản, gây ra giảm mạnh tổng lượng nước và dòng chảy trong sông. Giảm lưu lượng ra cũng xảy ra trong trong tháng trước mùa lũ. Trong 3 tháng 9 đến 11, tốc độ giảm dòng chảy giảm dần (bảng 4.8) do mưa trung bình tháng 11 giảm so với 2 tháng trước đó và nhiệt độ thấp hơn, làm giảm lượng bốc thoát hơi. 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q ( m 3 /s ) t (tháng) Số liệu kiểm tra Kịch bản 2 71 Bảng 4.8. Tỉ lệ giảm dòng chảy trong tháng mùa lũ (%) VIII IX X XI -18.82 -31.35 -20.51 -7.87 Tăng dòng chảy ra khỏi lưu vực trong thời đoạn XI, XII và thời đoạn từ tháng I đến tháng III là do đóng góp của nước ngầm, theo kết quả tính toán lượng nước ngầm tăng làm tăng dòng chảy nhập lưu. Thực tế theo kết quả tính toán dòng chảy mặt đổ vào sông giảm so với tính toán kiểm tra. Sự thay đổi này là do nước mặt thấm vào tầng ngầm cạn sau khi bốc thoát hơi. Hình 4.13. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3 Theo kết quả đánh giá cho thấy khả năng điều tiết dòng chảy theo mùa của rừng, điều này là cần thiết đối với quy hoạch trong thời gian dài của sử dụng đất không chỉ để bảo vệ nguồn nước mà còn quản lý hiệu quả lũ cũng như hạn hán. Nhận xét chung: Từ kết quả đánh giá của các kịch bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất có thể thấy: đặc trưng lớn nhất là kịch bản biến đổi khí hậu có tác động thay đổi rất mạnh dòng chảy năm so với kịch bản biến đổi thảm phủ. Trong khi kịch bản biến đổi sử dụng đất lại có tác động mạnh đến điều tiết dòng chảy theo tháng. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q (m3/s) t (ngay) Lưu lượng kiểm tra Kịch bản 3 72 4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY Đánh giá tác động tổng hợp của biến đổi khí hậu và thảm phủ thực vật đối với dòng chảy của lưu vực sông Thạch Hãn được lấy từ việc so sánh kết quả giữa chạy mô hình SWAT với dữ liệu đầu vào: bản đồ sử dụng đất của tỉnh Quảng Trị đã được xây dựng lại (như kịch bản thay đổi thảm phủ 3) kết hợp với điều kiện khí hậu tương ứng với kịch bản biến đổi khí hậu đã lựa chọn (A2 và B2). Vì điều kiện khí hậu và thảm phủ được chỉ ra độc lập đối với dòng chảy, tác động đầy đủ qua lại giữa thảm phủ và biến đổi khí hậu đối với dòng chảy là không thể thể hiện được trong mô hình này. Tuy nhiên việc so sánh sự khác biệt giữa các kịch bản kết hợp này với thời đoạn nền và sự khác biệt giữa chúng có thể chỉ ra xu hướng tác động đối với dòng chảy từ những thay đổi kết hợp. Hình 4.14. Thay đổi dòng chảy năm tương ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác nhau và bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 3 Kết quả tính toán chỉ ra sự thay đổi lưu lượng cùng một kịch bản biến đổi khí hậu nhưng thay đổi kịch bản sử dụng đất (Hình 4.14). Trong mỗi nhóm, lưu lượng năm từ 2 kịch bản sử dụng đất khác nhau được chỉ ra. 16,2 16,4 16,6 16,8 17 17,2 A2 B2 Kịch bản BĐKH Kịch bản kết hợp BĐKH-sử dụng đất Q (m3/s) 73 Bảng 4.9. Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu -sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2 B2 Kịch bản chỉ biến đổi khí hậu (m3/s) 17.18 16.87 Kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu – sử dụng đất (m3/s) 16.95 16.63 Thay đổi (%) 1.319 1.395 Qua kết quả tính toán và mô phỏng trên hình 4.14 cho thấy sự khác biệt tương đối giá trị dòng chảy năm giữa các nhóm (Bảng 4.9) và có thể thấy quy luật biến đổi dòng chảy giữa các nhóm tương tự nhau. So sánh với các kịch bản chỉ biến đổi khí hậu, kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu - sử dụng đất làm giảm giá trị dòng chảy ở tất cả các kịch bản, chi tiết xem bảng 4.9. Và mức độ biến đổi của chúng tương tự nhau, xấp xỉ 1.3% -1.4%. Hình 4.15. Thay đổi dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu Kết quả thay đổi dòng chảy theo tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử dụng đất và kịch bản chỉ biến đổi khí hậu thể hiện trên hình 4.15 cho thấy kịch bản kết hợp tác động đến phân bố dòng chảy theo mùa, sự thay đổi theo mùa có thể thấy rõ hơn trong hình 4.16. Qua sự thay đổi dòng chảy giữa kịch bản kết hợp với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu chứng tỏ kịch bản kết hợp có thể nắm bắt được một vài tác động của tác động không tuyến tính giữa biến đổi khí hậu và sử dụng đất khi sử dụng kịch bản kết hợp tính toán cho lưu vực. 