3.3.1 Biến động các đặc trưng dòng chảy lũ
3.3.1.1 Dòng chảy lũ, dòng chảy 3 tháng lớn nhất và dòng chảy tháng lớn nhất
Sử dụng chỉ tiêu phân mùa dòng chảy (mùa lũ bao gồm các tháng liên tục trong năm có lƣu lƣợng dòng chảy bình quân tháng bình quân nhiều năm đạt hoặc vƣợt lƣu lƣợng dòng chảy bình quân năm nhiều năm; mùa kiệt bao gồm các tháng còn lại) cho thấy xu hƣớng biến đổi rõ rệt trên lƣu vực mà do sự khác biệt về mƣa và đặc điểm lƣu vực, cụ thể là diện tích lƣu vực và độ cao. Tính chất của dòng chảy lũ trong giai đoạn 1970 – 1999 không mạnh có xu hƣớng biến đổi ít đột ngột và diễn ra trong 6 tháng, bắt đầu tháng VI và kết thúc tháng XI cũng đƣợc kết luận trong nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sơn (2011) [13]. Dòng chảy mùa lũ giai đoạn 2010 – 2050 ở cả 2 kịch bản A1B, A2 tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với 2 xu hƣớng đối lập, dòng chảy tăng mạnh về cƣờng độ ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu (hình 3. 4). Biến đổi khí hậu tác động đến dòng chảy tƣơng tự nhau nhƣng khác nhau về cƣờng độ. Kịch bản A2 gây ra tác động tăng lớn hơn ở dòng chảy lũ ở các lƣu vực thƣợng lƣu và tác động giảm nhỏ hơn ở các lƣu vực hạ lƣu so với kịch bản A1B ngoại trừ tiểu lƣu vực ND3, điểm đặc biệt ở đây là xu hƣớng giảm ở vùng hạ lƣu này thể hiện cả trên dòng chảy kiệt (xem xét kỹ hơn ở phần sau).
Lƣu vực ND3, nằm ở rìa phía Tây với trạm khống chế cửa ra trạm Thủy văn Hƣng Thi, cho thấy một xu hƣớng hoàn toàn độc lập so với xu hƣớng diễn ra ở vùng thƣợng lƣu và hạ lƣu đã đề cập ở trên. Biến đổi khí hậu theo kịch bản A1B
51
làm giảm dòng chảy trong khi xu hƣớng tăng nhẹ đƣợc tìm thấy dƣới tác động của kịch bản A2.
Hình 3. 4. Diễn biến dòng chảy tháng trung bình nhiều năm trên các tiểu lưu vực cho từng thời kỳ thuộc lưu vực sông Nhuệ Đáy
52
Hình 3. 5a. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản
A1B và giai đoạn nền (1970 – 1999)
Hình 3. 5b. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản
A2 và giai đoạn nền (1970 – 1999)
Trên hình 3. 5, biểu đồ cột cho thấy sự thay đổi dòng chảy 6 tháng (màu xám) và dòng chảy 4 tháng mùa lũ (màu đen) trên lƣu vực trong điều kiện khí hậu kịch bản A1B (hình 3. 5a) và kịch bản A2 (hình 3. 5b) so với điều kiện khí hậu giai đoạn nền. Điểm đáng chú ý nhất trong hình 3. 5 là sự thay đổi mạnh của dòng chảy 4 tháng mùa lũ trong cả 2 kịch bản so với sự thay đổi của dòng chảy 6 tháng mùa lũ. Sự thay đổi điều kiện khí hậu theo kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy 6 tháng mùa lũ trên lƣu vực ND1 tăng 6.33%, 24.03%. Trong khi dòng chảy 4 tháng mùa lũ theo 2 kịch bản tăng 10.45% và 27.56% tƣơng ứng. Trên lƣu vực ND5, dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ dƣới tác động của khí hậu kịch bản A1B giảm 21.1%, 16.2% và kịch bản A2 giảm 4.95%, 3.03% tƣơng ứng. Với lƣu vực ND3 con số này tƣơng ứng là -13.18%, -9.07% với kịch bản A1B, +15.09, 17.99% với kịch bản A2. Xu thế biến đổi theo không gian của dòng chảy dƣới tác động của biến đổi khí hậu này là do trên lƣu vực xuất hiện 2 xu hƣớng thay đổi mƣa khác nhau theo kịch bản, tăng ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu.
