Đối tƣợng dòng chảy kiệt trong phạm vi nghiên cứu này là một hiện tƣợng theo mùa và thành phần tổng hợp của chế độ dòng chảy trong sông, đƣợc giới hạn trong những quá trình hoạt động trong mùa khô và khía cạnh khác nhau của đầu ra tích lũy của những quá trình này – dòng chảy kiệt nhƣ một phần của đƣờng quá trình dòng chảy liên tục.
3.3.2.1 Dòng chảy kiệt và tháng kiệt nhất
Dòng chảy kiệt đƣợc tính toán cho giai đoạn từ tháng XII năm nay đến tháng V năm sau (nửa năm) cho mỗi năm trong từng giai đoạn nền và tƣơng lai. Tác động
66
của 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B và A2 đều gây ra cả xu hƣớng tăng và giảm trong dòng chảy kiệt của lƣu vực, đồng thời thể hiện khoảng dao động rộng trong dòng chảy (hình 3. 11). Trên các tiểu lƣu vực ND1, ND2 dòng chảy kiệt dƣới tác động của kịch bản A1B tăng tƣơng ứng 23.21 (3.13 m3/s), 8.23 (0.36 m3/s); giảm 20.58% (1.41 m3/s), 24.38% (2.21 m3/s) và 27.51% (1.45 m3/s) trong dòng chảy kiệt đƣợc tìm thấy trên các tiểu lƣu vực còn lại, ND3, ND4 và ND5. Điều đó cho thấy mặc dù dòng chảy biến đổi mạnh về tỉ lệ, nhƣng giá trị thay đổi thực là không đáng kể, tƣơng đƣơng với tăng hoặc giảm trong khoảng 1 đến 3 m3/s do bản thân dòng chảy kiệt của khu vực nghiên cứu thấp. Kịch bản A2 gây ra tác động tăng tuyến tính so với kịch bản A1B do đó vẫn thể hiện cùng tính chất biến đổi theo không gian, dao động tăng trong khoảng 10.17% (ND3) đến 47.25% (ND1), giảm từ 6.05% (ND4) đến 9.36% (ND5).
Từ các chấm tròn thể hiện trên hình 3. 11, có thể thấy xu hƣớng giảm của dòng chảy tháng kiệt nhất nổi bật trên toàn lƣu vực, ngoại trừ tiểu lƣu vực ND1 dƣới tác động của kịch bản A1B. Giảm nhỏ nhất trong dòng chảy tháng kiệt nhất là 1.81% (tƣơng đƣơng với 0.03 m3/s) trên lƣu vực ND2, giảm lớn nhất là 37.54% (tƣơng đƣơng 0.77 m3/s) trên ND5. Riêng trên lƣu vực ND1 cho thấy giá trị dòng chảy tháng kiệt nhất tăng 17.85% tƣơng đƣơng với 0.78 m3/s. Kịch bản A2 cho thấy bằng chứng của xu hƣớng tƣơng tự, dòng chảy tháng kiệt nhất tăng ở các tiểu lƣu vực thƣợng lƣu, ngƣợc lại ở hạ lƣu. Kết quả tính toán cho thấy dòng chảy tăng lớn nhất trên lƣu vực ND1, 45.58% (xấp xỉ 2 m3/s), nhỏ nhất trên ND3, 2.12% (0.05 m3/s). Trên tiểu vùng ND2 dòng chảy tháng kiệt nhất tăng 15.15% (0.226 m3/s). Ngƣợc lại tiểu vùng ND4, ND5 dòng chảy giảm 5.49%, 8%, tƣơng đƣơng 0.19 m3/s, 0.16 m3/s.
Nhận xét: Nhƣ vậy có thể kết luận rằng dòng chảy tháng kiệt nhất của lƣu
vực sông Nhuệ chịu tác động lớn hơn của biến đổi khí hậu và kịch bản A2 gây ra một tác động tăng tuyến tính đến cả dòng chảy mùa kiệt và dòng chảy tháng kiệt nhất so với kịch bản A1B trên cả 5 lƣu vực cơ sở. Tuy nhiên, những thay đổi của đặc trƣng kiệt rất nhỏ (chỉ dao động từ 2 đến 6 m3/s ở cả 2 kịch bản).
