(Nguồn: IPCC, 2013)
Chú thích: Các ơ lưới được thể hiện (được tơ màu) nếu đảm bảo điều kiện: có đủ tối thiểu 70% số liệu trong thời kỳ 1901-2012; trong đó, tối thiểu giai đoạn đầu chỉ được thiếu 20% số liệu và giai đoạn cuối thiếu 10% số liệu. Những ô lưới màu trắng (không được tô màu) là những ô không đảm bảo điều kiện tính tốn. Những ơ được đánh dấu + là những ơ lưới có xu thế biến đổi ở mức ý nghĩa 10% (hay mức tin cậy 90%) trở lên.
Lƣợng mƣa
Lượng mưa có xu thế tăng ở đa phần các khu vực trên quy mơ tồn cầu trong thời kỳ 1901-2010. Trong đó, xu thế tăng rõ ràng nhất ở các vùng vĩ độ trung bình và cao; ngược lại, nhiều khu vực nhiệt đới có xu thế giảm. Xu thế tăng/giảm của lượng mưa phản ánh rõ ràng hơn trong giai đoạn 1951-2010 so với giai đoạn 1901- 2010. Trong đó, xu thế tăng rõ ràng nhất ở khu vực Châu Mỹ, Tây Âu, Úc; xu thế giảm rõ ràng nhất ở khu vực Châu Phi và Trung Quốc.
IPCC cũng tiếp tục khẳng định số vùng có số đợt mưa lớn tăng nhiều hơn số vùng có số đợt mưa lớn giảm. Hạn hán khơng có xu thế rõ ràng do hạn chế về số liệu quan trắc và đánh giá hạn. Xu thế về tần số bão là chưa rõ ràng, tuy nhiên gần như chắc chắn rằng số cơn bão mạnh cũng như cường độ của các cơn bão mạnh đã tăng lên (IPCC, 2013).
Hình 1.8. Biến đổi của lƣợng mƣa năm thời kỳ 1901-2010 và thời kỳ 1951-2010
(Nguồn: IPCC, 2013)
b) Biến đổi khí hậu ở Việt Nam
Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu. Trong những năm qua, dưới tác động của biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ các thiên tai ngày càng gia tăng, gây nhiều tổn thất to lớn về người, tài sản, cơ sở hạ tầng, về kinh tế, văn hoá, xã hội, tác động xấu đến môi trường. Tác động của biến đổi khí hậu đối với nước ta là rất nghiêm trọng, là nguy cơ hiện hữu cho mục tiêu xóa đói giảm nghèo, cho việc thực hiện các mục tiêu thiên niên kỷ và sự phát triển bền vững của đất nước. Việt Nam đã rất nỗ lực ứng phó với biến đổi khí hậu, thể hiện qua các chính sách và các chương trình quốc gia.
Năm 2009, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã xây dựng và cơng bố kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam và được cập nhật qua các năm 2011, năm 2016.
Với phiên bản cập nhật năm 2016, mơ hình khí hậu tồn cầu và khu vực là những cơng cụ chính được sử dụng để đánh giá xu thế và mức độ biến đổi của khí hậu tương lai, đặc biệt là các cực đoan khí hậu. Các mơ hình được sử dụng trong tính tốn xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam, gồm: (i) Mơ hình AGCM/MRI của Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản, (ii) Mơ hình PRECIS của Trung tâm Hadley - Vương quốc Anh, (iii) Mơ hình CCAM của Cơ quan Nghiên
cứu Khoa học và Công nghiệp Liên bang Úc (CSIRO), (iv) Mơ hình RegCM của Trung tâm quốc tế về Vật lý lý thuyết của Ý (ICTP), (v) Mơ hình clWRF của Mỹ.
Nhiệt độ
Nhiệt độ có xu thế tăng ở hầu hết các trạm quan trắc, tăng nhanh trong những thập kỷ gần đây. Trung bình cả nước, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1958-2014 tăng khoảng 0,62oC, riêng giai đoạn (1985-2014) nhiệt độ tăng khoảng 0,42oC. Tốc độ tăng trung bình mỗi thập kỷ khoảng 0,10oC, thấp hơn giá trị trung bình tồn cầu (0,12oC/thập kỷ, IPCC 2013).
Nhiệt độ tại các trạm ven biển và hải đảo có xu thế tăng ít hơn so với các trạm ở sâu trong đất liền. Có sự khác nhau về mức tăng nhiệt độ giữa các vùng và các mùa trong năm. Nhiệt độ tăng cao nhất vào mùa đông, thấp nhất vào mùa xuân. Trong 7 vùng khí hậu, khu vực Tây Ngun có mức tăng nhiệt độ lớn nhất, khu vực Nam Trung Bộ có mức tăng thấp nhất[1].
