Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông lô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN HOÀNG MINH ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội, 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN HOÀNG MINH ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Thái Hà Nội, 2013 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN CÁCH TIẾP CẬN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẠM VI THỰC HIỆN B NỘI DUNG LUẬN VĂN 10 CHƯƠNG I: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG LÔ 10 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 10 1.1.1 Vị trí địa lý 10 1.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo 10 1.1.3 Đặc điểm địa chất 12 1.1.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật 13 1.1.5 Đặc điểm khí hậu 14 1.1.6 Đặc điểm thủy văn, chế độ thủy văn 18 1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 21 1.2.1 Đặc điểm dân cư – lao động 21 1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội tỉnh lưu vực sông Lô 22 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHO LƯU VỰC SÔNG LÔ 24 2.1 Tổng quan BĐKH giới Việt Nam 24 2.1.1 Biểu biến đổi khí hậu giới 24 2.1.2 Biểu biến đổi khí hậu Việt Nam 26 2.1.3 Kịch biến đổi khí hậu cho Việt Nam 26 2.2 Biểu biến đổi khí hậu kịch biến đổi khí hậu cho lưu vực sơng Lơ 27 2.2.1 Biểu biến đổi khí hậu lưu vực sông Lô 27 2.2.2 Kịch biến đổi khí hậu cho lưu vực sông Lô 29 CHƯƠNG III: CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ 39 3.1 Mơ hình thủy văn 39 3.1.1 Khái qt mơ hình NAM 39 3.1.2 Các thơng số mơ hình NAM 40 3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết mơ hình 40 3.1.4 Dữ liệu đầu vào 42 3.1.5 Dữ liệu đầu mơ hình 43 3.1.6 Phân chia lưu vực 43 3.1.7 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 43 3.2 Mô hình thủy lực 48 3.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11 48 3.2.2 Yêu cầu số liệu đầu vào 51 3.2.3 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực 53 3.2.4 Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực cho mùa lũ 53 3.3 Mơ hình cân nước 55 3.3.1 Giới thiệu mơ hình MIKE BASIN 55 3.3.2 Phân khu sử dụng nước 56 3.3.3 Số liệu đầu vào mơ hình 56 3.3.4 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 57 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LÔ 61 4.1 Tác động BĐKH đến chế độ dòng chảy 61 4.1.1 Dòng chảy năm 61 4.1.2 Dòng chảy mùa 62 4.2 Tác động BĐKH đến cân nước hệ thống 64 4.2.1 Sự thay đổi nhu cầu sử dụng nước 64 4.2.2 Cân nước hệ thống 65 4.3 Tác động BĐKH đến dòng chảy lũ 69 4.3.1 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế 69 4.3.2 Sự thay đổi mực nước đỉnh lũ 71 4.4 Tác động BĐKH đến hạn hán 72 4.4.1 Phương pháp tính tốn hạn hán 73 4.4.2 Tính tốn hệ số Khạn cho giai đoạn 1980 – 1999 74 4.4.3 Tính tốn hệ số Khạn cho lưu vực sông Lô theo kịch BĐKH 77 C KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Lô 10 Hình 2: Bản đồ địa hình lưu vực sơng Lơ 12 Hình 3: Bản đồ địa chất lưu vực sông Lô 13 Hình 4: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Lô 21 Hình 5: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình tồn cầu 24 Hình 6: Diễn biến lượng mưa năm vùng khác giới 25 Hình 7: Xu biến động mực nước biển trạm toàn cầu 25 Hình 8: Sự thay đổi yếu tố nhiệt độ số trạm lưu vực sơng Lơ 28 Hình 9: Sự thay đổi yếu tố lượng mưa số trạm lưu vực sơng Lơ 29 Hình 10: Giao diện phần mềm SDSM 30 Hình 11: Giao diện phần mềm SIMCLIM 31 Hình 12: Hệ thống Earth Simulator mô tả kịch BĐKH mơ hình AGCM/MRI 33 Hình 13: Mơ tả vị trí mơ hình PRECIS giao diện mơ hình 33 Hình 14: Sự thay đổi nhiệt độ theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 36 Hình 15: Sự thay đổi lượng mưa theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 37 Hình 16: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Bảo Yên 44 Hình 17: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Chiêm Hóa 44 Hình 18: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Đạo Đức 45 Hình 19: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Hàm Yên 45 Hình 20: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Ghềnh Gà 45 Hình 21: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Vụ Quang 46 Hình 22: Kết kiểm định mơ hình trạm Bảo Yên 46 Hình 23: Kết kiểm định mơ hình trạm Chiêm Hóa 46 Hình 24: Kết kiểm định mơ hình trạm Đạo Đức 47 Hình 25: Kết kiểm định mơ hình trạm Hàm n 47 Hình 26: Kết kiểm định mơ hình trạm Ghềnh Gà 47 Hình 27: Kết kiểm định mơ hình trạm Vụ Quang 48 Hình 28: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott 49 Hình 29: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott mặt phằng x~t 49 Hình 30: Nhánh sông điểm lưới xen kẽ 50 Hình 31: Cấu trúc điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 50 Hình 32: Cấu trúc điểm lưới mạng vịng 50 Hình 33: Mạng lưới sơng mơ hình MIKE 11 52 Hình 34: Sơ đồ q trình hiệu chỉnh thơng số mơ hình 53 Hình 35: Đường q trình mực nước tính tốn thực đo trạm Vụ Quang – VII/1996 54 Hình 36: Đường q trình mực nước tính tốn thực đo trạm Vụ Quang – VIII/2002 54 Hình 37: Sơ đồ mơ hình MIKE BASIN 56 Hình 38: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Hàm Yên 58 Hình 39: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Chiêm Hóa 58 Hình 40: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Ghềnh Gà 58 Hình 41: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Vụ Quang 59 Hình 42: Kết kiểm định mơ hình trạm Hàm Yên 59 Hình 43: Kết kiểm định mơ hình trạm Chiêm Hóa 59 Hình 44: Kết kiểm định mơ hình trạm Ghềnh Gà 60 Hình 45: Kết kiểm định mơ hình trạm Vụ Quang 60 Hình 46: Xu lưu lượng trung bình năm trạm sơng Lơ theo kịch 62 Hình 47: Xu lưu lượng mùa lũ trạm sơng Lơ theo kịch 63 Hình 48: Xu lưu lượng mùa kiệt trạm sông Lô theo kịch 64 Hình 49: Sự thay đổi nhu cầu nước lưu vực sông Lô qua thời kỳ theo KB BĐKH 65 Hình 50: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch A2 66 Hình 51: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B2 67 Hình 52: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B1 69 Hình 53: Bản đồ phân vùng hạn hán lưu vực sông Lô 76 Hình 54: Bản đồ hạn hán lưu vực sông Lô – Tháng 11/1992 77 Hình 55: Bản đồ hạn hán lưu vực sơng Lơ – Tháng 3/1993 77 Hình 56: Bản đồ hạn hán lưu vực sơng Lô – Tháng 11/2052 78 Hình 57: Bản đồ hạn hán lưu vực sơng Lô – Tháng 3/2053 78 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Lượng mưa trung bình tháng năm trạm lưu vực sông Lô 15 Bảng 2: Lượng bốc trung bình tháng năm trạm lưu vực sông Lô 16 Bảng 3: Sự thay đổi nhiệt độ trung bình năm so với thời kỳ trạm 35 Bảng 4: Sự thay đổi lượng mưa năm trạm sông Lô so với thời kỳ 36 Bảng 5: Các thông số mơ hình NAM 40 Bảng 6: Danh sách trạm khí tượng sử dụng mơ hình NAM 43 Bảng 7: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình NAM trạm sơng Lơ 44 Bảng 8: Phân chia khu sử dụng nước lưu vực sông Lô 57 Bảng 9: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thơng qua số NASH 60 Bảng 10: Nhu cầu sử dụng nước lưu vực sông Lô theo kịch BĐKH 64 Bảng 11: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch A2 65 Bảng 12: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch B2 67 Bảng 13: Lượng nước thiếu hụt lưu vực sông Lô theo kịch B1 68 Bảng 14: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sơng