Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu khu vực nam tr...

Tài liệu Nghiên cứu tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu khu vực nam trung bộ

.PDF
160
370
67

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC NAM TRUNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC NAM TRUNG BỘ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62-44-02-24 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS Ngô Lê Long 2. PGS. TS Trần Thanh Tùng HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thị Hải Yến i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngô Lê Long, PGS.TS Trần Thanh Tùng, đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập thể các Thầy cô giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Khoa học Công nghệ, Trƣờng Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Thủy Lực - Khoa Kỹ thuật Tài Nguyên nƣớc, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn sát cánh động viên tác giả vƣợt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình. Tác giả luận án ii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 KHÍ HẬU TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MƢA, LŨ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI 6 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về mƣa, lũ trong nƣớc và thế giới ...........................6 1.2 Sơ lƣợc về BĐKH và các kịch bản ..................................................................10 1.3 Tổng quan các nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ ......13 1.3.1 Nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ. ......................13 1.3.2 Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ ở Việt Nam ........17 1.3.3 Những hạn chế trong nghiên cứu tính toán mƣa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu ở Việt Nam ......................................................................................................21 1.4 Tổng quan về khu vực nghiên cứu ...................................................................22 1.4.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên ...........................................................................22 1.4.2 Đặc điểm khí tƣợng, thủy văn ...................................................................27 1.4.3 Đặc điểm dòng chảy lũ trên các lƣu vực sông ..........................................30 1.4.4 Xu thế mƣa lớn của khu vực Nam Trung Bộ ............................................32 1.5 Định hƣớng nghiên cứu của luận án ................................................................36 1.6 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................40 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ....................................................................................................42 2.1 Các mô hình khí hậu ........................................................................................42 2.1.1 Sự phát triển của các mô hình khí hậu ......................................................42 2.1.2 Mô hình khí hậu toàn cầu ..........................................................................43 2.1.3 Tổ hợp mô hình khí hậu của IPCC ............................................................45 2.1.4 Lựa chọn mô hình khí hậu sử dụng trong Luận án ...................................46 2.2 Cơ sở lý thuyết chi tiết hóa các kịch bản BĐKH .............................................51 2.3 Phƣơng pháp thống kê chi tiết hóa ...................................................................56 iii 2.4 Kịch bản BĐKH và dữ liệu sử dụng trong luận án ..........................................58 2.5 Phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế ....................................................................60 2.6 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................68 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC NGHIÊN CỨU .................................................................................70 3.1 Tính toán mƣa một ngày lớn nhất có xét đến biến đổi khí hậu .......................70 3.1.1 Kết quả chi tiết hóa lƣợng mƣa về từng trạm và hiệu chỉnh sai số ...........70 3.1.2 Phân tích kết quả lƣợng mƣa một ngày lớn nhất có xét đến BĐKH của một số lƣu vực điển hình trên khu vực ..................................................................72 3.1.3 Xây dựng bản đồ biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ ................................................................................................................79 3.2 Tính toán đỉnh lũ thiết kế khu vực Nam Trung Bộ có xét đến biến đổi khí hậu 90 3.2.1 Tính toán lũ thiết kế cho khu vực vừa và nhỏ ...........................................90 3.2.2 Tính toán lũ thiết kế cho lƣu vực có diện tích lớn ....................................96 3.2.3 Đánh giá sự biến động Qmax ....................................................................108 3.3 Ứng dụng bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ vào tính toán dòng chảy lũ thiết kế .................................................................................................................112 3.4 Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................115 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................................118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................119 PHỤ LỤC ....................................................................................................................125 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hai cách tiếp cận trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu của IPCC (2010) (Moss và nnk, 2010 [22]) ..............................................................................................11 Hình 1.2 Bản đồ vị trí địa lý khu vực nghiên cứu .........................................................23 Hình 1.3 Bản đồ mạng lƣới sông suối ...........................................................................26 Hình 1.4 Xu thế lƣợng mƣa 1 ngày lớn nhất .................................................................36 Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ..............................................................................39 Hình 2.1 Cấu trúc lƣới ...................................................................................................43 Hình 2.2 Hình ảnh lồng ghép giữa GCM và RCM........................................................44 Hình 2.3 Ô lƣới mô hình Access1-3, CanESM2, CMCC-CMS, CNRM-CM5. ...........50 Hình 2.4 Phân bố tần suất mƣa thực đo và hiệu chỉnh (theo Gudmundsson và nnk [80]) .......................................................................................................................................57 Hình 2.5 Bản đồ vị trí 93 trạm khí tƣợng sử dụng trong luận án ..................................60 Hình 2.6 Cấu trúc mô hình NAM (theo Nielsen và Hansen, 1973) [84].......................66 Hình 2.7 Câng bằng lƣợng trữ đoạn sông......................................................................67 Hình 3.1 Trung bình (a) và độ lệch chuẩn (b) sai số giữa lƣợng mƣa tính toán 1 ngày lớn nhất của 11 mô hình GCM với số liệu thực đo ở 93 trạm mƣa trong khu vực nghiên cứu .....................................................................................................................71 Hình 3.2 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Nông Sơn kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................................73 Hình 3.3 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Nông Sơn kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................................73 Hình 3.4 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Nông Sơn kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................................74 Hình 3.5 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Nông Sơn kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................................74 Hình 3.6 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Thành Mỹ kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................................75 Hình 3.7 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Thành Mỹ kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................................75 Hình 3.8 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Thành Mỹ kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................................76 Hình 3.9 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Thành Mỹ kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................................76 Hình 3.10 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Vu Gia – Thu Bồn kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................77 Hình 3.11 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực Vu Gia – Thu Bồn kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................77 v Hình 3.12 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực sông Ba kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2040-2069 ..................................................................................78 Hình 3.13 Kết quả sự biến động lƣợng mƣa một ngày lớn nhất lƣu vực sông Ba kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2070-2099 ..................................................................................79 Hình 3.14 Sự biến động (%) của lƣợng mƣa 1ngày lớn nhất so với thời kỳ nền kịch bản RCP4.5 giai đoạn 1(2040-2069) .............................................................................82 Hình 3.15 Sự biến động (%) của lƣợng mƣa 1ngày lớn nhất so với thời kỳ nền kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2(2070-2099) .............................................................................84 Hình 3.16 Sự biến động (%) của lƣợng mƣa 1ngày lớn nhất so với thời kỳ nền kịch bản RCP8.5 giai đoạn 1(2040-2069) .............................................................................86 Hình 3.17 Sự biến động (%) của lƣợng mƣa 1ngày lớn nhất so với thời kỳ nền kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2(2070-2099) .............................................................................88 Hình 3.18 Biến động trung bình lƣợng mƣa 1 ngày lớn nhất trên một số lƣu vực chính so với thời kỳ nền ..........................................................................................................89 Hình 3.19 Bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế giai đoạn 2040-2069 ...94 Hình 3.20 Bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế giai đoạn 2070 - 2099 .95 Hình 3.21 Quan hệ giữa Qmax và Qngày max tại Nông Sơn (1977-2010) ..................97 Hình 3.22 Quan hệ giữa Qmax và Qngày max tại Thành Mỹ (1977-2010)..................98 Hình 3.23 Quan hệ giữa Qmax và Qngày max tại Củng Sơn (1977-1997) ..................99 Hình 3.24 Quan hệ giữa Qmax và Q ngày max tại trạm An Khê .................................99 Hình 3.25 Quan hệ giữa Qmax và Qngày max tại trạm Bình Tƣờng ................................100 Hình 3.26 Sơ đồ mô phỏng lƣu vực Nông Sơn ...........................................................101 Hình 3.27 Sơ đồ mô phỏng lƣu vực Thành Mỹ...........................................................102 Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng lƣu vực Củng Sơn ...........................................................103 Hình 3.29 Sơ đồ mô phỏng lƣu vực sông Kôn tại Bình Tƣờng. .................................104 Hình 3.30 Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại Nông Sơn (a), Thành Mỹ (b), Bình Tƣờng (c) và Củng Sơn (d) giai đoạn hiệu chỉnh ..................................105 Hình 3.31 Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại Nông Sơn (a), Thành Mỹ (b), Bình Tƣờng (c) và Củng Sơn (d) giai đoạn kiểm định ..................................107 Hình 3.32 Lƣu lƣợng đỉnh lũ Qmax - trạm Thành Mỹ kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2040-2069 ....................................................................................................................108 Hình 3.33 Lƣu lƣợng đỉnh lũ Qmax - trạm Thành Mỹ kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2070- 2099 ...................................................................................................................109 Hình 3.34 Lƣu lƣợng đỉnh lũ Qmax - trạm Thành Mỹ kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2040- 2069 ...................................................................................................................109 Hình 3.35 Lƣu lƣợng đỉnh lũ Qmax - trạm Thành Mỹ kịch bản RCP8.5 giai đoạn 2070- 2099 ...................................................................................................................110 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các kịch bản Biến đổi khí hậu .......................................................................13 Bảng 1.2 Lƣợng bốc hơi bình quân tháng trung bình nhiều năm Đơn vị:mm............28 Bảng 1.3 Tần suất xuất hiện lũ lớn nhất năm vào các tháng trong năm. .......................32 Bảng 1.4 Số cơn bão và tần suất xuất hiện bão khu vực nghiên cứu ............................33 Bảng 1.5 Xu thế biến đổi lƣợng mƣa một ngày lớn nhất theo chuỗi năm quan trắc .....34 Bảng 2.1 Các mô hình khí hậu đƣợc lựa chọn ..............................................................49 Bảng 2.2 Thống kê số trạm mƣa và số năm quan trắc sử dụng trong tính toán ............59 Bảng 2.3 Tiêu chuẩn thiết kế lũ của Hoa Kỳ.................................................................63 Bảng 3.1 Tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ .............................93 Bảng 3.2 Thông số mô hình các lƣu vực con và các đoạn sông lƣu vực Nông Sơn – Thành Mỹ ....................................................................................................................105 Bảng 3.3 Bảng thông số mô hình ................................................................................106 Bảng 3.4 Thông số mô hình các lƣu vực con và các đoạn sông cho lƣu vực Củng Sơn .....................................................................................................................................106 Bảng 3.5 Đánh giá khả năng gia tăng dòng chảy lũ thiết kế một số lƣu vực giai đoạn 2040-2069 ....................................................................................................................111 Bảng 3.6 Bảng đánh giá khả năng gia tăng dòng chảy lũ thiết kế một số lƣu vực giai đoạn 2070-2099 ...........................................................................................................112 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu) IDF Intensity-Duration-Frequency ( Cƣờng độ mƣa – Thời gian – Tần suất) GCM Global Climate Model hoặc General Circulation Model (Mô hình khí hậu toàn cầu) GDP Gross Domestic Product (Tổng sản phẩm nội địa) PMP Probable Maximum Precipitation (Mƣa lớn nhất khả năng) QP Quy phạm QP.TL Quy phạm thủy lợi RCP Representative Concentration Pathways (Kịch bản nồng độ khí nhà kính) RCM Regional Climate Model (Mô hình khí hậu khu vực) HTNĐ Hội tụ nhiệt đới XTNĐ Xoáy thuận nhiệt đới KKL Khối khí lạnh CMIP Coupled Model Intercomparison Project Phase (Dự án Đối chứng các Mô hình khí hậu) SRES UNISDR UNDP Special Report on Emission Scenarios (Kịch bản phát thải) United Nations Office for Disaster Risk Reduction ( Ủy ban Liên hợp quốc về giảm nhẹ thiên tai) United Nations Development Programme (Chƣơng trình phát triển của Liên hợp quốc) NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration Commissioned Corps (Cơ quan Quản trị Khí quyển và Đại dƣơng Quốc gia) GIS Geographic information systems (Hệ thống thông tin địa lý) viii SCS Soil Conservation Service (Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNN Tài nguyên nƣớc ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến đổi khí hậu là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21. Những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đƣợc dự báo là rất nghiêm trọng nếu không có giải pháp và chƣơng trình ứng phó kịp thời, đặc biệt là đối với các quốc đảo và các quốc gia ven biển. Việt Nam đƣợc đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hƣởng nặng nề nhất của biển đổi khí hậu. Trong những năm qua, dƣới tác động của biến đổi khí hậu, tần số và cƣờng độ thiên tai ngày càng gia tăng, gây ra nhiều tổn thất to lớn về ngƣời, tài sản, tác động xấu đến môi trƣờng. Chỉ tính trong 15 năm trở lại đây, các loại thiên tai nhƣ: bão, lũ, lũ quét, sạt lở đất, úng ngập, hạn hán, xâm nhập mặn và các thiên tai khác đã làm chết và mất tích hơn 10.711 ngƣời, thiệt hại về tài sản ƣớc tính chiếm khoảng 1,5% GDP/năm (Theo thống kê của Ủy ban Quốc gia về phòng chống thiên tai, Bộ nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2017). Một trong những tác động lớn của BĐKH có thể kể đến đó là hiện tƣợng mƣa lớn, lũ lụt tăng mạnh trong những năm qua, ảnh hƣởng trực tiếp đến môi trƣờng sống. Những trận lũ lớn xảy ra có lƣu lƣợng đỉnh lũ thay đổi liên tục, đƣờng quá trình lũ phức tạp, tổng lƣợng lũ lớn, gây ra những hậu quả hết sức nghiêm trọng. Đặc biệt khủng khiếp hơn khi dòng chảy lũ chịu tác động của con ngƣời nhƣ: sự cố vỡ đập Delhi (Bang Iowa, Hoa Kỳ) năm 2010, đã gây ra ngập lớn ở 2 thành phố Hopkinton và Monticello, hay ở nƣớc ta sự cố vỡ đập Khe Mơ, Hà Tĩnh ngày 10/2010 gây ra thiệt hại lớn về ngƣời và của... Trong những năm gần đây, hiện tƣợng thời tiết cực đoan, trái quy luật xuất hiện ngày càng nhiều, nhất là các tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ do địa hình đặc trƣng của lƣu vực, kéo dài từ Đà Nẵng vào đến Bình Thuận, phía Đông là Biển Đông, phía Tây là khu vực rừng núi ngắn dốc. Hƣớng đón gió Tây Nam gây mƣa lớn với cƣờng suất mạnh tạo nên những trận lũ lớn. Các trận lũ thƣờng xuất hiện đột ngột, xảy ra liên tục và những trận mƣa cực đoan cũng đã xuất hiện ngày càng nhiều. Do ảnh hƣởng của hoàn lƣu bão gần đây nhất là cơn bão số 12 vào 11/2017 làm thiệt hại nghiêm trọng về ngƣời và tài sản, gây hậu quả hết sức nặng nề và lâu dài về xã hội, kinh tế và môi trƣờng ở các tỉnh 1 Miền Trung, nhất là Khánh Hòa, Phú Yên, Bình Thuận, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định và một số huyện thuộc thành phố Đà Nẵng. Nhiều khu vực ngập sâu từ 0,5-2,0m, các tuyến đƣờng đều bị tắc trong thời gian mƣa, lũ và sau lũ do nƣớc ngập, đất đá sạt lở, cầu cống hƣ hỏng,... nhiều vùng dân cƣ bị cô lập với bên ngoài trong nhiều ngày. Hay trận lũ lịch sử 11/1999 chỉ trong khoảng một tháng xảy ra liên tiếp hai đợt mƣa lũ lớn lịch sử trên hầu nhƣ toàn Miền Trung và Tây Nguyên là trƣờng hợp chƣa từng thấy trong 50-100 năm gần đây. Năm 2007, trận mƣa lớn ở Miền Trung đạt tới 600-800mm. Trên các sông ở Quảng Nam xảy ra lũ lớn (Dự án SCDM; UNDP, 2012 [1]). Trong Kịch bản BĐKH và nƣớc biển dâng của Bộ TNMT công bố cũng nhƣ các nghiên cứu trƣớc đây, mƣa 1 ngày lớn nhất đã có nhiều khác biệt so với quá khứ, sự thay đổi mƣa 1 ngày lớn nhất ở khu vực miền Trung đƣợc ƣớc tính tăng trong khoảng 10%-70%. Tuy nhiên hầu hết các kết quả nghiên cứu tính toán mƣa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu đã công bố trƣớc đây, đều đƣợc lấy trung bình hóa từ kết quả của các mô hình khí hậu toàn cầu với lƣới tính toán theo phạm vi quốc gia, không chi tiết đƣợc cho vùng nhỏ gây ra hệ quả là sai số lớn. Do đó, giá trị mƣa hay lũ trong tƣơng lai dùng để tính toán thiết kế các công trình thuộc lƣu vực nhỏ gặp rất nhiều khó khăn. Chính vì vậy, cần phải có một nghiên cứu để chi tiết hóa kết quả tính toán của các mô hình khí hậu toàn cầu cho phạm vi nhỏ với lƣới tính toán chi tiết, nhằm định lƣợng giá trị mƣa một ngày lớn nhất, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu để phục vụ tính toán thiết kế đa ngành. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết trên, NCS lựa chọn luận án nghiên cứu với nội dung“Nghiên cứu tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu khu vực Nam Trung Bộ”. Luận án tiến hành nghiên cứu, tính toán chi tiết hóa lƣợng mƣa về từng trạm và phân vùng mƣa một ngày lớn nhất, đỉnh lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu từ các mô hình khí hậu toàn cầu khác nhau, phục vụ cho thiết kế đa ngành và ứng dụng khác trong bối cảnh biến đổi khí hậu của khu vực Nam Trung Bộ, nhằm đem lại hiệu quả cao về an toàn công trình cũng nhƣ tối ƣu về các lợi ích về kinh tế. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và thực tiễn tính toán mƣa, lũ khu vực Nam Trung Bộ khi xét đến biến đổi khí hậu phục vụ tính toán thiết kế đa ngành, đánh giá an toàn các công trình thủy lợi, giao thông. Mục tiêu cụ thể bao gồm:  Nghiên cứu, tính toán mƣa một ngày lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ bằng phƣơng pháp chi tiết hóa lƣợng mƣa từ các mô hình khí hậu toàn cầu.  Xác định phƣơng pháp tính lũ thiết kế có xét đến BĐKH cho khu vực Nam Trung Bộ. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu của Luận án là mƣa và lũ thiết kế có xét đến BĐKH.  Phạm vi nghiên cứu của Luận án là khu vực Nam Trung Bộ, bao gồm thành phố Đà Nẵng, các tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Ninh Thuận và Bình Thuận. 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan các nghiên cứu về mƣa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu, các mô hình khí hậu toàn cầu đã đƣợc sử dụng ở trong nƣớc và trên Thế giới, từ đó lựa chọn hƣớng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu. Các phương pháp được sử dụng trong luận án bao gồm:  Phƣơng pháp phân tích thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá các nghiên cứu về mƣa lũ có xét đến BĐKH trên thế giới và trong nƣớc.  Phƣơng pháp chi tiết hóa lƣợng mƣa từ các mô hình khí hậu toàn cầu về từng trạm phục vụ tính toán lƣợng mƣa một ngày lớn nhất.  Phƣơng pháp mô hình toán, tính toán lũ thiết kế khu vực Nam Trung Bộ- Việt Nam. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 BĐKH là một chủ đề đƣợc nhiều chính phủ, tổ chức và các nhà khoa học trên Thế giới quan tâm nên đã có rất nhiều nghiên cứu và mô hình BĐKH ra đời. Mặc dù vậy chƣa có một mô hình BĐKH nào đƣợc đánh giá là tốt nhất trên Thế giới để có thể lựa chọn và xây dựng các kịch bản chi tiết cho từng khu vực, từng quốc gia, và cho từng vùng. Chính vì vậy kết quả phân tích, đánh giá các tác động của BĐKH đến lƣợng mƣa một ngày lớn nhất cho vùng nghiên cứu, có xét đến sự khác biệt giữa các mô hình khí hậu cho khu vực Nam Trung Bộ, có đóng góp khoa học về phƣơng pháp luận tính toán mƣa, lũ khi xét đến BĐKH cho một khu vực cụ thể. Kết quả tính toán mƣa, lũ thiết kế cho các lƣu vực vừa, nhỏ và một số lƣu vực có diện tích lớn của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo có giá trị trong công tác kiểm tra, đánh giá an toàn các công trình thủy lợi, giao thông, cũng nhƣ trong tính toán thiết kế phục vụ nâng cấp và xây mới các công trình trong khu vực Nam Trung Bộ nên mang ý nghĩa thực tiễn cao. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu. Chƣơng này luận án trình bày các nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ trên Thế giới và Việt Nam. Phân tích những hạn chế trong các nghiên cứu về mƣa và lũ có xét đến biến đổi khí hậu ở Việt Nam và đã định hƣớng nghiên cứu tính toán mƣa, lũ thiết kế cho khu vực Nam Trung Bộ. Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn tính mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu. Chƣơng này trình bày cơ sở lý thuyết của các mô hình khí hậu toàn cầu, phân tích đánh giá và lựa chọn mô hình ứng dụng trong luận án. Thiết lập đƣợc những cơ sở khoa học để phân tích hiệu chỉnh sai số. Xây dựng mô hình thông số bán phân bố, mô phỏng dòng chảy cho các lƣu vực có diện tích lớn thuộc khu vực nghiên cứu 4 Chương 3: Tính toán mƣa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi của biến đổi khí hậu khu vực Nam Trung Bộ. Chƣơng này trình bày các kết quả tính toán mƣa 1 ngày lớn nhất và phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các lƣu vực vừa, nhỏ cũng nhƣ lƣu vực lớn trong khu vực nghiên cứu 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU MƢA, LŨ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về mƣa, lũ trong nƣớc và thế giới Mƣa, lũ là những hiện tƣợng tự nhiên gây ra những tác động to lớn đến con ngƣời, xã hội và môi trƣờng, đã có nhiều nghiên cứu về mƣa, lũ đƣợc thực hiện với các mục đích khác nhau. Mỗi nghiên cứu đều có những đóng góp nhất định chọ sự phát triển bền vững của xã hội. Một số nghiên cứu điển hình có thể kể đến là: Những nghiên cứu dựa trên bộ số liệu quan trắc đƣợc thực hiện trên quy mô toàn cầu nhƣ công trình của Frich và nnk, 2002 [2]. Kết quả nghiên cứu của Alexander và nnk, 2006 [3] với các chỉ số đƣợc phân tích cho thấy xu thế tăng của mƣa lớn, mƣa cực trị chiếm ƣu thế. Ngoài xu thế tăng thể hiện ở các khu vực nhƣ phía nam Châu Phi, đông nam Châu Úc, phía tây nƣớc Nga, nhiều khu vực thuộc Châu Âu và phần phía đông của nƣớc Mỹ. Nghiên cứu của Frich và nnk, 2002 [2] còn cho thấy xu thế giảm của mƣa lớn, mƣa cực trị ở phía đông Châu Á và khu vực Siberia. Những nghiên cứu trên hình thành bức tranh toàn cầu về sự biến đổi của mƣa lớn trong thế kỷ 20. Các nghiên cứu trên quy mô toàn cầu cung cấp những thông tin tổng quát về mƣa lớn và xu thế biến đổi của hiện tƣợng này trên hầu hết các khu vực trên thế giới. Những thông tin này là cơ sở để các nghiên cứu ở các quy mô nhỏ hơn có thể đánh giá sự phù hợp và khác biệt so với xu thế chung của thế giới. Tuy nhiên, do việc sử dụng số liệu từ các nguồn khác nhau cùng với việc áp dụng các phƣơng pháp nghiên cứu, phân tích chƣa thống nhất nên giữa các kết quả nghiên cứu trên quy mô toàn cầu ở một số khu vực còn chƣa thực sự đồng nhất. Ngoài ra, số lƣợng trạm không đủ để cung cấp thông tin gây khó khăn trong việc phân tích chi tiết cho quy mô khu vực hoặc quốc gia. Việc tập hợp đƣợc bộ số liệu toàn cầu và kiểm soát chất lƣợng của toàn bộ số liệu là không dễ dàng. Mỗi khu vực có một chế độ khí hậu tƣơng đối khác nhau nên chỉ số mƣa lớn, mƣa cực trị cho các khu vực này cũng cần đƣợc thay đổi cho phù hợp. Do vậy, những nghiên cứu trên quy mô nhỏ hơn là cần thiết để có đƣợc những phân tích chi tiết và phù hợp hơn với chế độ khí hậu cũng nhƣ các đặc điểm mƣa lớn, mƣa cực trị của một vùng hoặc quốc gia. 6 Dự án số liệu và đánh giá khí hậu Châu Âu đã xây dựng một bộ chỉ số riêng phù hợp với điều kiện khí hậu của các nƣớc thuộc khu vực Châu Âu. Nghiên cứu trên quy mô Châu lục tiêu biểu nhƣ công trình của Re và Barros, 2009 [4] cho khu vực Đông Nam của Nam Mỹ. Nghiên cứu này cho thấy cƣờng độ và tần suất mƣa lớn có xu thế gia tăng đối với khu vực nghiên cứu. Xu thế biến đổi của mƣa lớn trên khu vực lòng chảo La Plata thuộc Châu Mