Các chỉ số hạn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN

1.1 Khái niệm về hạn hán

1.1.2 Các chỉ số hạn

Theo H. Hisdal & L. M. Tallaksen [6], thuật ngữ “định nghĩa sự kiện hạn hán” và “chỉ số hạn hán” vẫn còn chưa rõ ràng. Chỉ số hạn hán thường là một con số đặc trưng cho trạng thái chung của hạn hán tại một thời điểm đo được. Còn định nghĩa một sự kiện hạn hán được áp dụng để lựa chọn các sự kiện hạn hán trong một chuỗi thời gian bao gồm sự bắt đầu và kết thúc của các đợt hạn hán. Việc dự tính hạn hán dựa trên các chỉ số hạn hán được trình bày chi tiết bởi WMO [3] và Richard R. Heim [7]. Tuy nhiên, mỗi chỉ số hạn hán đều được lựa chọn sao cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và mục đích nghiên cứu. Dưới đây là một số chỉ số đã được dùng phổ biến trên thế giới.

1.1.2.1 Chỉ số hạn khí tượng

Hạn khí tượng là sự thiếu hụt lượng nước bất thường được tạo ra do sự mất cân bằng giữa lượng giáng thủy và bốc hơi, chỉ số hạn khí tượng chủ yếu được tính toán từ các yếu tố như lượng giáng thủy, nhiệt độ không khí, bốc hơi và các yếu tố khí tượng khác.

Chỉ số hạn khí tượng thường được phân thành hai loại là chỉ số giáng thủy và chỉ số đa yếu tố khí tượng.

Hạn khí tượng

Hạn nông nghiệp

Hạn kinh tế - xã hội

Hạn thủy văn

11 (1) Chỉ số giáng thủy

① Tần số phân bố giáng thuỷ hàng năm

Phân bố giáng thủy là một trong những dạng nhận biết cơ bản của hiện tượng hạn hán trong một vùng nhất định. Và tần số phân bố giáng thủy được xác định trong khoảng (WMO [3]):

Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy

Giá trị P Điều kiện

P < P  2P - Rất khô P  2P < P < P  P - Khô

P  P < P < P  P - Bình thường

P > P  P - Ẩm

Trong đó: P là lượng giáng thuỷ trong một năm xem xét; 𝑃 là lượng giáng thuỷ trung bình trong thời kì chuẩn;  là độ lệch chuẩn.

② Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index – SPI)

SPI là một chỉ số dựa vào khả năng có thể của giáng thuỷ cho bất cứ thang thời gian nào. Chỉ số SPI được xác định như sau:

 

 tb R

SPI R

 (1-1)

Trong đó: R là lượng giáng thuỷ trong khoảng thời gian xác định; Rtb là lượng giáng thuỷ trung bình trong khoảng thời gian xác định;  là giá trị độ lệch chuẩn.

Năm 1993, SPI đã được McKee và cộng sự [8] phát triển để tính toán các thời kỳ khô hạn và ẩm ướt với các quy mô thời gian khác nhau. Những quy mô thời gian này phản ánh tác động của hạn hán đến sự thay đổi tài nguyên nước khác nhau. Điều kiện độ ẩm đất phản ánh mức độ dị thường của giáng thuỷ trong thời gian ngắn, trong khi đó nước mặt, dòng chảy và bể tích trữ nước lại phản ánh những dị thường giáng thuỷ trong thời gian dài. Từ những nguyên nhân này, McKee và cộng sự đã tính toán SPI cho những quy mô chia thời gian dài như 3, 6, 12, 24 và 48 tháng. SPI có thể được ước tính cho những quy mô thời gian khác nhau, có thể cung cấp sớm lời cảnh báo của hạn hán và

12

giúp đánh giá hạn hán khắc nghiệt và nó cũng dễ tính toán hơn các chỉ số khác. Tuy nhiên giá trị của nó lại dựa vào dữ liệu sơ bộ có thể thay đổi. SPI tính toán cho bất cứ vùng nào dựa vào số liệu thống kê lượng giáng thuỷ dài hạn cho một thời kì yêu cầu.

Giá trị SPI dương cho biết lượng giáng thuỷ cao hơn giá trị trung bình nhiều năm, trong khi đó giá trị âm cho biết lượng giáng thuỷ thấp hơn giá trị trung bình nhiều năm. Bởi vì SPI được chuẩn hoá, khí hậu ẩm hơn và khô hơn có thể được trình bày theo cách như vậy, và thời kì ẩm cũng có thể được giám sát khi sử dụng SPI. Theo Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), thì trạng khô hạn hay ẩm ướt được phân cấp theo chỉ số SPI như bảng 1.2.

Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [9]

Chỉ số SPI Điều kiện khí hậu

≥ 2,0 Cực kỳ ẩm

1,5÷1,99 Rất ẩm

1,0 ÷ 1,49 Ẩm vừa

0.50 ÷ 0,99 Ẩmnhẹ

-0.49 ÷ 0.49 Bình thường

-0.50 ÷ - 0.99 Hạn nhẹ

-1,0 ÷ -1,49 Hạn vừa

-1,5 ÷ -1,99 Hạn nặng

≤ -2,0 Hạn cực nặng

(2) Chỉ số đa yếu tố khí tượng

① Chỉ số cán cân nước (K)

K là chỉ số thông dụng ở Việt Nam, được tính theo công thức sau:

R

K  E (1-2)

Trong đó: E là lượng bốc hơi trong khoảng thời gian xác định; R là lượng mưa trung bình trong khoảng thời gian xác định.

Hạn xảy ra khi lượng bốc hơi bắt đầu vượt quá lượng mưa rơi xuống. Qua đó ta có các ngưỡng chỉ tiêu theo bảng sau:

13

Bảng 1.3 Phân cấp hạn theo chỉ số K

Giá trị K Điều kiện

< 0.5 Rất ẩm

0.5 → 1.0 Ẩm

1.0 → 2.0 Hơi khô

2.0 → 4.0 Khô

> 4.0 Rất khô

② Chỉ tiêu hạn khí tượng Sa.I

Chỉ tiêu Sa.I là chỉ số mang tên tác giả người Nga Sazonop, được xác định chỉ dựa vào sự mất cần bằng về lượng mưa và nhiệt độ không khí trong một thời kỳ dài nào đó.

Hạn khí tượng, một hiện tượng tự nhiên được coi là thiên tai do sự thiếu hụt nghiêm trọng về lượng mưa so với mức chuẩn khí hậu xảy ra trong một thời gian dài. Dựa vào lí do đó, các nhà khí tượng trên thế giới đã đưa ra nhiều dạng chỉ tiêu để xác định hạn tuỳ sự phù hợp với điều kiện khí hậu vùng đó. Trong số đó, tác giả Sazonôp đã đưa ra chỉ tiêu Sa.I (lấy tên là chỉ tiêu Sazonov), dựa vào sự mất cân bằng về độ lệch so với chuẩn giữa hai yếu tố khí hậu: lượng mưa và nhiệt độ. Chỉ tiêu này được xác định bởi công thức sau:

R R T SaI T







  (1-3)

Trong đó :

T: Chuẩn sai nhiệt độ tháng (hoặc trong một thời kỳ dài nào đó) T: Độ lệch tiêu chuẩn nhiệt độ tháng (hoặc cùng một thời kỳ T) R: Chuẩn sai lượng mưa tháng (hoặc cùng một thời kỳ với T) R: Độ lệch tiêu chuẩn lượng mưa tháng (hoặc cùng một thời kỳ R)

Theo công thức (1-3) thì mức độ hạn - úng được đánh giá bằng giá trị của Sa.I như sau:

Sa.I  1: khô hạn; Sa.I  - 1: dư thừa nước;

Sa.I  2: hạn nặng; Sa.I  - 2: úng ngập.

14

③ Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index - SPEI)

Để nghiên cứu và theo dõi quá trình hạn hán dưới sự ảnh hưởng của hiện tượng nóng lên toàn cầu S. M. Vicente-Serrano, và cộng sự [10] đã đề xuất ra chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi, trong quá trình tính toán chỉ số SPEI sẽ dựa vào chỉ số (D) là hiệu số của lượng mưa (P) và lượng bốc hơi tiềm năng (PET), chỉ số (D) cho biết sự dư thừa hoặc thiếu hụt độ ẩm, từ đó xác định được các điều kiện ẩm ướt và khô hạn. Mỗi thời đoạn tăng giảm lượng nước có thể được định nghĩa như sau:

Di = Pi - PETi (1-4)

Trong đó: PET sử dụng phương pháp Thornthwaite để tính toán, trong chuỗi tăng giảm lượng nước có thể xảy ra giá trị âm. Vì vậy, chỉ số SPEI sử dụng 3 tham số của hàm phân bố xác suất log-logistic để mô tả xác suất của một sự kiện, dạng hàm số xác suất tích lũy như sau:

 

1

1

















 





 







 x x

F (1-5)

Trong đó, tham số α, β,  có thể dùng phương pháp Moments tuyến tính để xác định sự phù hợp. Chỉ số SPEI được tính toán tương tự như chỉ số SPI.

