Ứng dụng mô hình khí thượng thủy văn kết hợp wehy hcm nghiên cứu biến động nguồn nước trên lưu vực sông thao trong điều kiện biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUANG CHIẾN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KẾT HỢP WEHY-HCM NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG NGUỒN NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG THAO TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUANG CHIẾN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN KẾT HỢP WEHY-HCM NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG NGUỒN NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG THAO TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440225 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS HỒ VIỆT CƯỜNG TS VŨ THỊ MINH HUỆ HÀ NỘI, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn NGUYỄN QUANG CHIẾN LỜI CẢM ƠN Luận văn“Ứng dụng mơ hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-HCM nghiên cứubiến động nguồn nước lưu vực sơng thao điều kiện biến đổi khí hậu”đã hoàn thành theo nội dung đề cương nghiên cứu, Hội đồng Khoa học Đào tạo khoa Thủy văn Tài nguyên nước phê duyệt Trước hết tác giả xin gửi lời chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, khoa Thủy văn Tài nguyên nước trước đây, khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước nay, tồn thể Thầy giáo, Cơ giáo khoa tận tình truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm giúp đỡ tác giả suốt q trình học làm luậnvăn Để có kết ngày hôm nay, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS HỒ VIỆT CƯỜNG, TS VŨ THỊ MINH HUỆ, khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, trường Đại học Thủy Lợi tận tình hướng dẫn, bảo đóng góp ý kiến quý báu suốt trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn Trung tâm Nghiên cứu động lực sông, Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia động lực học sơng biển nhiệt tình giúp đỡ cung cấp thông tin, số liệu cần thiết cho luận văn Xin chân thành cảm ơn tới đồng nghiệp, tập thể lớp 25V11, 25V21, 26V11 trường Đại học Thủy lợi, tồn thể gia đình, bạn bè giúp đỡ, động viên, khích lệ để tác giả hồn thành luận văn kế hoạch đề Xin trân trọng cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤCBẢNGBIỂU v DANH MỤCHÌNHẢNH vii MỞĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUANNGHI ÊN CỨU 1.1 Tổng quan nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước liên quan đến biến đổi khíh ậ u 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu đánh giá trênt h ế giới 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu đánh giát r o n g nước 1.2 Khái quát điều kiện tự nhiên lưu vựcs ô n g Thao 1.2.1 Đặc điểm địa lýtựnhiên 1.2.2 Đặc điểm khí tượng,thủyvăn .9 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH WEHY-HCM CHO LƯU VỰCSÔNGTHAO 23 2.1 Phân tích lựa chọn phương pháp nghiên cứu cho lưu vựcs ô n g Thao 23 2.2 Giới thiệu mơ hình khí tượng thủy văn kếth ợ p WEHY-HCM 24 2.3 Cơ sởdữliệu 24 2.4 Thiết lập mơ hình WEHY-HCM cho lưu vựcs ô n g Thao .25 