Lô – KB A2 69 Bảng 15: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sông Lô – KB B2 70 Bảng 16: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lưu vực sơng Lơ – KB B1 70 Bảng 17: Sự thay đổi mực nước lớn trạm Vụ Quang theo KB BĐKH 72 Bảng 18: Chỉ tiêu phân cấp mức độ hạn 74 Bảng 19: Danh sách trạm khí tượng sử dụng sông Lô 75 Bảng 20: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1992/1993 76 Bảng 21: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB A2 77 Bảng 22: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sơng Lơ mùa khô năm 1952/1953 – KB B2 77 Bảng 23: Kết tính hệ số hạn cho lưu vực sơng Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB B1 78 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu KTTV Khí tượng thủy văn KB Kịch MONRE Bộ Tài nguyên Môi trường IPCC Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu ĐN Hướng Đơng Nam Đ Hướng Đơng A2 Kịch phát thải khí nhà kính cao B2 Kịch phát thải khí nhà kính trung bình B1 Kịch phát thải khí nhà kính thấp SRES Special Report on Emission Scenarios PCMDI Program for Cliamte Model Diagnosis and Intercomparision NTDB Nhân tố dự báo DBHD Dự báo hạn dài GCM Mơ hình khí hậu toàn cầu JMA Japan Meteorology Agency JAMSTEC Agency for Marine – Earth Science and Technology PRECIS Providing Regional Climates to Impacts Studies A MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT Biến đổi khí hậu (BĐKH) mà biểu nóng lên tồn cầu mực nước biển dâng, thách thức lớn nhân loại kỷ 21 Thiên tai tượng khí hậu cực đoan khác gia tăng hầu hết nơi giới, nhiệt độ mực nước biển trung bình tồn cầu tiếp tục tăng mối lo ngại quốc gia giới Theo tính tốn Bộ Tài nguyên Môi trường (MONRE, 2012), Việt Nam, khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5 đến 0,7°C, mực nước biển dâng khoảng 20cm Hiện tượng El-Nino, LaNina ngày tác động mạnh mẽ đến Việt Nam Biến đổi khí hậu thực làm cho thiên tai, đặc biệt bão, lũ, hạn hán ngày nghiêm trọng Nhiệt độ trung bình Việt Nam tăng lên 3°C mực nước biển dâng 1m vào năm 2100 Từ số liệu quan trắc cho thấy, thành phần chu trình thủy văn có biến đổi vài thập niên qua, gia tăng hàm lượng nước khí quyển; mưa thay đổi lượng mưa, dạng mưa, cường độ cực trị mưa; độ ẩm đất dòng chảy thay đổi Tài nguyên nước bị tổn thương bị tác động mạnh biến đổi khí hậu gây nên hậu bất lợi loài người hệ sinh thái Theo Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu (IPCC, 2007), vào kỷ 21, biến đổi khí hậu nên dịng chảy năm trung bình sơng suối tăng lên khu vực vĩ độ cao vài khu vực nhiệt đới ẩm, giảm số khu vực nằm vĩ độ vừa khu vực nhiệt đới khơ Lưu vực sơng Lơ lưu vực có nguồn tài nguyên nước dồi đã, phải hứng chịu tác động biến đổi khí hậu, điều ảnh hưởng lớn đến kinh tế xã hội đa dạng sinh học lưu vực Do đó, cần phải có nghiên cứu, đánh giá định lượng, từ đưa giải pháp ứng phó kịp thời Nội dung luận văn đề cập đến vấn đề: “Đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông Lô” MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN a Mục tiêu tổng quát Đưa đánh giá định lượng thay đổi đặc trưng tài nguyên nước mặt tác động biến đổi khí hậu b Mục tiêu cụ thể - Đánh giá mức độ tác động BĐKH đến đặc trưng tài nguyên nước mặt như: dòng chảy đến, nhu cầu nước, cân nước hệ thống, lưu lượng đỉnh lũ, hạn hán - Đánh giá xu thay đổi tài nguyên nước mặt theo kịch BĐKH CÁCH TIẾP CẬN Luận văn áp dụng cách tiếp cận sau: - Tiếp cận theo không gian thời gian: BĐKH gây tượng thời tiết cực đoan, tăng tần suất thiên tai mực nước biển dâng, xâm nhập mặn Các ảnh hưởng thay đổi thường diễn diện rộng, mức độ phạm vi ảnh hưởng thay đổi theo khơng gian thời gian Do để nhận định quy mô ảnh hưởng BĐKH đến tài nguyên nước cần tiếp cận theo không gian thời gian - Tiếp cận hệ thống: + Chúng ta xem xét tác động BĐKH, đối tượng chịu tác động điều chỉnh sách, quy hoạch hệ thống tự nhiên - kinh tế - xã hội (khí hậu - hệ thống tài nguyên - môi trường - sinh thái – kinh tế - xã hội), thành phần hệ thống có quan hệ chặt chẽ với nhau, biến động thành phần hệ thống có tác động đến thành phần khác Hiện trạng tài nguyên môi trường, phát triển kinh tế - xã hội liên quan chặt chẽ với phụ thuộc mạnh mẽ vào điều kiện tự nhiên nói chung, khí tượng-khí hậu nói riêng Do đó, xu BĐKH gây nên tác động có tính chất định tới cấu phần lại hệ thống + Theo cách tiếp cận này, việc nghiên cứu, điều tra đánh giá ảnh hưởng BĐKH tới sách, quy hoạch phát triển tổng thể phát triển ngành phải tiến hành đồng bộ, hệ thống, toàn diện Việc xây dựng, chỉnh sửa sách, quy hoạch tài nguyên nước khu vực nghiên cứu cần thực mối quan hệ không đơn lẻ yếu tố, tính đến yếu tố nội địa, mà phải xem xét mối quan hệ, tác động tổng hợp cấu thành thuộc hệ thống nội yếu tố ảnh hưởng từ bên ngồi - Tiếp cận tích hợp, liên ngành: Việc nghiên cứu, xây dựng sách, quy hoạch tài nguyên nước lưu vực cần xem xét mối quan hệ tổng thể điều kiện tự nhiên (khí hậu, địa chất, địa hình, địa mạo), điều kiện kinh tế - xã hội PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu: + Phương pháp thực sở kế thừa, phân tích tổng hợp nguồn tài liệu, tư liệu, số liệu thơng tin có liên quan cách có chọn lọc, từ đó, đánh giá chúng theo yêu cầu mục đích nghiên cứu + Thống kê phương pháp xử lý số liệu cách định lượng Ở giai đoạn đầu, tiến hành thống kê, thu thập số liệu, kết nghiên cứu chương trình, dự án thực có liên quan Đồng thời, thống kê, thu thập số liệu đo đạc, khảo sát thực địa, tính tốn đồ + Các tài liệu cần thu thập: thuỷ nơng hồn chỉnh, hạn hán thường xẩy gây khó khăn lớn cho đời sống kinh tế - xã hội, môi sinh Các kết nghiên cứu rằng, hạn hán lưu vực sông Lô xảy từ tháng XI năm trước đến tháng IV năm sau 4.4.1 Phương pháp tính tốn hạn hán Có nhiều ngun nhân gây hạn hán mức độ hạn nặng hay nhẹ phụ thuộc vào nhiều yếu tố Do vậy, vấn đề xác định (chỉ tiêu – số) khô hạn phức tạp Các nhà khoa học đưa nhiều loại số khô hạn, chưa có số chung người thừa nhận chưa có thống Mỗi số hạn cho nhìn tổng quát hạn khác Để đưa biện pháp có hiệu phòng chống giảm thiểu tác hạn hạn hán gây lưu vực sông Lô ứng với mức độ ảnh hưởng khác nhau, luận văn tiến hành phân vùng hạn hán thông qua việc tính tốn hệ số hạn (Khạn ) dựa việc tính tốn hệ số khơ (Kkhơ) hệ số cạn nước sông (Kcạn) Trong trường hợp vừa khô vừa cạn có khả sinh hạn a Hệ số khơ (Kkhô) Hệ số khô đặc trưng thiếu hụt nước trình cân lượng mưa bốc hơi, thiếu hụt lượng mưa trạng thái mưa thời gian dài Ngồi lượng mưa bốc hơi, hạn khí tượng cịn chịu tác động với nhân tố khí khác tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí cường độ ánh sáng mặt trời Quan niệm hạn hán lâu chủ yếu phân định theo trạng thái khơng bình thường mưa, nhà khí hậu Việt Nam đúc kết phương pháp tiêu thống kê hạn, thử nghiệm tiêu phân tích ưu khuyết điểm chúng từ lựa chọn xác định số hạn Qua q trình tính tốn, so sánh đối chiếu với thực tế hạn hán địa phương, báo cáo nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng khô hạn, xem xét sở hạn khí tượng q trình tính số khơ hạn theo số cán cân nước Kkhô Đào Xuân Học Chỉ số tính tốn khơ Kkhơ tính theo cơng thức: Trong đó: X Z lượng mưa bốc thời đoạn tính toán Nếu lượng mưa vừa đủ để cấp nước cho q trình bốc thời đoạn X= Z dẫn đến Kkhô= ấn định chưa khô Khi Kkhô = lúc khơ có khả sinh hạn Trường hợp Kkhô