Theo Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), thì trạng khô hạn hay ẩm ướt theo chỉ số SPEI cũng được phân cấp giống như chỉ số SPI (bảng 1.2).

1.1.2.2 Chỉ số hạn Nông nghiệp

Hạn nông nghiệp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, cơ chế hình thành hạn phức tạp hơn hạn khí tượng, hạn nông nghiệp ngoài sự ảnh hưởng bởi các yếu tố như: lượng mưa, nhiệt độ, địa hình mà còn chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như: con người, cơ cấu cây trồng, giống cây trồng... Như vậy, chỉ số hạn nông nghiệp có liên quan đến khí hậu, cây trồng, đất và các yếu tố môi trường khác. Chỉ số hạn nông nghiệp nói chung có hai loại là: chỉ số độ ẩm đất và chỉ số hạn cây trồng.

① Chỉ số độ ẩm tương đối của đất (Relative soil moisture index - RSMI)

Năm 2006, Trung Quốc đã xây dựng bộ tiêu chuẩn quốc gia về các chỉ số hạn để đánh

15

giá hạn hán [11], trong đó có chỉ số hạn về độ ẩm tương đối của đất (Relative soil moisture index - RSMI), RSMI là chỉ số dựa vào diễn biến độ ẩm tương đối của đất để phân cấp và đánh giá diễn biến hạn hán.

Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo chỉ số độ ẩm tương đối của đất RSMI TT Độ ẩm tương đối của

đất RSMI (10-20 cm) Mức độ

hạn hán Ảnh hưởng của hạn hán 1 RSMI ≥ 60% Không hạn Độ ẩm bình thường, không có dấu

hiệu của hạn hán

2 50%  RSMI < 60% Hạn nhẹ Bốc hơi bề mặt thấp, không khí sát bề mặt bị khô

3 40%  RSMI < 50 % Hạn vừa Bề mặt đất bị khô, lá cây có hiện tượng héo

4 30%  RSMI < 40 % Hạn nặng Tầng đất bị hạn tăng dần, cây bắt đầu héo, lá khô, quả rụng 5 RSMI < 30% Hạn rất

nặng

Bề mặt đất hầu như không có bốc hơi, cây khô héo và chết

② Chỉ số độ ẩm đất bất thường (Soil Moisture Anomaly Percentage Index-SMAPI)

Năm 1988, K.H. Bergman, và cộng sự [12] đã đề xuất ra chỉ số độ ẩm đất bất thường (SMAPI) để mô tả tình hình hạn hán trên phạm vi toàn cầu. Chỉ số độ ẩm đất bất thường là chỉ số biểu thị giá trị sai lệch tính theo % của độ ẩm đất thực tế so với độ ẩm trung bình nhiều năm trong cùng một thời kỳ tính toán. Người ta cho rằng độ ẩm trung bình trong nhiều năm ở một thời kỳ nào đó là tương đối ổn định, khi độ ẩm đất thực tế thấp hơn mức trung bình nhiều năm thì xảy ra tình trạng mất nước và khô hạn. Chỉ số độ ẩm đất bất thường là một chỉ số hạn hán tương đối.

③ Chỉ số khắc nghiệt hạn Palmer (Palmer Drougt Severity Index - PDSI)

Chỉ số Palmer được phát triển bởi W. C. Palmer [13] vào những năm 1965 và sử dụng thông tin về nhiệt độ và lượng mưa hàng tháng vào công thức xác định khô hạn. Và bây giờ, nó đã trở thành chỉ số thông dụng và là cơ sở để tính toán cho nhiều chỉ số khác, PDSI được tính như sau:

i i

i PDSI Z

PDSI 3

897 1 .

0  1

  (1-6)

16

Với PDSI của tháng đầu tiên trong điều kiện khô hoặc ẩm bằng Zi

3 1

Trong đó, Z = Kd: Chỉ số dị thường ẩm:

 PE PR yPRO PL

P P P

d        

(1-7)

 Giá trị của d được coi là độ lệch chuẩn độ ẩm. Bốn giá trị tiềm năng được tính toán như:

 Bốc thoát hơi tiềm năng (PE ) được tính bằng phương pháp Thornthwaite.

 Bổ sung tiềm năng (PR) - Lượng ẩm cần thiết để đưa vào đất trường hợp tích trữ.

 Thất thoát tiềm năng (PL) - Lượng hơi ẩm có thể bị mất từ đất để bốc thoát hơi nước, trong suốt thời kỳ lượng giáng thủy bằng 0.

 Dòng chảy tiềm năng (PRO) - Sự chênh lệch giữa giáng thủy tiềm năng và PR.

Các hệ số khí hậu được tính như là tỷ lệ giữa trung bình của các giá trị thực tế so với tiềm năng cho 12 tháng:

PL L O

R P O R PR

R PE

ET / ,  / ,  / ,  /

   

 cho 12 tháng

K là một yếu tố trọng lượng. Giá trị của K được xác định từ các bản ghi khí hậu thực tế trước khi tính toán. Palmer đưa ra các mối quan hệ thực nghiệm cho K như sau:

' 12

1 '

6 . 17

i

i

i i

i K

K D K

























(1-8)

Ở đây, Di là giá trị trung bình tuyệt đối của d, và Ki' phụ thuộc vào nguồn cung cấp và nhu cầu nước trung bình, được xác định:

5 . 0 1 8

. 2 log

5 .

1 10

' 



 



  



 



 





  D

L P

O P R E

Ki P (1-9)

Trong đó, PE là lượng bốc thoát hơi tiềm năng, R là lượng bổ sung, RO là dòng chảy, P là giáng thủy và L là lượng thất thoát.

17

Ưu điểm: Là chỉ số hạn tổng quát đầu tiên được sử dụng rộng rãi, và PDSI rất có hiệu quả đối với hạn nông nghiệp vì trong công thức tính toán có tính cả độ ẩm của đất.

Một số hạn chế của chỉ số PDSI: Khi tính toán theo chỉ số PDSI thì hạn hán sẽ xuất hiện chậm hơn so với các đợt hạn khoảng vài tháng, đặc điểm này đã hạn chế việc ứng dụng chỉ số này ở nhiều khu vực có các cực trị khí hậu thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như vùng tây nam Châu Á nơi nhiều vùng rộng lớn bị thống trị bởi khí hậu gió mùa. Một vấn đề quan trọng nữa liên quan đến việc sử dụng PDSI đó là sự tính toán khá phức tạp và đòi hỏi có nhiều số liệu khí tượng đầu vào. Việc ứng dụng chỉ số này ở Châu Á nói chung hay ở Việt Nam nói riêng nơi mạng lưới quan trắc thưa thớt là một hạn chế đáng kể.

Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo chỉ số PDSI [13]

PDSI Điều kiện

≥ 4.0 Cực ẩm

3.0  3.99 Rất ẩm

2.0  2.99 Ẩm vừa

1.0  1.99 Ẩm nhẹ

0.5  0.99 Chớm ẩm

0.49  -0.49 Gần chuẩn

-0.5  -0.99 Chớm khô

-1.0  -1.99 Hạn nhẹ

-2.0  -2.99 Hạn vừa

-3.0  -3.99 Hạn nặng

≤ -4.0 Hạn nghiêm trọng

④ Chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index - SSI)

Để phản ánh mức độ ẩm ướt và khô hạn, năm 2013 Zengchao Hao & Amir Agha- Kouchak [14] đã đề xuất ra chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index - SSI) để giám sát hạn hán. SSI được tính toán dựa trên diễn biết độ ẩm của đất, phương pháp tính toán và phân cấp mức độ hạn hán theo chỉ số SSI cũng giống như chỉ số SPI (bảng 1.2).

⑤ Chỉ số độ ẩm cây trồng (Crop Moisture Index - SMI)

Chỉ số độ ẩm cây trồng (CMI) là một sản phẩm phụ của chỉ số PDSI. Năm 1968, Palmer

18

đã thiết lập phương trình tính toán quá trình chỉ số PDSI để đánh giá tình trạng nước trong thời đoạn ngắn của vùng trồng cây [15]. PDSI được tính toán dựa trên giá trị trung bình tuần của nhiệt độ không khí và tổng lượng mưa, và đánh giá trị số PDSI hàng tuần thông qua chỉ số bốc hơi và độ ẩm bất thường. Một thời kỳ hạn xuất hiện khi chỉ số CMI nhỏ hơn không, khi CMI nhỏ hơn không biểu thị lượng bốc hơi không đủ, khi CMI lớn hơn không biểu thị lượng bốc hơi thực tế lớn hơn lượng bốc hơi của cây trồng hoặc lượng mưa lớn hơn lượng nước mà cây trồng cần. Chỉ số CMI có thể cho thấy ngay được tình hình biến đổi lượng nước trong thời gian ngắn, CMI chủ yếu giám sát ảnh hưởng của điều kiện nước trong thời đoạn ngắn tới sự phát triển của cây trồng, còn theo thời đoạn dài thì không phản ánh được tình hình hạn hán.