2.4.1 Thu thập liệu toàn cầu phục vụ thiết lập mơh ì n h WEHY-HCM 25 2.4.2 Thiết lập mơ hình hóa chi tiết khit ợ n g HCM 34 2.4.3 Thiết lập mơhìnhWEHY 42 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG THAO HIỆNTRẠNG VÀ TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔIK H Í HẬU .57 3.1 Phân tích lựa chọn kịch tính tốn dịng chảy lưu vực sơng Thao điềukiện biến đổikhíhậu 57 3.2 Kết tính tốn cáckịchbản 59 3.2.1 Kết tính tốn giai đoạnh i ệ n trạng 59 3.2.2 Kết tính tốn dự báo diễn biến tương lai sử dụng kịch RCP 4.5 từmơhìnhCCSM4 65 3.2.3 Kết tính tốn dự báo diễn biến tương lai sử dụng kịch RCP 8.5 từmơhìnhMiroc5 67 3.3 Đánh giá tài nguyên nước lưu vựcs ô n g Thao .69 3.3.1 Đánh giá kết thay đổilượngmưa 69 3.3.2 Đánh giá kết thay đổi vềd ò n g chảy .71 3.3.3 Đánh giá diễn biến số trận lũ lớn lưu vực giai đoạntương lai 73 KẾTLUẬN 83 TÀI LIỆUTHAMKHẢO .84 PHỤLỤC .88 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng tổng hợp mơ hình tốn thủy văn đánhg i dịng Bảng Lượng mưa trung bình tháng tỷ lệ so với lượngm a năm 11 Bảng Lượng mưa mùa mưa, mùa khô tỷ lệ so với lượngm a năm .13 Bảng Đặc trưng nhiệt độ khơng khí trung bình tạic c trạm 13 Bảng Đặc trưng nhiệt độ khơng khí Max, Min tạic c trạm 14 Bảng Bốc trung bình tháng , năm số trạmk h í tượng 15 Bảng Số nắng bình qn tháng, năm vịt r í (giờ) 15 Bảng Đặc trưng dịng chảy sơng lưu vựcs n g Thao 18 Bảng Tần suất dòng chảy năm tạic ác trạm 19 Bảng 10 Nhà máy thủy điện sông Thao phần lưu vựcT r u n g Quốc .21 Bảng Các sản phẩm liệu vệt i n h LAI 29 Bảng 2 Các tham chiếu yếu tố khí tượngt r o n g ERA-20C .36 Bảng Đầu mơ hình WEHY-HCM đãc h u ẩ n hóa .41 Bảng Thơng số vềcâ y trồng 45 Bảng Thông sốvềđất 47 Bảng Cấu trúc liệu file đầu vào cho mơh ì n h WEHY 50 Bảng Đánh giá sai số hiệu chỉnh mơh ì n h WEHY .54 Bảng Đánh giá sai số kiểm mơh ì n h WEHY 55 Bảng Tóm tắt đặc trưng kịch bản, mức tăngn h i ệ t độ 59 Bảng 3 Phân bố lượng mưa mùa mưa mùa khô cácv ị trí 62 Bảng Kết phân mùa dòng chảyc c trạm .64 Bảng Tần suất xuất lưu lượng bình quân thángl n 64 Bảng Phân bố lượng mưa tháng trung bình nhiều năm giai đoạn 2019 – 2100 theokịch bảnRCP4.5 65 Bảng Phân bố lượng mưa theo mùa giai đoạn 2019– 2100 66 Bảng Tần suất xuất lưu lượng bình quân thángl n 66 Bảng Phân bố lượng mưa tháng trung bình nhiều năm giai đoạn 2019 – 2100 theokịch bảnRCP8.5 67 Bảng 10 Phân bố lượng mưa theo mùa giai đoạn 2019– 2100 68 Bảng 11 Tần suất xuất lưu lượng bình quân thángl n 68 Bảng 12 Thay đổi tổng lượng mưa năm kịch BĐKH so với giai đoạnn ề n Bảng3.13.ThayđổitổnglượngmưamùamưakịchbảnBĐKHsovớigiaiđoạnnền .70 Bảng 14 Thay đổi tổng lượng mưa mùa khô kịch BĐKH so vớigiai đoạn nền70 Bảng 15 Thay đổi dòng chảy trạm Lào Cai theo cácg i a i đoạn 71 Bảng 16 Thay đổi dòng chảy trạm Yên Bái theo cácg i a i đoạn 72 Bảng 17 Tổng lượng dòng chảy 1-3-5-7 theo chu kỳ 10 năm cho trạm Yên Bái, lưuvựcsông Thao 76 Bảng 18 Tổng lượng dòng chảy 1-3-5-7 theo chu kỳ 10 nămc h o trạm 81 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Bản đồ lưu vựcs ô n g Thao