67
Hình 3. 11. Biến động dòng chảy kiệt theo không gian kịch bản A1B trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy thuộc địa phân thành phố Hà Nội.
3.3.2.2 Dòng chảy 3 tháng kiệt nhất
Hình 3. 12 biểu diễn đƣờng xu thế biến đổi của giá trị cực tiểu tháng trung bình nhiều năm qua từng thập niên từ 1970 đến 2049 cho thấy xu thế và mức độ biến đổi kế tiếp hay chính là chênh lệch giữa 10 năm sau so với 10 năm trƣớc.
68
Hình 3. 12. Biến động dòng chảy kiệt trên các tiểu vùng thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B qua từng thập niên và từng thời kỳ
Nhìn chung, chu kỳ của dòng chảy kiệt khoảng 10 năm thể hiện khá rõ rệt, xen kẽ thời kỷ nƣớc nhiều và nƣớc ít và theo 2 xu hƣớng đối lập theo không gian trên toàn lƣu vực nghiên cứu qua đƣờng trung bình trƣợt 10 năm (hình 3. 12). Xét trong thời kỳ dài từ 1970 đến 2049, xu thế tăng ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu theo thời gian. Tuy nhiên mức độ biến đổi không lớn, hệ số của đƣờng xu thế dao động trong khoảng 0.00 đến 0.06 trên các tiểu lƣu vực.
69
Dòng chảy kiệt xét trong phạm vi thời gian từng thập niên thể hiện 2 xu hƣớng chủ đạo, giảm trong thời kỳ 70 – 99, phù hợp với kết quả của nghiên cứu trƣớc [8], và tăng trong các thời kỳ 2010 – 2049, mức độ biến đổi mặc dù chênh lệch không đáng kể. Xét theo không gian cũng cho thấy bằng chứng của 2 xu hƣớng biến đổi chính, ở phía Bắc xu hƣớng thập kỷ sau tăng tuyến tính so với thập kỷ trƣớc trong cả giai đoạn dài từ 1970 đến 2049 thể hiện qua độ dốc của đƣờng xu thế và hệ số của phƣơng trình hồi quy tuyến tính một biến, trong khi ở khu vực phía Nam xu thế này đƣợc tìm thấy trong giai đoạn 2010 đến 2049, và đều thấp hơn dòng chảy thời kỳ 1970 – 1999.
Một điểm đáng chú ý là gradient của đƣờng xu thế tăng, lớn nhất ở thập niên cuối 40 – 49, cho thấy biên độ dao động của dòng chảy kiệt tăng theo thời gian dƣới tác động của biến đổi khí hậu. Dòng chảy kiệt nhìn chung vẫn thể hiện 2 xu thế đối lập theo không gian tƣơng tự dòng chảy lũ. Nghĩa là biến đổi khí hậu gây ra tác động giống nhau theo mùa nhƣng biến đổi theo không gian.
3.3.2.3 Đường xác suất vượt ngưỡng
Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy (FDC) cho phép thể hiện đẩy đủ thông tin dòng chảy trong sông từ dòng chảy kiệt đến lũ. Nó là quan hệ giữa giá trị lƣu lƣợng xác định và phần trăm thời gian mà lƣu lƣợng này bằng hoặc bị vƣợt quá, hay nói cách khác – quan hệ giữa cƣờng độ và tần suất của lƣu lƣợng. Tần suất xuất hiện của một giá trị lƣu lƣợng này là một yếu tố quan trọng trong quản lý tài nguyên nƣớc. Do đó ba khía cạnh của đƣờng cong FDC đƣợc xem xét: biến đổi dòng chảy theo thời gian thể hiện qua độ dốc của đƣờng FDC, thay đổi của cƣờng độ dòng chảy vƣợt quá x% và thay đổi trong cƣờng độ vƣợt quá của Qx hiện tại.
FDC đƣợc xây dựng bằng cách tập hợp lại chuỗi dòng chảy theo trật tự giảm dần, gắn giá trị dòng chảy và khoảng phân lớp và tính số lần xuất hiện trong mỗi khoảng. Tần suất khoảng tích lũy sau đó đƣợc xác định và biểu diễn dƣới dạng phần trăm của số bƣớc thời gian tổng trong chuỗi số liệu. Cuối cùng giới hạn dƣới của
70
các khoảng phân cấp lƣu lƣợng và phần trăm xuất hiện đƣợc đƣa lên đồ thị. FDC đƣợc xây dựng trên giấy log – chuẩn, cho phép FDC đƣợc thể hiện rõ ràng.
Hình 3. 13a. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo các điều kiện khí hậu khác nhau tại lƣu vực ND1
Hình 3. 13b. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo điều kiện khí hậu giai đoạn nền cho từng tiểu lƣu vực
71
Trong nghiên cứu số liệu dòng chảy tháng nhiều năm cho giai đoạn nền, kịch bản A1B và A2 đƣợc sử dụng để xây dựng FDC (hình 3. 13a). Trong hình 3. 13b đƣờng FDC đƣợc xây dựng với dòng chảy chuẩn hóa, nghĩa là dòng chảy đƣợc chia cho diện tích lƣu vực, việc chuẩn hóa này nhằm mục đích so sánh giữa các lƣu vực vì nó loại trừ đƣợc sự khác nhau trong FDC gây ra bởi sự khác nhau trong diện tích lƣu vực.
Sự biến đổi của đƣờng FDC trên các tiểu lƣu vực thể hiện xu hƣớng biến đổi tƣơng tự nhau, do đó lƣu vực con ND1 đƣợc lựa chọn để minh họa cho tác động của biến đổi khí hậu. Độ dốc phần dƣới của đƣờng FDC cho cả điều kiện khí hậu nền, kịch bản A1B và A2 trên các tiểu lƣu vực lớn và gần nhƣ trùng nhau, thể hiện sự biến đổi mạnh của dòng chảy, và cho thấy mức độ đóng góp của dòng ngầm để duy trì dòng chảy mùa kiệt trên lƣu vực là rất nhỏ (hình 3. 13a, b), đồng thời điều đó cũng nói lên tác động nhỏ của biến đổi khí hậu đối với phần dòng chảy thấp. Phần trên của đƣờng FDC cho thấy 2 xu hƣớng khác biệt dƣới tác động của 2 kịch bản. Trong điều kiện kịch bản A2, độ dốc của phần phía trên của đƣờng FDC lớn hơn đáng kể so với kịch bản A1B và thời kỳ nền. Sự khác biệt này cho thấy kịch bản A2 nhạy hơn với những biến đổi trong giá trị dòng chảy lớn, giá trị dòng chảy ứng với tần suất nhỏ hơn 10% trong đó giá trị dòng chảy ứng với tần suất nhỏ hơn 1% thể hiện xu hƣớng này rõ rệt hơn. Khác với kịch bản A2, đƣờng FDC của A1B và giai đoạn nền gần nhƣ trùng khít với nhau, từ đó có thể kết luận kịch bản A1B tác động không đáng kể đến các phân vị của dòng chảy tháng trung bình.
Tỉ lệ Q90/Q50 của A1B giảm 7.7% và 40.5% đối với A2 cho thấy tỉ lệ dòng ngầm đóng góp vào dòng chảy có xu hƣớng giảm, điều này có khả năng do dòng chảy tổng tăng trong khi thành phần dòng ngầm không thay đổi. Kết quả tính toán cho thấy xu hƣớng giảm theo thời gian của phân vị Q90, 1.2% theo điều kiện khí hậu kịch bản A1B và 34.1% theo kịch bản A2. Tuy nhiên Q75 và những phân vị bé hơn thể hiện xu thế biến đổi ngƣợc lại, xu hƣớng tăng và tăng mạnh hơn ở những phân vị thấp hơn. Phân vị Q75 của giai đoạn sau chỉ tăng 1.81% so với thời kỳ nền trong khi đó phân vị Q50 tăng 7.03%, điều đó cho thấy xu hƣớng giảm nhẹ trong
72
giá trị dòng chảy nhỏ hơn dòng chảy trung bình đồng thời tăng đối với giá trị dòng chảy lớn hơn trung bình, xu thế biến đổi đó diễn biến mạnh hơn theo kịch bản A2 so với kịch bản A1B. Dòng chảy vƣợt quá 90% thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ một chỉ số hƣớng dẫn mà điều khiển công việc xử lý nƣớc thải và đánh giá cấp phép cho hoạt động bơm hút nƣớc. Sự giảm tần suất xuất hiện của Q90 nghĩa là tiềm năng cho những lƣu lƣợng này và khai thác giảm.
Một điểm khác cần quan tâm là tốc độ thay đổi của cƣờng độ vƣợt quá giá trị Q90 cũng nhƣ các phân vị khác thay đổi không đáng kể dƣới tác động của 2 kịch bản, trong đó tác động của kịch bản A2 gây ra biến đổi lớn hơn. Mặc dù vậy 2 xu hƣớng đối lập đƣợc tìm thấy, xu hƣớng giảm cƣờng độ vƣợt quá ở những phân vị lớn hơn 50 và xu hƣớng ngƣợc lại, tăng với phân vị nhỏ hơn 50 (bảng 3. 6).
Bảng 3. 6. Thay đổi cƣờng độ vƣợt quá của Qx
Thời đoạn Phân vị
Giai đoạn nền 90 75 50 20
A1B 90 75 52 23
A2 82 71 52 29
Kết quả cho thấy ở lƣu vực nghiên cứu, một lƣợng dòng chảy rất nhỏ đƣợc yêu cầu để duy trì dòng chảy kiệt, nƣớc ngầm để duy trì dòng chảy kiệt trên lƣu vực nhỏ dẫn đến sự biến đổi dòng chảy kiệt lớn; đồng thời những chỉ số này cho thấy tác động của biến đổi khí hậu là không đáng kể đối với dòng chảy kiệt.
3.3.2.4 Tần suất dòng chảy kiệt
Không giống với đƣờng cong thời khoảng của dòng chảy, thể hiện tỉ lệ thời gian trong đó một giá trị dòng chảy bị vƣợt quá, đƣờng cong tần suất dòng chảy kiệt thể hiện tỉ lệ năm khi một dòng chảy bị vƣợt quá. Các chỉ số tần suất dòng chảy kiệt đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hạn, thiết kế hệ thống cấp nƣớc, tính toán lƣợng nƣớc mặt khai thác đảm bảo an toàn, phân loại tiểm năng dòng chảy cho khả năng pha loãng, điều phối lƣợng chất thải vào dòng chảy, duy trì lƣu lƣợng nhất định trong sông vì thế việc phân tích nó là cần thiết.
73
Đƣờng tần suất dòng chảy kiệt đƣợc xây dựng trên cơ sở chuỗi số liệu dòng chảy tháng nhỏ nhất năm. Một lý do của việc lựa chọn bƣớc thời gian tháng là vì Nhuệ Đáy nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, dòng chảy năm có thể không phản ánh đƣợc những trận kiệt khắc nghiệt nhất, do nếu một mùa hè kiệt bất thƣờng đƣợc tiếp theo bởi một mùa mƣa, dòng chảy trung bình năm không thể hiện rõ sự sai lệch so với bình thƣờng và với dòng chảy năm thời gian xuất hiện kiệt không thể xác định đƣợc dẫn đến những kết luận về tác động của nó bị giới hạn (Bonacci, 1993) [19], do đó dòng chảy tháng là khoảng thời gian thích hợp cho nghiên cứu hạn đối với nông nghiệp, cấp nƣớc và nƣớc ngầm vì nó chứa nhiều thông tin chi tiết hơn năm, và nó có khoảng thời gian đủ dài để loại đi những hiện tƣợng ít có ý nghĩa đƣợc gọi là kiệt cục bộ.
Các hàm phân bố thƣờng đƣợc sử dụng trong các tài liệu liên quan đến dòng chảy kiệt, các phân bố Weibull, Gumbel, Pearson III, và phân bố log chuẩn, đƣợc kiểm tra để lựa chọn hàm phân bố lý thuyết phù hợp nhất với chuỗi dòng chảy nhỏ nhất năm với bƣớc thời gian tháng trên lƣu vực Nhuệ Đáy, với phƣơng pháp đánh giá dựa vào kiểm tra đồ thị. Kết quả cho thấy phân bố log – chuẩn nên đƣợc sử dụng trong mô tả thống kê dòng chảy kiệt trong lƣu vực Nhuệ Đáy cho cả thời kỳ nền và 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B, A2 (hình 3. 14a, b, c).
Kết quả cho thấy sự biến đổi của tần suất dòng chảy tháng kiệt nhất cũng tƣơng tự với dòng chảy tháng lớn nhất xét trên phạm vi không gian, và xu hƣớng biến đổi mạnh hơn dƣới tác động của kịch bản A2. Tuy nhiên, điểm khác biệt so với tần suất lũ là những cực trị hiếm thay đổi nhỏ hơn (Bảng 3. 7), diễn biến này có khả năng do giá trị cực trị hiếm của dòng chảy kiệt là quá thấp. Cụ thể cƣờng độ của dòng chảy mùa kiệt với tần suất xuất hiện lại là 20 năm tăng 8.7% và 17.4% tƣơng ứng với kịch bản A1B, A2, trong khi đó kịch bản A1B và A2 dẫn đến tăng 21.17%, 59.7% đƣợc tính toán trong cƣờng độ của dòng chảy kiệt với p 95%..
74
Hình 3. 14a. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Giai đoạn nền
Hình 3. 14b. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A1B
75
Hình 3. 14c. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – kịch bản A2
Bảng 3. 7. Tần suất dòng chảy tháng kiệt nhất
Subbasin ND1 ND2 ND3
P Baseline A1B A2 Baseline A1B A2 Baseline A1B A2
5% 1.61 1.75 1.89 0.64 0.65 0.68 0.8 0.70 0.75 10% 1.95 2.15 2.37 0.75 0.76 0.82 0.99 0.83 0.94 25% 2.69 3.03 3.46 0.99 0.99 1.10 1.42 1.11 1.38 50% 3.85 4.42 5.27 1.34 1.34 1.53 2.11 1.54 2.11 75% 5.50 6.46 8.02 1.83 1.79 2.12 3.15 2.13 3.24 90% 7.60 9.09 11.72 2.41 2.34 2.86 4.52 2.85 4.75 95% 9.21 11.16 14.71 2.84 2.75 3.41 5.61 3.40 5.97 Subbasin ND4 ND5
P Baseline A1B A2 Baseline A1B A2
5% 1.27 1.07 1.01 0.91 0.65 0.58 10% 1.54 1.23 1.26 1.06 0.75 0.72 25% 1.95 1.47 1.82 1.29 0.93 1.04 50% 3.04 2.04 2.74 1.86 1.20 1.57 75% 4.35 2.67 4.13 2.50 1.53 2.37 90% 6.00 3.39 5.98 3.27 1.92 3.43 95% 7.28 3.91 7.47 3.83 2.19 4.28
76
3.2.3.5 Đặc trưng thiếu hụt
Cả đƣờng cong thời khoảng dòng chảy và đƣờng tần suất dòng chảy kiệt đều không cung cấp thông tin về độ dài một giai đoạn liên tục dƣới một giá trị dòng chảy đƣợc quan tâm. Phƣơng pháp mô tả cũng không đƣa ra chỉ số về lƣợng thiếu hụt có thể của dòng chảy, mà đƣợc xây dựng trong một giai đoạn dòng chảy kiệt liên tục. Lý thuyết thời đoạn thiếu hụt đƣợc sử dụng để đánh giá khả năng của hồ chứa cần thiết đề cung cấp một lƣợng xác định.
Hình 3. 15a. Dòng chảy kiệt và đặc trƣng khô hạn năm 1977
Một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng khái niệm ngƣỡng (Yevjevich, 1967) [39]. Một thời đoạn trong phạm vi dòng chảy kiệt là số ngày trong đó dòng chảy