(6) Chỉ số hạn cây trồng

Chỉ số hạn cây trồng dựa trên đặc điểm sinh lý, sinh thái của cây trồng để thành lập, thông qua việc giám sát quá trình sinh trưởng của cây trồng, nhiệt độ của lá và hàm lượng nước của lá để xác định mức độ ảnh hưởng của hạn hán. Tùy thuộc vào nội dung giám sát mà chỉ số hạn cây trồng có thể chia thành các loại chỉ số như sau: Chỉ số trạng thái thực vật [16] (Vegetation Condition Index - VCI), chỉ số trạng thái nhiệt độ (Temperature Condition Index - TCI) và chỉ số thiếu hụt nước (Water Deficit Index - WDI) [17].

1.1.2.3 Chỉ số hạn thủy văn

Chỉ số hạn thủy văn thường dùng bao gồm chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt và chỉ số cung cấp nước mặt (Surface Water Supply Index – SWSI)

① Chỉ số tổng lượng nước thiết hụt

Chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt là một chỉ số hạn thủy văn truyền thống, được tính như sau: S = D×M. Trong đó: S là tổng lượng nước thiếu nước; D là thời gian duy trì tình trạng thiếu hụt nước của thời đoạn tính toán; M là lưu lượng thiếu hụt so với lưu lượng bình quân của lưu vực. Chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt là số âm, khi giá trị tuyệt đối càng lớn thì tình hình hạn càng nghiêm trọng, hạn hán kết thúc khi chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt lớn hơn hoặc bằng không. Năm 1966, P. H. Herbst, và cộng sự [18] đã sử dụng lượng mưa tháng hoặc dòng chảy tháng để kiểm nghiệm và phân tích tình hình

19 hạn hán bằng chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt.

② Chỉ số cung cấp nước mặt (Surface Water Supply Index – SWSI)

Chỉ số cấp nước mặt (Surface Water Supply Index - SWSI) được đề xuất bởi B. A.

Shafer & L. E. Dezman [19] năm 1982, và đang được sử dụng khá rộng rãi ở nhiều bang của Hoa Kỳ. SWSI tích hợp dung tích hồ chứa, lưu lượng dòng chảy mặt, mưa và/hoặc tuyết thành một chỉ số duy nhất. SWSI được tính theo công thức:

12

50





 aPsnowbPrain cPstrm dPresv

SWSI (1-10)

Trong đó a, b, c và d là các trọng số đối với các thành phần tuyết, mưa, dòng chảy mặt và dung tích hồ chứa trong cân bằng nước lưu vực (a+b+c+d=1); Psnow, Prain, Pstrm, và Presv là sác xuất (%) không vượt quá của các thành phần cân bằng nước tương ứng (P(X≤

A)). Chỉ số SWSI được tính với thời đoạn tháng và có giá trị trong khoảng từ -4,2 đến +4,2. Giá trị âm thể hiện mức độ thiếu nước, giá trị càng nhỏ mức độ khô hạn càng khốc liệt. Giá trị dương thể hiện tình trạng dư thừa nước. Bảng 1.6 thể hiện thang phân cấp hạn theo SWSI.

Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19]

SWSI Tình trạng cấp nước

≤-4 Hạn cực nặng

-4  -3 Hạn rất nặng

-2,9  -2 Hạn vừa

- 1,9  -1 Hơi khô

-0,9 0,9 Gần như bình thường

1  1,9 Hơi ẩm

2  2,9 Ẩm vừa

3  4 Rất ẩm

> 4 Cực ẩm

1.1.2.4 Chỉ số hạn kinh tế-xã hội

Chỉ số hạn hán kinh tế-xã hội có thể đánh giá định lượng được ảnh hưởng của hạn hán đến tình hình kinh tế-xã hội, thiệt hại kinh tế của các ngành như vận tải, du lịch, phát điện và các ngành công nghiệp khác có quan hệ chặt chẽ với cường độ và thời gian duy trì hạn hán. Năm 1990, L. OhIsson [20] đã đề xuất ra chỉ số khan hiếm nước xã hội