Hình Đập Madushan lưu vực sông Thao phầnT r u n g Quốc .21 Hình Hình ảnh vị trí đập Nansha (Vân NamT r u n g Quốc) 22 Hình Dữ liệu DEM cho lưu vực sông Thao (Aster) độ phâng i ả i 30m .27 Hình Thu thập liệu thảm phủc â y trồng 28 Hình Thu thập liệu che phủ lác â y (LAI) 29 Hình Dữ liệu LAI tháng cho lưu vựcs ô n g Thao 30 Hình Phân loại đấtth eo Soilgrid(250m) 30 Hình Dữ liệu độ ẩm toàn cầu, độ phâng i ả i 125km .31 Hình Dữ liệu nhiệt độ khơng khí tồn cầu, độ phâng i ả i 125km 32 Hình Dữ liệu áp suất khơng khí tồn cầu, độ phâng i ả i 125km 32 Hình Dữ liệu tốc độ gió tồn cầu, độ phâng i ả i 125km .33 Hình 10 Dữ liệu ERA-20C thơ dạng nén Gribvới độ phâng i ả i 125km .33 Hình 11 Quá trình thiếtlậpdomain 35 Hình 12 Đầu liệu sau tiềnx lý .37 Hình 13 Miền tính tốn (miền 3-9km) mơ hình HCM, vị trí cácđiểmđo 39 Hình 14 Kết hiệu chỉnh mưa từ 1983-1999 lưu vựcs ô n g Thao 40 Hình 15 Kết kiểm định mưa trung bình tháng lưu vực Thaot 2000-2010 .40 Hình 16 Các bước thiết lập mơh ì n h WEHY 43 Hình 17 Phần mềm tiền xửlý QWEHY 44 Hình 18 Thiết lập thông số vềt h ả m phủ 45 Hình 19 Các thông số đất cho lưu vựcs ô n g Thao .49 Hình 20 Các thông số vật lý đưa vàom hình 51 Hình 21 Các thơng sốd ịn g chảy .52 Hình 23 Giao diện chạy mơ hình WEHY trênn ề n WEB 52 Hình 23 Tiến hành chạy mơ hình WEHY trênn ề n web 53 Hình 24 Kết hiệu chỉnh mơ hình WEHYt 1975-1979 54 Hình 25 Kết hiệu chỉnh mơ hình WEHYt 1975-1979 54 Hình 26 Kết kiểm định dịng chảy trêns ô n g Thao 55 Hình 27 So sánh liệu lưu lượng dịng chảy trungb ì n h ngày 56 Hình 28 So sánh liệu lưu lượng dịng chảy trungb ì n h ngày 56 Hình Sơ đồ truyền xạvàdịng lượng (W/m2) hệ thống khí hậu(IPCC2013) 58 Hình Bản đồ vị trí điểm xuất kết tính mưa lưu vựcsơng Thao 60 Hình 3 Phân bố dịng chảy trung bình tháng giai đoạn trạngt i trạm 64 Hình Lưu lượng trung bình năm, mùa lũ, mùa kiệt trạm Yên Bái vàLào Cai 65 Hình Lưu lượng trung bình năm theo tháng trạm Yên Bái Lào Cai – kịchbảnRCP4.5 67 Hình Lưu lượng trung bình năm theo tháng trạm Yên Bái Lào Cai – kịchbảnRCP8.5 69 Hình Lưu lượng trung bình trạm Lào Cai theo cácg i a i đoạn 72 Hình Lưu lượng trung bình trạm Yên Bái theo cácg i a i đoạn .73 Hình Tổng lượng dịng chảy lũ 1,3,5,7 ngày max lưu vực sông Thao tương laitừ 2019-2100, kịchbảnRCP4.5 73 Hình 11 Đường tần suất cho trận lũ 1,3,5,7 ngày max khứ tươnglai theo kịch RCP 4.5 CCSM4 sông Thao tạiY ê n Bái .75 Hình 13 Biểu đồ phân chia tổng lượng dòng chảy 1,3,5,7 theo chu kỳ 10 năm chotrạm Yên Bái lưu vựcsôngThao .77 Hình 14 Tổng lượng dịng chảy 1,3,5,7 ngày max lưu vực sông Thao tương laitừ 2019-2100, kịchbảnRCP8.5 78 Hình 15 Tần suất lặp lại tổng lượng lũ 1,3,5,7 ngày max trạm Yên Bái sông Thao từ2019-2100, kịchbảnRCP8.5 .78 Hình 16 Đường tần suất cho trận lũ 1,3,5,7 ngày max tương lai theo kịch bảnRCP 4.5 RCP8.5 sông Thao tạiY ê n Bái 80 Hình 17 Bản đồ dịng chảy sườn dốc trung bình ngày max tổng hợp từ 83 trận lũtrong tương lai theo kịch MIROC5 RCP8.5,s ô n g Thao 80 Hình 18 Biểu đồ phân chia tổng lượng dòng chảy 1,3,5,7 theo chu kỳ1 năm .82