Hình 1.9. Chuẩn sai nhiệt độ (oC) trung bình năm (a) và nhiều năm (b) trên quy mơ cả nƣớc
Hình 1.10. Chuẩn sai nhiệt độ trung bình năm (o
C) đối với các trạm ven biển và hải đảo
Hình 1.11. Thay đổi nhiệt độ trung
bình năm (oC) thời kỳ 1958-2014 Hình 1.12. Thay đổi lƣợng mƣa năm (%) thời kỳ 1958-2014 Lƣợng mƣa
Trong thời kỳ 1958-2014, lượng mưa năm tính trung bình cả nước có xu thế tăng nhẹ. Trong đó, tăng nhiều nhất vào các tháng mùa đông và mùa xuân; giảm vào các tháng mùa thu. Nhìn chung, lượng mưa năm ở các khu vực phía Bắc có xu thế giảm (từ 5,8% ÷ 12,5%/57 năm); các khu vực phía Nam có xu thế tăng (từ 6,9% ÷ 19,8%/57 năm). Khu vực Nam Trung Bộ có mức tăng lớn nhất (19,8%/57 năm); khu vực đồng bằng Bắc Bộ có mức giảm lớn nhất (12,5%/57 năm).
Đối với các khu vực phía Bắc, lượng mưa chủ yếu giảm rõ nhất vào các tháng mùa thu và tăng nhẹ vào các tháng mùa xuân. Đối với các khu vực phía Nam,
lượng mưa các mùa ở các vùng khí hậu đều có xu thế tăng; tăng nhiều nhất vào các tháng mùa đông (từ 35,3% ÷ 80,5%/57 năm) và mùa xuân (từ 9,2% ÷ 37,6%/57 năm)[1].
Bảng 1.4. Thay đổi lƣợng mƣa (%) trong 57 năm qua (1958-2014) ở các vùng khí hậu
Đơn vị: %
Khu vực Xuân Hè Thu Đông Năm
Tây Bắc 19,5 -9,1 -40,1 -4,4 -5,8 Đông Bắc 3,6 -7,8 -41,6 10,7 -7,3 Đồng bằng Bắc Bộ 1,0 -14,1 -37,7 -2,9 -12,5 Bắc Trung Bộ 26,8 1,0 -20,7 12,4 0,1 Nam Trung Bộ 37,6 0,6 11,7 65,8 19,8 Tây Nguyên 11,5 4,3 10,9 35,3 8,6 Nam Bộ 9,2 14,4 4,7 80,5 6,9
1.3.3. Kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực nghiên cứu
Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sử dụng kịch bản RCP4.5 và RCP 8.5 về sự thay đổi % lượng mưa do biến đổi khí hậu cho lượng mưa 5 ngày trung bình lớn nhất (Bảng 1.5) và mưa trung bình theo mùa (Bảng 1.6) cho lưu vực nghiên cứu được chiết xuất từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam”(năm 2016) [1] để tính tốn lưu lượng dịng chảy 5 ngày lớn nhất, dịng chảy trung bình tháng mùa lũ vào giữa thế kỷ, cuối thế kỷ. Từ đó đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lũ trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa.
Bảng 1.5. % Thay đổi lƣợng mƣa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản
Đơn vị: %
Yếu tố Kịch bản Giai đoạn Mức biến đổi lượng mưa so với
giai đoạn nền 5 ngày lớn nhất RCP4.5 Giữa thế kỷ 44.2 Cuối thế kỷ 22.6 RCP8.5 Giữa thế kỷ 18.8 Cuối thế kỷ 16.4
Bảng 1.6. % thay đổi lƣợng mƣa mùa theo các kịch bản
(Đơn vị: %)
Thời đoạn Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu
RCP4.5 Giữa thế kỷ 21,1 9,1 -8,5 12,8 Cuối thế kỷ 37,0 -2,8 13,0 8,5 RCP8.5 Giữa thế kỷ 30,0 4,7 7,0 1,9 Cuối thế kỷ 55,6 -45,9 6,7 16,9
1.4. Một số nghiên cứu tƣơng tự và trên lƣu vực sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hoà Khánh Hoà
Như đã được trình bày trên, lưu vực sơng Cái tính đến trạm Đồng Trăng, vị trí thượng nguồn, có vai trị quan trọng đối với phía dưới hạ lưu đặc biệt là địa bàn Thành phố Nha Trang – khu vực phát triển kinh tế điểm của tỉnh. Chính vì vậy, lưu vực sông Cái Nha Trang được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của rất nhiều đề tài.