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kịch bản A2 Kịch bản A2 kết hợp với kịch bản sử dụng đất 3 t (tháng) Q (m3/s) 74 Hình 4.16. Biến đổi % dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu A2 – sử dụng đất 3 so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2 Việc kết hợp với kịch bản tăng diện tích rừng cho thấy: dòng chảy trung bình năm có xu hướng giảm so với dòng chảy chỉ có tác động của biến đổi khí hậu. Đồng thời tác động đến phân phối dòng chảy năm, tăng dòng chảy kiệt, và giảm dòng chảy lũ. Nhận xét: Kết quả tính toán chỉ ra rằng những tác động kết hợp giữa biến đổi khí hậu và thảm phủ tác động làm thay đổi dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt. -60 -40 -20 0 20 40 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 % t (tháng) 75 KẾT LUẬN 1. Qua nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Thạch Hãn có thể thấy rằng lưu vực sông Thạch Hãn có điều kiện tự nhiên về địa hình, khí hậu, đất đai đa dạng. Tuy nhiên vùng vẫn chưa tận dụng được tối đa hiệu quả sử dụng đất, diện tích đất trống còn chiếm diện tích lớn, thảm thực vật nghèo nàn. Nền kinh tế mang tính địa phương cao, chậm phát triển về công nghệ. 2. Đã tìm hiểu và nắm vững mô hình SWAT và lựa chọn nó để làm công cụ chính khảo sát các kịch bản biến đổi khí hậu và biến đổi sử dụng đất trên lưu vực sông Thạch Hãn. 3. Mô hình SWAT đã khảo sát các kịch bản và cho kết quả như sau: Về biến đổi khí hậu cho thấy diễn biến khí hậu theo xu hướng của cả 2 kịch bản A2 và B2 đều gây tác động mạnh hơn đối với các hiện tượng cực đoan trong thế kỷ XXI. Sự biến đổi khí hậu này làm lưu lượng đỉnh lũ có thể tăng tối đa đến khoảng 20%, trong khi dòng chảy vào tháng kiệt nhất có thể giảm đi khoảng 27%. Với đặc điểm lũ lụt và hạn hán của lưu vực sông Thạch Hãn thì điều này sẽ gây ra hậu quả khó lường trước được. Khác với tác động của biến đổi khí hậu, tác động của thay đổi thảm thực vật từ những xu hướng khác nhau của sử dụng đất, thậm chí cả những thay đổi cực đoan cũng chỉ gây ra nh ng thay đổi nhỏ đối v i dòng chảy năm, nhưng n lại gây biến đổi mạnh dòng chảy theo mùa. Điều này chứng tỏ rằng sự thay đổi sử dụng đất có khả năng làm thay đổi biểu đồ thủy văn năm của lưu vực vì thực vật và sự biến đổi theo mùa đi cùng với nó tác động đến lượng bốc thoát hơi. Với khả năng điều tiết dòng chảy theo mùa chứng tỏ với phương án phát triển sử dụng đất phù hợp có khả năng giảm lũ vào mùa lũ, và tính khắc nghiệt của hạn hán trong mùa khô, đồng thời cải thiện tình hình về kinh tế, phát triển bền vững trên lưu vực. Theo kết quả đánh giá thì tác động của kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu và sử dụng đất cho kết quả khá khác so với kết quả kịch bản chỉ biến đổi một yếu tố, nó tác động vừa làm thay đổi dòng chảy năm, vừa điều tiết dòng chảy theo mùa, với kịch bản kết hợp đã đánh giá cho thấy nó làm giảm dòng chảy năm (giảm từ 1,3% - 1,4%), đồng thời vừa làm giảm dòng chảy trong mùa lũ (giảm từ 2%-59%), vừa tăng dòng chảy trong mùa kiệt (tăng từ 11% - 48%). Có nghĩa là việc kết hợp đó có khả năng khắc phục được những biến đổi cực đoan do biến đổi khí hậu và sử dụng 76 đất gây ra. Từ kết quả đó mở ra một phương án có thể giảm nhẹ tác động của biến đổi khí hậu không mong muốn đối với môi trường và tài nguyên nước bằng quy hoạch sử dụng đất nhằm đạt được hiệu quả mong muốn trong lưu vực. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2009), Kịch bản biến đổi khí hậu và nư c biển dâng, NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam, Hà Nội. 2. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu và nư c biển dâng, NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam, Hà Nội. 3. Cục Thống kê Quảng Trị (2005), Báo cáo kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội 5 năm 2006- 2010, Quảng Trị. 4. Cục thống kê tỉnh Quảng Trị (2012), Niên giám thống kê 2011, NXB Thống kê. 5. Nguyễn Tiền Giang (2007), Đánh giá hiện trạng ô nhiễm nguồn nư c do nuôi trồng thủy sản, vấn đề xâm nhập mặn tỉnh Quảng Trị và đề xuất giải pháp g p phần phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường, Báo cáo đề tài chuyển giao công nghệ với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Trị. 6. Nguyễn Thị Hiền (2008), Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của quá trình sử dụng đất rừng đến x i mòn trên lưu vực sông Cả, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học KHTN. 7. Nguyễn Đức Ngữ (2008), Biến đổi khí hậu, NXB Khoa học và kỹ thuật. 8. Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu (2004), Khí hậu và tài nguyên khí hậu Việt Nam, Viện KTTV, NXB Nông nghiệp. 9. Nguyễn Ý Như (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 hệ Đại học chất lượng cao, Trường Đại học KHTN. 10. Nguyễn Viết Phổ và nnk (2003), Tài nguyên nư c Việt Nam, Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội. 11. Nguyễn Thanh Sơn (2006), Quy hoạch tổng hợp tài nguyên nư c tỉnh Quảng Trị đến 2010 c định hư ng 2020, Đề tài cấp Tỉnh, Hợp đồng khoa học với Sở TN&MT tỉnh Quảng Trị, Hà Nội. 12. Ngô Chí Tuấn (2009), Tính toán cân bằng nư c hệ thống lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học KHTN. 78 13. Trần Tuất, Nguyễn Đức Nhật (1980), Khái quát địa lý thuỷ văn sông ngòi Việt Nam, Tổng cục KTTV, Hà Nội 14. UBND tỉnh Quảng Trị (1996), Báo cáo quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế xã hội tỉnh Quảng Trị thời kỳ 1996-2010, Quảng Trị. 15. UBND tỉnh Quảng Trị (2004), Chiến lược phát triển lâm nghiệp tỉnh Quảng Trị giai đoạn 2004 - 2010 và định hư ng đến năm 2020, Quảng Trị.. 16. UBND tỉnh Quảng Trị (2006), Báo cáo tổng hợp điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất đến năm 2010 và lập kế hoạch sử dụng đất 2006/2010 tỉnh Quảng Trị, Quảng Trị. 17. Viện quy hoạch và thiết kế nông nghiệp (2004), Báo cáo rà soát, điều chỉnh quy hoạch nông - lâm nghiệp, thủy lợi tỉnh Quảng Trị, Hà Nội. 18. Trần Thanh Xuân (2002), Đặc điểm thủy văn tỉnh Quảng Trị, Sở KHCN&MT tỉnh Quảng Trị, UBND tỉnh Quảng Trị, Hà Nội 19. Trần Thanh Xuân (2007), Đặc điểm thủy văn và nguồn nư c sông Việt Nam, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội. Tiếng Anh 20. DHI (2007), Mike 11 – User’s Manual. 21. IPCC (2007), Climate Change 2007: Synthesis Report. 22. Manoj Jha, Jeffrey G. Arnold, Philip W. Gassman, Filippo Giorgi, and Roy R. Gu (2006), Climate change sensitivity assessment on upper Mississippi River Basin streamflows using SWAT, Journal of American Water Resources Association. 23. Michal Jenicek (2007), Rainfall-runoff modelling in small and middle-large catchments – an overview 24. P. W. Gassman, M. R. Reyes, C. H. Green, J. G. Arnold (2007), The soil and water assessment tool: historical development, applications, and future research directions, Soil & Water Division of ASABE. 79 25. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water assessment tool theoretical documentation, USDA_ARS Publications. 26. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Arcview interface for SWAT 2000, USDA_ARS Publications. 27. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water assessment tool user’s manual, USDA_ARS Publications. 28. US Army Corps of Engineers (2001), Hydrology Model System HEC-HMS. Users’ Manual.