Phân vùng hạn hán dựa trên chỉ số hạn và mô phỏng chế độ thủy văn trên lưu vực srepok vùng tây nguyên

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 65-81 Phân vùng hạn hán dựa số hạn mô chế độ thủy văn lưu vực Srepok vùng Tây Nguyên Nguyễn Thị Ngọc Quyên1,*, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Đại Ngưỡng3, Nguyễn Thoan3, Bùi Tá Long4, Nguyễn Kim Lợi2 Đại học Tây Nguyên-567 Lê Duẩn, Tp Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk Đại học Nông Lâm thành phố HCM - Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp HCM Trung tâm Khí tượng Thủy văn Đắk Lắk-60 Đinh Tiên Hồng, Tp Bn Ma Thuột, Đắk Lắk Đại học Bách Khoa thành phố HCM - 268 Lý Thường Kiệt, phường 14, Quận 10, Tp HCM Nhận ngày 07 tháng 11 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 05 tháng 01 năm 2017; Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 03 năm 2017 Tóm tắt: Lưu vực Srepok có vai trò quan trọng phát triển kinh tế, xã hội vùng Tây Nguyên nên cần có nghiên cứu đánh giá yếu tố tác động đến tài nguyên thiên nhiên khu vực Mục tiêu nghiên cứu ứng dụng công cụ SWAT mô lưu lượng dịng chảy, từ tính tốn hệ số hạn phân bố mặt không gian khu vực nghiên cứu Kết quả, lưu lượng dịng chảy mơ tốt với số NSI, R2 đạt 0,7 PBIAS khoảng 10% giai đoạn hiệu chỉnh kiểm định trạm Giang Sơn, Cầu 14 Bản Đôn Riêng trạm Đức Xuyên, trình kiểm định NSI đạt 0,6 trận lũ lịch sử xảy sơng Krơng Nơ Sau q trình phê chuẩn, liệu bốc tiềm năng, mưa lưu lượng dịng chảy trích xuất từ mơ hình làm đầu vào tính tốn hệ số hạn Bản đồ phân vùng lưu vực Srepok xuất hạn đặc biêt, nặng vừa vào tháng 2, tháng hàng năm thời gian hạn kéo dài 1-5 tháng Từ khóa: Lưu vực Srepok, hệ số hạn, mơ hình SWAT Giới thiệu Lưu vực Srepok có tổng diện tích 30.900 km2, phần thuộc Việt Nam 18.200 km2 Campuchia 12.700 km2 Hệ thống sông Srepok lãnh thổ Việt Nam bao gồm hai nhánh dịng Srepok bắt nguồn từ vùng núi phía Đơng Nam sơng Ea H’Leo bắt nguồn từ vùng núi phía Đơng Bắc tỉnh Đắk Lắk Dịng Srepok địa bàn tỉnh Đắk Lắk có diện tích lưu vực chiếm tới 2/3 diện tích lãnh thổ, hai nhánh Krông Ana Krông Knô hợp thành với tổng diện tích lưu vực 4200 km2, với chiều dài 125 km Lưu vực sơng Srepok có tiềm phát triển thủy điện hầu hết nhà máy thủy điện xây dựng quy hoạch lưu vực Hiện nay, nhiều lưu vực đứng trước nguy suy thoái nghiêm trọng gia tăng dân số khai thác mức nguồn tài nguyên thiên nhiên để phát triển kinh tế Trong đó, đất nước hai nguồn tài nguyên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, có vai trị quan trọng mặt đời sống, kinh tế, xã hội yếu tố xem xét đánh giá suy thoái hay bền vững lưu vực _  Tác giả liên hệ ĐT: 84-963003316 Email: ngocquyendhtn@yahoo.com.vn 65 66 N.T.N Quyên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 65-81 Hình Lưu vực Srepok Trên thực tế, hạn hán thiên tai gây trở ngại lớn phát triển kinh tế xã hội đời sống người lưu vực Srepok Hạn hán gây hậu nghiêm trọng sông suối cạn kiệt, thiếu nước sinh hoạt cho người dân, giảm suất trồng khả canh tác nhiều vùng đất sản xuất nông nghiệp Tuy vùng có lượng nước phong phú vào thời kỳ mùa khô (khoảng tháng 12 đến