Tác động của điều kiện khí hậu khác nhau theo 2 kịch bản đối với dòng chảy khi xét đến đại lƣợng trung bình mùa lũ, 3 tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều
53
năm, tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều năm và tháng lũ lớn nhất tuyệt đối đƣợc minh họa trên hình 3. 6 và tổng kết trong bảng 3. 4.
Bảng 3. 4. Thay đổi của một số đặc trƣng dòng chảy lũ của lƣu vực ND1
Lưu vực ND1 Dòng chảy mùa lũ Dòng chảy tháng lớn nhất Dòng chảy tháng lớn nhất tuyệt đối Dòng chảy ba tháng lớn nhất
Giai đoạn a1b a2 a1b a2 a1b a2 a1b a2
1970-1999 89.23 150.91 297.86 119.01 2010-2019 87.96 124.41 173.27 238.37 338.18 819.76 127.14 171.94 2020-2029 106.19 95.41 179.63 176.99 356.28 373.23 142.00 132.56 2030-2039 106.15 131.24 196.98 297.85 486.05 883.82 147.56 189.60 2040-2049 79.23 91.64 149.91 192.60 311.16 474.14 112.82 131.97 2010-2049 94.88 110.67 174.95 226.45 372.92 637.74 132.38 156.52 % thay đổi 6.33% 24.03% 15.93% 50.06% 25.20% 114.11% 11.23% 31.52%
Hình 3. 6 này cho thấy 2 xu hƣớng khác biệt ở 2 khu vực thƣợng lƣu và hạ lƣu của các đặc trƣng dòng chảy lũ, xu hƣớng tăng ở vùng thƣợng lƣu (màu đỏ) và xu hƣớng giảm ở hạ lƣu (màu xanh) và đều thể hiện một xu hƣớng thay đổi tƣơng tự nhau dƣới tác động của cả 2 kịch bản nhƣng khác nhau về mức độ đối với cả 3 đặc trƣng dòng chảy bao gồm 3 tháng lớn nhất, tháng lớn nhất và tháng lớn nhất tuyệt đối. Khoảng biến đổi của dòng chảy mùa lũ từ -23.05% đến +8.95% dƣới tác động của kịch bản A1B, -7.24% đến + 21.22% dƣới tác động của kịch bản A2. Trong khi khí hậu của kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy tháng lớn nhất dao động trong khoảng -21.39% đến +21.98% và khoảng +5.74% đến 41.48% tƣơng ứng. Điều đó cho thấy một điểm thú vị là khoảng biến đổi có xu hƣớng thiên dƣơng đối với những yếu tố cực trị hơn hay nói cách khác những yếu tố cực trị hơn chịu tác động mạnh hơn của kịch bản biến đổi khí hậu (hàng cuối bảng 3. 4), đồng thời xu hƣớng thiên dƣơng cũng tìm thấy khi so sánh biến đổi dƣới tác động của kịch bản A2 so với kịch bản A1B, làm dòng chảy tăng mạnh hơn kịch bản A1B ở khu vực phía bắc, giảm nhẹ hơn ở khu vực phía Nam.
So sánh với nghiên cứu trƣớc [17] thể hiện xu hƣớng tăng của dòng chảy mùa lũ trên toàn lƣu vực sông Hồng – Thái Bình, sở dĩ có sự khác biệt trong kết quả này là do nghiên cứu trƣớc đƣợc phân tích với dải kịch bản khác cũng nhƣ sử
54
dụng mô hình khí hậu khu vực khác, hơn nữa nghiên cứu đƣợc thực hiện trên lƣu vực quy mô lớn không cho phép thể hiện một cách chi tiết xu hƣớng biến đổi nhƣ trong nghiên cứu này.