Bùi Văn Chanh (2013)[2] đã ứng dụng mơ hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM (Hydro Dynamic Model) xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang. Sản phẩm của đề tài là đã xây dựng bản đồ ngập lụt ứng với tần suất lũ 1%, 3%, 5% và 10% cho vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang. Mô phỏng diễn biến ngập lụt theo thời gian, tạo bản đồ ngập lụt và tích hợp chương trình sử dụng. Kết quả tính tốn dự tính vùng ngập lụt hạ lưu sơng Cái Nha Trang bao gồm hầu hết vùng đồng bằng của Huyện Diên Khánh và ngoại thành Nha Trang. Ngồi ra nhánh sơng Chị cịn gây ngập lụt lớn tại thơn Khánh Xn xã Diên Lâm. Vùng nội thành Nha Trang hầu như không bị ảnh hưởng ngập lụt của lũ sông Cái mà chỉ ảnh hưởng ngập úng do mưa lớn gây ra. Vùng ngập sâu nhất là xã Diên Thạnh, Diên Toàn và Diên Lạc của Huyện Diên Khánh. Diện ngập và độ sâu thay đổi theo các kịch bản với tần suất lũ 1%, 3%, 5% và 10%.
Nguyễn Ý Như (2012)[8] đã đánh giá dòng chảy năm tỉnh Khánh Hịa trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Mơ hình MIKE – NAM được áp dụng đối với tỉnh Khánh Hòa để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với dịng chảy. Biến đổi khí hậu
đoạn 2050 – 2100. Theo kịch bản lượng mưa trung bình năm tăng 0.7 đến 1.7% và nhiệt độ tăng 0.4 – 1oC. Kịch bản biến đổi khí hậu được sử dụng như tác nhân bên ngoài đối với mơ hình mưa dịng chảy NAM, được cài đặt và thực hiện cho 18 tiểu lưu vực. Dịng chảy trung bình năm trên lưu vực dao động trong khoảng 1- 7m3
/s (31 – 45%) khi so sánh kịch bản với giai đoạn nền. Những biến đổi lớn hơn được nhận thấy ở giá trị cực trị. Dòng chảy theo mùa được dự đoán thay đổi với dòng chảy cao hơn đáng kể trong mùa mưa, giảm đáng kể trong dòng chảy mùa kiệt.
Đặng Đình Đức (2012)[4] đã khơi phục số liệu dịng chảy tỉnh Khánh Hịa bằng mơ hình NAM. Lí do bởi các lưu vực sơng thuộc tỉnh Khánh Hịa có nguồn số liệu dịng chảy đo đạc rất hạn chế. Tồn tỉnh chỉ có duy nhất trạm thủy văn Đồng Trăng có số liệu dịng chảy đo đạc (từ năm 1983 tới nay), trong khi đó số trạm đo mưa trong tỉnh tương đối đầy đủ và đồng bộ từ năm 1977 tới nay. Bài toán đặt ra là cần phải khơi phục số liệu dịng chảy từ tài liệu đo mưa. Tác giả đã sử dụng phương pháp mơ hình tốn, cụ thể là ứng dụng mơ hình NAM để khơi phục số liệu dòng chảy các lưu vực sơng thuộc tỉnh Khánh Hịa. Bài báo đã tính tốn lưu lượng trung bình tháng từ 1977-2010 cho 18 tiểu lưu vực thuộc tỉnh Khánh Hòa. Qua số liệu tính tốn được từ mơ hình NAM đã đưa ra được một bức tranh tương đối đầy đủ về tài nguyên nước mặt của tỉnh, sự phân bố theo không gian và thời gian trong năm. Các số liệu dịng chảy tính tốn cùng với số liệu dòng chảy thực đo sẽ là một nguồn tài liệu quý giá, làm đầu vào cho các bài toán khác, đặc biệt là bài toán cân bằng nước, quy hoạch, sử dụng hợp lý tài nguyên nước của tỉnh.
Lại Thị Hương (2012)[13] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước mặt tỉnh Khánh Hoà của thời kỳ 2000-2009 so giai đoạn 1980-1999 với việc sử dụng phương pháp thống kê. Kết quả của nghiên cứu đưa ra kết luận: Biến đổi khí hậu tác động đến tài nguyên nước thông qua việc làm thay đổi lượng mưa và phân bố mưa giữa các vùng trên địa bàn. Nhiệt độ tăng sẽ làm lượng nước bốc hơi nhiều hơn kết hợp với địa hình đặc thù tỉnh Khánh Hoà dẫn đến lượng mưa nhiều hơn. Một hậu quả của BĐKH là thay đổi về thời gian mùa mưa. Trong khoảng 5 năm trở lại đây, mùa mưa lũ trên các sông trong tỉnh đến sớm và cũng kết
thúc sớm hơn so với TBNN khoảng gần 01 tháng, thường bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào giữa tháng XI.