tháng năm sau), hạn hán xảy liên tiếp gây ảnh hưởng diện rộng Thống kê năm 2003, lưu vực sơng Srepok có khoảng 40.400 cà phê bị hạn, thiệt hại ước tính lên đến 277 tỷ đồng; theo báo cáo năm 2013 Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nơng thơn, tồn vùng Tây Ngun diện tích hạn 39.607 ha, bao gồm lúa 11.036 ha, cà phê 23.921 Trong đó, hạn nặng trắng 3857 Hầu hết hồ chứa thủy lợi, thủy điện vừa lớn vùng bị thiếu hụt nghiêm trọng, nhiều hồ chứa nhỏ cạn gần xuống đến mực nước chết không đủ tưới suốt vụ Xuất phát từ thực tế đó, nhiều cơng trình, đề tài, dự án triển khai khu vực Tây Nguyên nhằm quản lý bền vững tài nguyên đất nước ứng phó với thiên tai hạn hán, lũ lụt biến đổi khí hậu Điển Dương Văn Khảm ứng dụng cơng nghệ viễn thám để giám sát hạn khu vực Tây Nguyên Theo đó, số nước bề mặt LSWI (Land Surface Water Index) số khô hạn nhiệt độ, thực vật VTCI (Vegetable Temperature Dryness Index) khẳng định phù hợp vừa đảm bảo tính chất sinh học, vật lý trình hạn hán vừa đảm bảo tính thực tiễn hạn hán Việt Nam [1]; Trần Thục đánh giá khả ứng dụng số hạn Keetch-Byram (KBDI) giám sát hạn hán Việt Nam lấy vùng Tây Nguyên làm thực nghiệm Kết cho thấy số KBDI tính tốn từ số liệu viễn thám mơ tả tốt phân bố theo không gian thời gian điều kiện khô hạn khu vực Tây Nguyên năm 2010 KBDI cho thể mức độ khô/hạn tháng khô/hạn nặng [2] Những nghiên cứu hạn hán trên, tác giả luận giải kiểm chứng để đưa kết luận có tính hợp lý, kết mang tính giải đốn tiềm ẩn nhiều sai số phương pháp áp dụng mà chúng gọi “phương pháp gián tiếp”; đặc biệt điểm hạn chế viễn thám chưa thể sở để dự báo tính tốn theo tần suất thiết kế cơng trình, thời điểm Thực tế, hạn hán coi loại thiên tai, liên quan đến nhiều yếu tố tự nhiên, kinh tế, xã hội môi trường Các nghiên cứu năm đầu thập niên 1980 phát 150 định nghĩa công bố hạn hán Các định nghĩa phản ánh khác biệt khu vực, nhu cầu, phương pháp tiếp cận Tùy theo lĩnh vực mà có định nghĩa, khái niệm khác hạn hán, hạn khí tượng, hạn khí hậu, hạn thủy văn, hạn nơng nghiệp, hạn công nghiệp, hạn kinh tế xã hội, hạn sinh thái… Theo Wilhite Glantz (1985) phân thành loại hạn hán: hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp hạn kinh tế xã hội Tuy nhiên, chất vật lý, hạn hán hệ tổ hợp bất lợi điều kiện khí hậu khơ nóng chế độ thủy văn cạn kiệt Hay nói cách khác, để nghiên cứu hạn hán, nguyên lý bản, cần phải dựa sở chuỗi số liệu khí tượng thủy văn với đặc trưng trực tiếp gồm bốc hơi, mưa lưu lượng dịng chảy Do đó, nói, xây dựng đồ phân vùng hạn hạn sở giá trị hệ số hạn (Khan) khai tích số hệ số khơ (Kkho), hệ số cạn nước sơng (Kcan) tính tốn từ số liệu khí tượng (với hai thông số trực tiếp mưa bốc N.T.N Qun nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 65-81 nước) thủy văn (lưu lượng dòng chảy) cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu có tính logic có tính chất vật lý chặt chẽ Bên cạnh đó, khu vực miền núi hạn chế số lượng trạm thủy văn chất lượng số liệu thực đo lưu vực Srepok trở ngại lớn ảnh hưởng đến mức độ chi tiết phân vùng hạn hán khu vực nghiên cứu Lúc này, mơ hình tốn gần công cụ hữu hiệu để bổ khuyết