Hình 3. 6. Biến động theo không gian của các đặc trưng dòng chảy lũ trên hệ thống
55
Nhận xét: Tồn tại 2 xu thế biến đổi chính của dòng chảy trên lƣu vực,
thƣợng lƣu và hạ lƣu. Dòng chảy lũ và dạng lũ thay đổi đáng kể, dòng chảy lũ tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với cƣờng độ lớn hơn ở thƣợng lƣu, nhỏ hơn ở hạ lƣu. Tính cực trị của yếu tố chịu ảnh hƣởng mạnh hơn bởi biến đổi khí hậu, đồng thời tác động của kịch bản A2 lớn hơn so với A1B.
3.3.1.2 Thời gian xuất hiện đỉnh lũ
Xu hƣớng biến đổi dạng lũ đƣợc thể hiện rõ rệt hơn qua đƣờng quá trình dòng chảy cực đại tháng qua từng giai đoạn (hình 3. 7) trên 5 lƣu vực cơ sở thuộc hệ thống lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Xem xét thời gian xuất hiện đỉnh lũ cho các năm trong từng giai đoạn (hình 3. 7), phần lớn đỉnh lũ xuất hiện vào tháng VIII trong giai đoạn 1970 – 1999 trong khi đó xuất hiện vào tháng X trong giai đoạn 2010 – 2050. Cƣờng độ biến đổi của dòng chảy cực đại tháng dƣới tác động của 2 kịch bản vẫn thể hiện hai xu hƣớng chính. Ở các lƣu vực thƣợng lƣu, cƣờng độ dòng chảy biến đổi mạnh và đột ngột, mức độ biến đổi của dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A2 vẫn lớn hơn đáng kể so với kịch bản A1B. Ở hạ lƣu dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A1B cho thấy một dao động tƣơng tự với dòng chảy ở điều kiện khí hậu hiện tại, thậm chí còn ít rủi ro hơn; dƣới tác động của kịch bản A2 mức độ rủi ro của dòng chảy tăng cao, có sự xuất hiện của 2 đỉnh lũ lớn gần tƣơng đƣơng nhau vào 2 thời điểm, tháng VIII và tháng X.
Dao động dòng chảy ngày lớn hơn so với hiện tại, yếu tố này đƣợc thể hiện qua so sánh đại lƣợng độ lệch chuẩn dòng chảy tháng tại các tiểu lƣu vực trên Nhuệ Đáy cho từng giai đoạn. Nhìn chung độ lệch chuẩn có xu hƣớng tăng do giá trị thấp và cao hơn giá trị trung bình biến đổi lớn, độ lệch chuẩn lớn nhất vào tháng X trên cả 5 tiểu lƣu vực khác với giai đoạn hiện tại, độ lệch chuẩn lớn nhất vào khoảng tháng VIII hoặc tháng IX. Xu hƣớng dịch chuyển này có khả năng do sự khác biệt về thời gian phản ứng với mƣa của lƣu vực và khoảng thời gian mƣa.
Nhƣ vậy tác động của biến đổi khí hậu gây ra dao động mạnh của dòng chảy ngày, đồng thời dẫn đến sự dịch chuyển về cuối năm của tháng đỉnh lũ, muộn hơn
56
với cƣờng độ lớn hơn. Ngƣợc lại dòng chảy hạ lƣu cho thấy một dấu hiêu khả quan hơn, ít biến động hơn dƣới tác động của kịch bản A1B.
Hình 3. 7. Đường quá trình dòng chảy tháng cực đại tại các tiểu lưu vực sông Nhuệ Đáy cho thời kỳ nền, kịch bản A1B và kịch bản A2
57
3.3.1.3 Dòng chảy ngày cực đại
Hình 3. 8 thể hiện xu thế biến đổi của dòng chảy ngày cực đại trên các tiểu lƣu vực từ năm 1970 đến 2049 theo 2 kịch bản A1B và A2, đƣợc xác định từ hệ số góc A của phƣơng trình hồi qui tuyến tính một biến. Giá trị tuyệt đối của hệ số A càng lớn có nghĩa là mức độ biến đổi của nó càng mạnh và dấu của hệ số này cho thấy xu thế biến đổi, giảm khi mang dấu âm và ngƣợc lại tăng khi mang dấu dƣơng.