Như vậy, các nghiên cứu thực hiện trên lưu vực sông Cái Nha Trang mặc dù đã sử dụng mơ hình thơng số tập trung để đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến dịng chảy mặt trên địa bàn tỉnh Khánh Hoà, tuy nhiên vấn đề cấp thiết đặt ra ở đây là cần cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu bản mới nhất hiện nay cũng như sử dụng mơ hình thơng số phân bố trong việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mới mang ý nghĩa cho thực tiễn. Trong những năm gần đây, Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến lũ lụt cũng như chứng minh hiệu quả của SWAT trên nhiều lưu vực[6, 7, 8, 9, 10, 11, 20]. Chính vì vậy, để giải quyết bài tốn này mơ hình SWAT được lựa chọn là cơng cụ chính. Hơn thế nữa, mơ hình đánh giá được thay đổi thuỷ văn trong lưu vực sông Cái Nha Trang dưới tác động của BĐKH và phản ánh đuợc những thay đổi các đặc trưng mùa lũ như: dòng chảy mùa lũ, dòng chảy 5 ngày lớn nhất. Thời gian gần đây, nó đã mơ phỏng được khá tốt cho dịng chảy ngày và giờ [15, 18, 19, 21, 22] là điều kiện tốt cho việc tính tốn dịng chảy mùa lũ và dịng chảy 5 ngày lớn nhất dưới tác động của biến đổi khí hậu theo các kịch bản.
CHƢƠNG 2 - GIỚI THIỆU MƠ HÌNH SWAT 2.1. Xuất xứ của mơ hình SWAT
Mơ hình “Cơng cụ đánh giá đất và nước“ SWAT (Soil and Water Assement Tools) là một mơ hình vật lý được xây dựng từ những năm 90 do tiến sỹ Jeff Arnold thuộc trung tâm nghiên cứu đất nông nghiệp USDA- Agricultural Research Service (ARS) xây dựng nên. Mơ hình này được xây dựng để mơ phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trên hệ thống lưu vực sông trong một khoảng thời gian nào đó. Tiền thân của mơ hình SWAT là mơ hình SWRRB ((Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990)) và mơ hình ROTO ((Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995)).
Các phiên bản của mơ hình SWAT là:
+ SWAT94.2: Mô phỏng đường lưu lượng đơn vị
+ SWAT96.2: Trong phiên bản này được cập nhật thêm phần quản lý về hàm lượng chất hữu cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu tới sự phát triển của cây trồng. Phương trình chất lượng nước từ mơ hình QUAL2E được sử dụng đến
+ SWAT98.1: Trong phiên bản này thêm phần diễn tốn dịng chảy do tuyết tan, chất lượng nước trong sông
+ SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho hồ chứa, phần thuỷ văn đơ thị được cập nhật từ mơ hình SWMM.
+ SWAT2000: Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập nhật thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió..., cho phép giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực được lấy từ giá trị đầu vào của mơ hình hoặc được tính tốn theo phương trình.... Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng mơi trường ARCVIEW là mơi trường giao diện.
+SWAT2012: Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng mơi trường ARCGIS là môi trường giao diện. Trong luận văn này đã sử dụng phiên bản SWAT 2012 để tính tốn.
2.2. Cấu trúc của mơ hình
Mơ hình SWAT mơ phỏng q trình thuỷ văn diễn ra trên lưu vực.
Mơ hình chia dòng chảy thành ba pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông.
Pha mặt đất diễn tả các thành phần dịng chảy mặt, phần xói mịn.
Pha sát mặt diễn tả các thành phần dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.
Pha trong sông diễn tả diễn tốn lượng dịng chảy tới mặt cắt cửa ra của lưu vực.
2.2.1. Pha đất của chu trình thuỷ văn
Chu trình thuỷ văn được mơ tả trong mơ hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước như sau:
) Q W E Q R ( SW SW surf a seep gw t 1 i day 0 t (2.1) trong đó:
SWt là tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính tốn (mm) SWo là tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm) T là thời gian (ngày)
Rday là tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm) Qsurf là tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm) Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)
Wseep là lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm) Qgw là lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)
1. Các yếu tố khí hậu
Các yếu tố khí hậu của lưu vực cung cấp số liệu đầu vào của mơ hình để kiểm sốt cân bằng nước và xác định mối liên quan giữa các thành phần khác nhau trong chu trình thuỷ văn. Các biến khí hậu được sử dụng trong mơ hình SWAT là