liệu cần thiết Hiện có hàng trăm loại mơ hình tốn thủy văn, thủy lực khác hãng phần mềm chuyên nghiệp xây dựng khơng có mơ hình tồn cầu Vì việc lựa chọn mơ hình phù hợp nhiệm vụ khó khăn.Trong số mơ hình đó, vào đặc điểm lưu vực Srepok khơng có ảnh hưởng thủy triều, SWAT lựa chọn cấu trúc mơ hình thiết kế để mơ dịng chảy chiều đặc tính linh hoạt mơ hình mã nguồn mở giúp người dùng thay đổi thành phần nội cấu trúc mơ hình để phù hợp với khu vực nghiên cứu Điều chứng minh nhiều lĩnh vực đánh giá chất lượng nước mặt [3, 4]; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ nhờ vào ưu điểm mơ tốt xác lưu lượng dịng chảy [59]; Bên cạnh đó, với xu hướng nghiên cứu nay, SWAT ứng dụng để đánh giá ảnh hưởng biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước vấn đề sử dụng bền vững tài nguyên nước [10] Trên lưu vực Srepok, SWAT ứng dụng để mơ lưu lượng dịng chảy tải lượng bùn cát lưu vực nam sông Krơng Ana Tác giả tìm thơng số phù hợp cho mơ hình SWAT tiêu đánh giá mơ hình cịn thấp chấp nhận để mơ dịng chảy bồi lắng lưu vực [11] Do đó, nghiên cứu này, hệ số hạn với thông số đầu vào bao gồm bốc thoát nước tiềm năng, lượng mưa trung bình, lưu lượng dịng chảy trung bình giai đoạn 1980-2012 trích xuất từ mơ hình SWAT hiệu chỉnh kiểm định đảm bảo độ xác kết đầu để đánh giá thực trạng hạn hán lưu vực sông Srepok, khu 67 vực trung tâm đặc trưng cho vùng Tây Nguyên Từ đó, đồ phân cấp hạn hán lưu vực sông Srepok xây dựng Đây kết bước đầu xây dựng cho kịch trung bình nhiều năm Tuy nhiên, kết kỳ vọng sở cho nghiên cứu tính tốn theo tần suất thiết kế khác (năm nhiều nước, năm nước năm nước trung bình) dự báo theo không thời gian, xem xét đến ảnh hưởng biến đổi khí hậu Phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình SWAT SWAT cơng cụ đánh giá nước đất SWAT xây dựng tiến sĩ Jeff Arnold Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (ARS - Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture) [12] Mơ hình xây dựng nhằm đánh giá dự đoán tác động thực tiễn quản lý đất đai tác động đến nguồn nước, lượng bùn lượng hóa chất sinh từ hoạt động nơng nghiệp lưu vực rộng lớn phức tạp với không ổn định yếu tố đất, sử dụng đất điều kiện quản lý thời gian dài Mơ hình tập hợp phép toán hồi quy để thể mối quan hệ giá trị thông số đầu vào thông số đầu [13] Dữ liệu đầu vào SWAT xếp theo mức độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực, đơn vị thủy văn SWAT mơ hình hóa chu trình nước dựa sở phương trình cân nước sau: t SWt  SW0  i1(Rday  Qsurf  Ea  wseep  Qgw ) (1) Trong đó: SWt: Lượng nước đất thời điểm t (mm); SWo: Lượng nước đất thời điểm ban đầu (mm); t: thời gian (ngày); Rday: Tổng lượng mưa ngày thứ I (mm); Qsurf: Tổng lượng nước bề mặt ngày thứ i (mm); Ea: Lượng bốc thoát nước ngày thứ i (mm); wseep: Lượng nước vào tầng ngầm ngày thứ i (mm); Qgw: Lượng nước ngầm chạy sông ngày thứ i (mm) [12] 68 N.T.N Quyên nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 33, Số (2017) 65-81 Bảng Phân cấp tiêu thống kê đánh giá mức độ tin cậy kết mơ mơ hình theo tháng Chỉ tiêu PBIAS (%) NSE Mức độ Lưu lượng dòng chảy Tải lượng bùn cát Rất tốt 0,75