Hình 3. 8. Biến động dòng chảy ngày cực đại theo thập niên trên lưu vực Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B
58
Xét trong thời kỳ 1970 – 2049, kết quả tính toán cho thấy xu thế tăng nhanh của dòng chảy theo thời gian, đƣợc biểu hiện qua giá trị tƣơng đối lớn và dƣơng của hệ số A với giá trị lớn nhất 3.4, 2.6 ở ND1, ND4 tƣơng ứng, thể hiện rõ rệt trong hầu hết các tiểu vùng ngoại trừ ND5 có hệ số A âm, giá trị của nó mặc dù không lớn nhƣng cho thấy xu hƣớng đối lập là xu hƣớng giảm theo thời gian của dòng chảy.
Đƣờng xu thế của toàn chuỗi cho từng thời kỳ cho thấy biến đổi của dòng chảy cực đại từng 10 năm tƣơng tự nhau nhƣng khác về mức độ. Trên tiểu vùng ND1, xu thế của thời đoạn 70 – 99 giảm, xu thế của 3 thời đoạn 2010 - 2049 đều tăng theo thời gian và tăng so với thời đoạn 70 – 99 nhƣng tốc độ tăng của thời kỳ sau cao hơn thời kỳ trƣớc. Các lƣu vực khác cũng biến đổi tƣơng tự nhƣng tốc độ tăng chậm hơn ND1. Riêng tiểu lƣu vực ND5 cho thấy xu hƣớng đối lập, 3 thời đoạn 2010 – 2049 có xu hƣớng giảm so với giai đoạn 70 – 99.
Tác động của kịch bản A2 đối với dòng chảy cũng thể hiện một bức tranh hoàn toàn tƣơng tự, nhƣng với cƣờng độ lớn hơn. Nhìn chung dòng chảy ngày cực đại thế hiện xu thế tăng chủ đạo trong cả thời kỳ 1970 – 2049, tăng mạnh hơn ở lƣu vực sông Đáy, tuy nhiên đƣợc tách biệt với 2 xu thế đối lập, giảm trong giai đoạn hiện tại và tăng trong giai đoạn tƣơng lai.
3.3.1.4 Chế độ lũ
Chế độ lũ đƣợc mô tả thông qua đƣờng tần suất lũ. Nghiên cứu phân tích tần suất lũ của chuỗi dòng chảy cực đại, liên hệ cƣờng độ lũ với giai đoạn lặp lại trong các biến, đƣợc gọi là phân vị lũ. Sự biến đổi trong 2 chỉ số lũ đƣợc xem xét: tính nghiêm trọng của lũ đƣợc mô tả bởi sự thay đổi trong cƣờng độ của một trận lũ với
thời gian lặp lại xác định, và tần suất của trận lũ đƣợc mô tả thông qua sự thay đổi trong thời gian lặp lại của một trận lũ với cƣờng độ xác định.
Dòng chảy 3 ngày lớn nhất ứng với các tần suất 1%, 2%, 5%, 10% đƣợc xác định thông qua phân tích tần suất chuỗi dòng chảy lớn nhất theo qui luật phân bố log chuẩn trong đó các thông số thống kê xác định bằng phƣơng pháp mômen cho cả 2 kịch bản và giai đoạn nền sử dụng phần mềm phân bố tần suất
59
FFC2008. Phân bố log chuẩn đƣợc chọn trong nghiên cứu này bởi vì tính phổ biến và mạnh của nó trong phân tích cực trị, đồng thời nó cho thấy mức độ phù hợp tốt nhất giữa đƣờng phân bố tần suất lý luận và thực nghiệm trên lƣu vực Nhuệ Đáy so với các phân bố khác (hình 3. 9a, b, c). Các trận lũ với thời gian xuất hiện lại là 2, 5, 10 và 20 năm đƣợc phân tích vì chúng thể hiện một dải các trận lũ từ tƣơng đối phổ biến (giai đoạn xuất hiện lại là 2 năm) đến sự kiện tƣơng đối hiếm.
Hình 3. 9a. So sánh mức độ phù hợp giữa đường tần suất lý luận và đường thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lưu vực ND1 – Giai đoạn nền
Hình 3. 9b. So sánh mức độ phù hợp giữa đường tần suất lý luận và đường thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lưu vực ND1 – kịch bản A1B
60
Hình 3. 9c. So sánh mức độ phù hợp giữa đường tần suất lý luận và đường thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lưu vực ND1 – kịch bản A2
Phân bố tần suất của dòng chảy 3 ngày lớn nhất và độ lặp lại của từng tần suất cho 5 tiểu lƣu vực tƣơng ứng với giai đoạn nền và kịch bản đƣợc đƣợc tổng kết trong bảng 3. 5 cho thấy 2 dạng biến đổi đƣợc xác định theo không gian. Đối với lƣu vực thƣợng lƣu, cƣờng độ dòng chảy của tất cả các phân vị lũ tăng rõ rệt ở cả 2 kịch bản, cƣờng độ của sự thay đổi mặc dù biến đổi giữa chúng. Khoảng tăng từ 46.44 đến 71.94% và 1.74 đến 3.02 lần cho tất cả các phân vị đối với kịch bản A1B và A2 tƣơng ứng, sự thay đổi lớn nhất có thể bằng 8 lần sự thay đổi nhỏ nhất. Phản ứng của lƣu vực hạ lƣu đối với biến đổi khí hậu hỗn hợp với giảm cƣờng độ dòng chảy trong kịch bản A1B và tăng cƣờng độ với kịch bản A2. Dòng chảy ứng với các tần suất giảm từ 27.48 đến 37% trong kịch bản A1B, 37.43% đến 43.61% trong kịch bản A2. Điều này do sự khác biệt trong kịch bản biến đổi khí hậu ở 2 khu vực mặc dù chúng đều nằm trong lƣu vực Nhuệ Đáy. Những biến đổi này đƣợc thể hiện trực quan qua biểu đồ đƣờng (hình 3. 9), thể hiện mức độ thay đổi cƣờng độ dòng chảy ứng với các tần suất khác nhau trên 5 tiểu lƣu vực cho 2 kịch bản A1B và A2.
Dạng thay đổi theo khu vực có chút xáo trộn, cả mức độ tăng và giảm của cƣờng độ lũ tƣơng ứng đều lớn lớn hơn trên lƣu vực ND2 và ND5 (tăng 94.6% và
61
giảm 31.8% trong cƣờng độ lũ ứng với tần suất 10% tƣơng ứng) so với ND1 và ND4 (46.4% tăng và 27.5% giảm tƣơng ứng). Điều đó cho thấy biến đổi đáng kể nhất diễn ra trên lƣu vực sông Nhuệ. Trên ND3, bằng chứng của xu hƣớng tăng trong kịch bản A1B rất yếu (từ 0.00 đến 0.03%), mặc dù kịch bản A2 vẫn thể hiện xu hƣớng tăng đáng kể (1.28 đến 2.02 lần ứng với tần suất 10% và 1%).
Bảng 3. 5. Phân bố tần suất dòng chảy 3 ngày lớn nhất
ND1 Cƣờng độ lũ với với tần suất P Thời gian xuất hiện lại (năm)
P Baseline A1B A2 A1B A2
1% 698.34 1200.73 2812.33 14 <<
2% 616.82 1017.08 2248.72 9 <<
5% 512.02 792.86 1607.71 6 <<
10% 433.91 635.43 1193.14 << <<
ND2
P Baseline A1B A2 A1B A2
1% 177.17 543.23 527.79 7 5
2% 156.49 426.15 430.90 6 <<
5% 129.9 296.07 317.84 << <<
10% 110.08 214.20 242.52 << <<