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 Ngƣời hƣớng 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 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẠM VI THỰC HIỆN B NỘI DUNG LUẬN VĂN 10 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI LƢU 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 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHO LƢU VỰC SÔNG LÔ 23 2.1 Tổng quan BĐKH giới Việt Nam 23 2.1.1 Biểu biến đổi khí hậu giới 23 2.1.2 Biểu biến đổi khí hậu Việt Nam 25 2.1.3 Kịch biến đổi khí hậu cho Việt Nam 25 2.2 Biểu biến đổi khí hậu kịch biến đổi khí hậu cho lƣu vực sông Lô 26 2.2.1 Biểu biến đổi khí hậu lưu vực sơng Lô 26 2.2.2 Kịch biến đổi khí hậu cho lưu vực sơng Lô 28 CHƢƠNG III: CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG LÔ 38 3.1 Mơ hình thủy văn 38 3.1.1 Khái qt mơ hình NAM 38 3.1.2 Các thơng số mơ hình NAM 39 3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết mơ hình 39 3.1.4 Dữ liệu đầu vào 41 3.1.5 Dữ liệu đầu mơ hình 42 3.1.6 Phân chia lưu vực 42 3.1.7 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình 42 3.2 Mơ hình thủy lực 47 3.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11 47 3.2.2 Yêu cầu số liệu đầu vào 50 3.2.3 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực 52 3.2.4 Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực cho mùa lũ 52 3.3 Mơ hình cân nƣớc 54 3.3.1 Giới thiệu mô hình MIKE BASIN 54 3.3.2 Phân khu sử dụng nước 55 3.3.3 Số liệu đầu vào mơ hình 55 3.3.4 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 56 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG LÔ 60 4.1 Tác động BĐKH đến chế độ dòng chảy 60 4.1.1 Dòng chảy năm 60 4.1.2 Dòng chảy mùa 61 4.2 Tác động BĐKH đến cân nƣớc hệ thống 63 4.2.1 Sự thay đổi nhu cầu sử dụng nước 63 4.2.2 Cân nước hệ thống 64 4.3 Tác động BĐKH đến dòng chảy lũ 68 4.3.1 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế 68 4.3.2 Sự thay đổi mực nước đỉnh lũ 70 4.4 Tác động BĐKH đến hạn hán 71 4.4.1 Phương pháp tính toán hạn hán 72 4.4.2 Tính tốn hệ số Khạn cho giai đoạn 1980 – 1999 73 4.4.3 Tính tốn hệ số Khạn cho lưu vực sông Lô theo kịch BĐKH 76 C KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: Bản đồ lƣu vực sông Lô 10 Hình 2: Bản đồ địa hình lƣu vực sơng Lơ 12 Hình 3: Bản đồ địa chất lƣu vực sông Lô 13 Hình 4: Bản đồ mạng lƣới trạm KTTV lƣu vực sông Lô 21 Hình 5: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình tồn cầu 23 Hình 6: Diễn biến lƣợng mƣa năm vùng khác giới 24 Hình 7: Xu biến động mực nƣớc biển trạm toàn cầu 24 Hình 8: Sự thay đổi yếu tố nhiệt độ số trạm lƣu vực sông Lơ 27 Hình 9: Sự thay đổi yếu tố lƣợng mƣa số trạm lƣu vực sơng Lơ 28 Hình 10: Giao diện phần mềm SDSM 29 Hình 11: Giao diện phần mềm SIMCLIM 30 Hình 12: Hệ thống Earth Simulator mô tả kịch BĐKH mô hình AGCM/MRI 32 Hình 13: Mơ tả vị trí mơ hình PRECIS giao diện mơ hình 32 Hình 14: Sự thay đổi nhiệt độ theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 35 Hình 15: Sự thay đổi lƣợng mƣa theo kịch BĐKH A2, B2, B1 trạm 36 Hình 16: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Bảo Yên 43 Hình 17: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Chiêm Hóa 43 Hình 18: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Đạo Đức 44 Hình 19: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Hàm Yên 44 Hình 20: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Ghềnh Gà 44 Hình 21: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Vụ Quang 45 Hình 22: Kết kiểm định mơ hình trạm Bảo Yên 45 Hình 23: Kết kiểm định mơ hình trạm Chiêm Hóa 45 Hình 24: Kết kiểm định mơ hình trạm Đạo Đức 46 Hình 25: Kết kiểm định mơ hình trạm Hàm Yên 46 Hình 26: Kết kiểm định mơ hình trạm Ghềnh Gà 46 Hình 27: Kết kiểm định mơ hình trạm Vụ Quang 47 Hình 28: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott 48 Hình 29: Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott mặt phằng x~t 48 Hình 30: Nhánh sơng điểm lƣới xen kẽ 49 Hình 31: Cấu trúc điểm lƣới xung quanh điểm nhập lƣu 49 Hình 32: Cấu trúc điểm lƣới mạng vòng 49 Hình 33: Mạng lƣới sơng mơ hình MIKE 11 51 Hình 34: Sơ đồ trình hiệu chỉnh thơng số mơ hình 52 Hình 35: Đƣờng trình mực nƣớc tính tốn thực đo trạm Vụ Quang – VII/1996 53 Hình 36: Đƣờng trình mực nƣớc tính tốn thực đo trạm Vụ Quang – VIII/2002 53 Hình 37: Sơ đồ mơ hình MIKE BASIN 55 Hình 38: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Hàm n 57 Hình 39: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Chiêm Hóa 57 Hình 40: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Ghềnh Gà 57 Hình 41: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Vụ Quang 58 Hình 42: Kết kiểm định mơ hình trạm Hàm n 58 Hình 43: Kết kiểm định mơ hình trạm Chiêm Hóa 58 Hình 44: Kết kiểm định mơ hình trạm Ghềnh Gà 59 Hình 45: Kết kiểm định mơ hình trạm Vụ Quang 59 Hình 46: Xu lƣu lƣợng trung bình năm trạm sơng Lơ theo kịch 61 Hình 47: Xu lƣu lƣợng mùa lũ trạm sơng Lơ theo kịch 62 Hình 48: Xu lƣu lƣợng mùa kiệt trạm sơng Lơ theo kịch 63 Hình 49: Sự thay đổi nhu cầu nƣớc lƣu vực sông Lô qua thời kỳ theo KB BĐKH 64 Hình 50: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch A2 65 Hình 51: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B2 66 Hình 52: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô qua giai đoạn – kịch B1 68 Hình 53: Bản đồ phân vùng hạn hán lƣu vực sông Lô 75 Hình 54: Bản đồ hạn hán lƣu vực sơng Lô – Tháng 11/1992 76 Hình 55: Bản đồ hạn hán lƣu vực sơng Lô – Tháng 3/1993 76 Hình 56: Bản đồ hạn hán lƣu vực sơng Lô – Tháng 11/2052 77 Hình 57: Bản đồ hạn hán lƣu vực sơng Lô – Tháng 3/2053 77 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Lƣợng mƣa trung bình tháng năm trạm lƣu vực sông Lô 15 Bảng 2: Lƣợng bốc trung bình tháng năm trạm lƣu vực sông Lô 16 Bảng 3: Sự thay đổi nhiệt độ trung bình năm so với thời kỳ trạm 34 Bảng 4: Sự thay đổi lƣợng mƣa năm trạm sông Lô so với thời kỳ 35 Bảng 5: Các thơng số mơ hình NAM 39 Bảng 6: Danh sách trạm khí tƣợng sử dụng mơ hình NAM 42 Bảng 7: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình NAM trạm sơng Lơ 43 Bảng 8: Phân chia khu sử dụng nƣớc lƣu vực sông Lô 56 Bảng 9: Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thơng qua số NASH 59 Bảng 10: Nhu cầu sử dụng nƣớc lƣu vực sông Lô theo kịch BĐKH 63 Bảng 11: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô theo kịch A2 64 Bảng 12: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô theo kịch B2 66 Bảng 13: Lƣợng nƣớc thiếu hụt lƣu vực sông Lô theo kịch B1 67 Bảng 14: Lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lƣu vực sông Lô – KB A2 68 Bảng 15: Lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lƣu vực sông Lô – KB B2 69 Bảng 16: Lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kết 1%, 5% trung bình ngày tức thời số trạm thủy văn lƣu vực sơng Lơ – KB B1 69 Bảng 17: Sự thay đổi mực nƣớc lớn trạm Vụ Quang theo KB BĐKH 71 Bảng 18: Chỉ tiêu phân cấp mức độ hạn 73 Bảng 19: Danh sách trạm khí tƣợng sử dụng sông Lô 74 Bảng 20: Kết tính hệ số hạn cho lƣu vực sông Lô mùa khô năm 1992/1993 75 Bảng 21: Kết tính hệ số hạn cho lƣu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB A2 76 Bảng 22: Kết tính hệ số hạn cho lƣu vực sông Lô mùa khô năm 1952/1953 – KB B2 76 Bảng 23: Kết tính hệ số hạn cho lƣu vực sơng Lơ mùa khô năm 1952/1953 – KB B1 77 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu KTTV Khí tƣợng thủy văn KB Kịch MONRE Bộ Tài ngun Mơi trƣờng IPCC Ủy ban Liên phủ Biến đổi khí hậu ĐN Hƣớng Đơng Nam Đ Hƣớng 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 nƣớc biển dâng, thách thức lớn nhân loại kỷ 21 Thiên tai tƣợng khí hậu cực đoan khác gia tăng hầu hết nơi giới, nhiệt độ mực nƣớc biển trung bình tồn cầu tiếp tục tăng mối lo ngại quốc gia giới Theo tính tốn Bộ Tài nguyên Môi trƣờng (MONRE, 2012), Việt Nam, khoảng 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5 đến 0,7°C, mực nƣớc biển dâng khoảng 20cm Hiện tƣợng 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 nƣớc 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, nhƣ gia tăng hàm lƣợng nƣớc khí quyển; mƣa thay đổi lƣợng mƣa, dạng mƣa, cƣờng độ cực trị mƣa; độ ẩm đất dòng chảy thay đổi Tài nguyên nƣớc bị tổn thƣơng bị tác động mạnh biến đổi khí hậu gây nên hậu bất lợi loài ngƣời 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, nhƣng giảm số khu vực nằm vĩ độ vừa khu vực nhiệt đới khơ Lƣu vực sơng Lơ lƣu vực có nguồn tài nguyên nƣớc dồi đã, phải hứng chịu tác động biến đổi khí hậu, điều ảnh hƣởng lớn đến kinh tế xã hội đa dạng sinh học lƣu vực Do đó, cần phải có nghiên cứu, đánh giá định lƣợng, từ đƣa 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 nƣớc lƣu vực sông Lô” MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN a Mục tiêu tổng quát Đƣa đánh giá định lƣợng thay đổi đặc trƣng tài nguyên nƣớc mặt dƣới tác động biến đổi khí hậu b Mục tiêu cụ thể - Đánh giá đƣợc mức độ tác động BĐKH đến đặc trƣng tài nguyên nƣớc mặt nhƣ: dòng chảy đến, nhu cầu nƣớc, cân nƣớc hệ thống, lƣu lƣợng đỉnh lũ, hạn hán - Đánh giá xu thay đổi tài nguyên nƣớc mặt theo kịch BĐKH CÁCH TIẾP CẬN Luận văn áp dụng cách tiếp cận sau: - Tiếp cận theo không gian thời gian: BĐKH gây tƣợng thời tiết cực đoan, tăng tần suất thiên tai mực nƣớc biển dâng, xâm nhập mặn Các ảnh hƣởng thay đổi thƣờng diễn diện rộng, mức độ phạm vi ảnh hƣởng thay đổi theo khơng gian thời gian Do để nhận định quy mô ảnh hƣởng BĐKH đến tài nguyên nƣớc cần tiếp cận theo không gian thời gian - Tiếp cận hệ thống: + Chúng ta xem xét tác động BĐKH, đối tƣợng chịu tác động điều chỉnh sách, quy hoạch hệ thống tự nhiên - kinh tế - xã hội (khí hậu - hệ thống tài nguyên - môi trƣờng - 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 trƣờng, phát triển kinh tế - xã hội liên quan chặt chẽ với phụ thuộc mạnh mẽ vào điều kiện tự nhiên nói chung, khí tƣợng-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 hƣởng BĐKH tới sách, quy hoạch phát triển tổng thể phát triển ngành phải đƣợc tiến hành đồng bộ, hệ thống, toàn diện Việc xây dựng, chỉnh sửa sách, quy hoạch tài nguyên nƣớc khu vực nghiên cứu cần đƣợc 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 hƣởng từ bên ngồi - Tiếp cận tích hợp, liên ngành: Việc nghiên cứu, xây dựng sách, quy hoạch tài nguyên nƣớc lƣu vực cần đƣợc 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 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phƣơng pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu: + Phƣơng pháp đƣợc thực sở kế thừa, phân tích tổng hợp nguồn tài liệu, tƣ 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 phƣơng pháp xử lý số liệu cách định lƣợng Ở giai đoạn đầu, tiến hành thống kê, thu thập số liệu, kết nghiên cứu chƣơng trình, dự án đƣợc 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, nhƣng hạn hán thƣờng xẩy gây khó khăn lớn cho đời sống kinh tế - xã hội, môi sinh Các kết nghiên cứu rằng, hạn hán lƣu vực sông Lô hầu nhƣ xảy từ tháng XI năm trƣớc đến tháng IV năm sau 4.4.1 Phƣơng 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 đƣa nhiều loại số khô hạn, nhƣng chƣa có số chung đƣợc ngƣời thừa nhận chƣa có thống Mỗi số hạn cho nhìn tổng quát hạn khác Để đƣa biện pháp có hiệu phòng chống giảm thiểu tác hạn hạn hán gây lƣu vực sông Lô ứng với mức độ ảnh hƣởng khác nhau, luận văn tiến hành phân vùng hạn hán thơng qua việc tính toán hệ số hạn (K hạn ) dựa việc tính tốn hệ số khơ (Kkhơ) hệ số cạn nƣớc sông (Kcạn) Trong trƣờng hợp vừa khô vừa cạn có khả sinh hạn a Hệ số khơ (Kkhô) Hệ số khô đƣợc đặc trƣng thiếu hụt nƣớc trình cân lƣợng mƣa bốc hơi, thiếu hụt lƣợng mƣa trạng thái mƣa thời gian dài Ngồi lƣợng mƣa bốc hơi, hạn khí tƣợng cịn chịu tác động với nhân tố khí khác nhƣ tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí cƣờng độ ánh sáng mặt trời Quan niệm hạn hán lâu chủ yếu phân định theo trạng thái khơng bình thƣờng mƣa, nhà khí hậu Việt Nam đúc kết phƣơng pháp tiêu thống kê hạn, thử nghiệm tiêu phân tích ƣu nhƣ 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 phƣơng, báo cáo nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng khô hạn, xem xét sở hạn khí tƣợng q trình tính số khơ hạn theo số cán cân nƣớc Kkhô Đào Xuân Học Chỉ số tính tốn khơ Kkhơ đƣợc tính theo cơng thức: Trong đó: X Z lần lƣợt lƣợng mƣa bốc thời đoạn tính toán Nếu lƣợng mƣa vừa đủ để cấp nƣớc cho q trình bốc thời đoạn X= Z dẫn đến Kkhô= đƣợc ấn định chƣa khô Khi Kkhô = lúc khơ có khả sinh hạn Trƣờng hợp Kkhô