CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU
2.1.7. Phương pháp đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây
cây trồng
Đối với bài toán đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng, cụ thể luận văn sẽ đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa, công cụ để đánh giá tác động là sử dụng mô hình CROPWAT, đây là chương trình tính nhu cầu nước cho cây trồng và lập kế hoạch tưới tiên tiến nhất hiện nay và được FAO khuyến cáo sử dụng trên toàn thế giới.
Mô hình CROPWAT có các chương trình tính toán sau: - Tính toán nhu cầu nước cho cây trồng.
- Lập kế hoạch tưới.
- Tính toán cho nguồn cung cấp tổng hợp dựa trên mô hình các giống cây trồng. Mô hình CROPWAT xác định nhu cầu nước tưới cho cây trồng dựa trên cơ sở lý thuyết là phương trình cân bằng nước giữa lượng nước đến và lượng nước đi như sau:
IRR = (ETc + LPrep + Prep) – Peff (mm/ngày) (2.13) Trong đó: IRR: lượng nước cần tưới cho cây trồng trong thời đoạn tính toán (mm/ngày); ETc: lượng bốc hơi của cây trồng trong thời đoạn tính toán (mm); Peff: lượng mưa hiệu quả cây trồng sử dụng được trong thời đoạn tính toán (mm); Prep: lượng nước ngấm ổn định trong đất trong thời đoạn tính toán (mm/ngày); LPrep: lượng nước làm đất (mm).
Đây cũng chính là phương trình tính nhu cầu nước tưới cho cây lúa. Đối với cây trồng cạn, nhu cầu tưới nước của cây trồng cạn được tính bằng phương trình đơn giản hơn, sau khi đã bỏ đi 2 đại lượng Prep và LPrep:
IRR= ETc – Peff (mm/ngày) (2.14) Sau khi có được các số liệu đầu vào, mô hình CROPWAT sẽ tính toán nhu cầu nước cho cây trồng theo kịch bản nền (1986-2005) và dự kiến đến 2100 theo hai kịch bản BĐKH RCP4.5 và RCP8.5. Kết quả tính toán được lớp nước cần tưới cho một đơn vị diện tích là ha. Lớp nước cần tưới này nhân với diện tích gieo trồng sẽ cho kết quả tổng lượng nước cần tưới cho cây trồng tỉnh Tuyên Quang.
Mô hình CROPWAT yêu cầu những số liệu đầu vào sau:
- Lượng bốc thoát hơi tiềm năng ETo: ETo có thể được nhập trực tiếp từ số liệu đo đạc hoặc được CROPWAT tính toán từ số liệu khí hậu tùy theo sự đầy đủ của số liệu. CROPWAT sử dụng công thức Penman-Monteith khi có đầy đủ các dữ liệu về nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, bức xạ và tốc độ gió để tính ETo hàng ngày, hàng tuần, mười ngày hoặc hàng tháng. Tuy nhiên, khi bị thiếu dữ liệu CROPWAT vẫn có thể ước tính dữ liệu bị thiếu từ giá trị nhiệt độ không khí tối cao và tối thấp. CROPWAT 8.0 có thể làm việc với nhiệt độ cực đại hoặc cực tiểu (mặc định), hoặc với nhiệt độ trung bình nếu không có nhiệt độ cực đại/ cực tiểu.
- Lượng mưa hiệu quả: Lượng mưa hiệu quả được hiểu là lượng mưa sau khi đã khấu trừ tổn thất do nước chảy đi mất và do thấm xuống sâu.
Mô đun “Rain” trong CROPWAT tính lượng mưa hiệu quả cho cả cây trồng cạn và cây lúa nước. Nó cho 4 lựa chọn về phương pháp tính lượng mưa hiệu quả: cố định tỉ lệ phần trăm lượng mưa hiệu quả, công thức kinh nghiệm của FAO/AGLW, công thức kinh nghiệm với các hệ số kinh nghiệm được xác định theo số liệu cụ thể của từng địa phương, công thức kinh nghiệm theo cơ quan bảo vệ đất của Mỹ. Tùy theo loại cây trồng
và điều kiện cụ thể của địa phương mà chọn lựa phương pháp tính lượng mưa hiệu quả cho phù hợp.
Luận văn sử dụng công thức kinh nghiệm của FAO/AGLW, cụ thể như sau:
{Peff = 0.6 Ptot – 10 khi lượng mưa thực tế Ptot < 70 𝑚𝑚
Peff = 0.8 Ptot – 24 khi lượng mưa thực tế Ptot > 70 𝑚𝑚 (2.15)
Trong đó: + Peff là lượng mưa hiệu quả ứng với tần suất thiết kế (mm); + Ptot là lượng mưa thực tế ứng với tần suất thiết kế (mm).
Tần suất mô hình mưa tưới thiết kế để tính toán xác định nhu cầu cấp nước đảm bảo cho hệ thống tưới được quy định là 85% cho tất cả các cấp công trình. Chọn mô hình mưa thiết kế được xác định thông qua mô hình mưa điển hình. Mô hình mưa điển hình là mô hình đã xảy ra trong thực tế, có tổng lượng mưa xấp xỉ với tổng lượng mưa thiết kế, có dạng phân phối là phổ biến và thiên về bất lợi. Do đó, lượng mưa dùng để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng được lấy theo lượng mưa với tần suất thiết kế 85%.
Theo tìm hiểu, hiện nay có 2 quan điểm tính toán mưa tưới thiết kế như sau: + Xác định mô hình mưa vụ thiết kế của từng vụ gieo cấy. Kết quả sẽ thu được mô hình mưa vụ thiết kế là mô hình mưa điển hình đã được thu phóng theo hệ số thu phóng của từng vụ của các năm điển hình khác nhau. Tuy nhiên phương pháp này khi thay đổi cơ cấu cây trồng thì sẽ trở nên bất cập.
+ Xác định mô hình mưa năm thiết kế ứng với tần suất thiết kế. Sử dụng phương pháp tần suất để xác định tổng lượng mưa năm có tần suất 85% (X85%), sau đó thu phóng theo phân bố mưa của năm điển hình (Xđh) để xác định phân bố của mưa từng tháng ứng với tần suất thiết kế 85%.
Luận văn tính toán theo quan điểm thứ 2. Sử dụng phương pháp thu phóng cùng tỉ số với hệ số thu phóng: Kp= X85%/Xđh. Từ đó tính được lượng mưa tháng thiết kế: Xitk=Kp*Xiđh (với i tương ứng với tháng tính toán).
- Xác định thông số cây trồng: Mô hình Cropwat cho phép tính nhu cầu nước cho hai loại cây trồng là cây lúa nước và một số cây trồng cạn như ngô, lạc, đậu tương, mía... Thông số cây trồng đối với cây lúa nước cần xác định nhiều thông số hơn so với các cây trồng cạn.
- Thông số đất: Mô hình CROPWAT yêu cầu thông số đất cho cây lúa nước và các cây trồng cạn khác nhau.
Số liệu sử dụng
- Số liệu quan trắc tại các trạm khí tượng thủy văn thuộc khu vực tỉnh Tuyên Quang: Số liệu nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt độ tối cao ngày, nhiệt độ tối thấp ngày và lượng mưa tại 3 trạm khí tượng (Tuyên Quang, Hàm Yên, Chiêm Hóa) và 2 trạm thủy văn (Ghềnh Gà, Na Hang) (Bảng 2.1).
Bảng 2.1. Danh sách các trạm khí tượng thủy văn tỉnh Tuyên Quang được sử dụng STT Trạm Kinh độ (oE) Vĩ độ (oN) Độ cao (m) Chuỗi số
liệu nhiệt độ Chuỗi số liệu lượng mưa
1 Na Hang 105,39 22,36 1963-2017
2 Chiêm Hóa 105,26 22,15 60,3 1962-2017 1961-2017 3 Hàm Yên 105,03 22,06 46,2 1961-2017 1961-2017
4 Ghềnh Gà 105,18 21,85 1970-2017
5 Tuyên Quang 105,21 21,81 40,8 1961-2017 1962-2017 - Số liệu mô hình: Số liệu mô phỏng thời kỳ cơ sở 1986-2005 và dự tính khí hậu giai đoạn 2006-2100 bằng 4 mô hình: PRECIS, CCAM, RegCM, clWRF. Mô tả chi tiết thông tin số liệu sử dụng từ các mô hình được trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các mô hình khí hậu được sử dụng trong tính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang
STT Mô hình
Điều kiện biên từ mô hình toàn cầu Độ phân giải Thời kỳ có số liệu Thời kỳ cơ sở RCP4.5 RCP8.5 1 CCAM ACCESS1-0 10km 1970-2005 2006-2099 2006-2099 2 CCSM4 3 CNRM-CM5 4 GFDL-CM3 5 MPI-ESM-LR 6 NorESM1-M 7 RegCM ACCESS1-0 20km 1980-2000 2046-2065 2080-2099 2046-2065 2080-2099 8 NorESM1-M 9 Precis HadGEM2-ES 25km 1960-2005 2006-2099 2006-2099 10 GFDL-CM3 11 CNRM-CM5 12 CLWRF NorESM1-M 30km 1980-2005 2006-2099 2006-2099 - Số liệu phục vụ cho bài toán tính nhu cầu tưới của cây trồng:
+ Số liệu độ ẩm không khí tương đối, số giờ nắng, tốc độ gió trung bình tháng của giai đoạn 1956-2015 (Chiêm Hóa: 1959-2015, Hàm Yên: 1958-2015, Tuyên Quang: 1956-2015) đặc trưng cho tỉnh Tuyên Quang lấy từ Báo cáo chuyên đề Khí tượng thủy
văn kèm theo Quyết định phê duyệt Quy hoạch xây dựng và phát triển thủy lợi tỉnh Tuyên Quang giai đoạn 2016-2025, định hướng đến năm 2035 số 174/QĐ-UBND ngày 08/03/2017.
Bảng 2.3. Các yếu tố khí tượng trung bình tháng đặc trưng cho tỉnh Tuyên Quang
Trạm Yếu Tố Tháng
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Chiêm Hóa Độ ẩm tương đối (%) 86 85 85 85 83 85 85 87 86 86 86 85 Tốc độ gió (m/s) 1.0 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.0 1.0 0.9 0.9 0.9 0.9 Số giờ nắng (giờ) 56.4 61.2 58.2 103.2 179.8 164.1 173.9 181.6 166.7 137.0 121.3 91.3 Hàm Yên Độ ẩm tương đối (%) 85 86 85 85 83 84 86 86 85 85 85 84 Tốc độ gió (m/s) 1.0 1.1 1.0 1.1 1.1 1.0 1.1 1.1 1.0 1.0 0.9 1.0 Số giờ nắng (giờ) 51.5 53.0 51.2 93.6 164.4 151.5 152.2 172.1 163.5 123.1 105.8 72.3 Tuyên Quang Độ ẩm tương đối (%) 82 83 84 83 81 82 83 85 84 83 82 81 Tốc độ gió (m/s) 1.2 1.2 1.3 1.4 1.4 1.3 1.3 1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 Số giờ nắng (giờ) 62.9 48.2 53.4 93.8 167.1 164.4 184.0 182.1 175.0 152.5 127.9 105.9 + Số liệu về cây trồng như: Lịch thời vụ, cơ cấu cây trồng, cơ cấu giống lúa, hiện trạng sử dụng đất, quy hoạch đất trồng trọt… được thu thập từ các văn bản do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Tuyên Quang đăng tải trên trang web của ngành. Ngoài ra một vài thông số lấy theo tiêu chuẩn của FAO và từ các Tiêu chuẩn Việt Nam áp dụng cho cây lúa (TCVN 8641: 2011 và TCVN 9168: 2012).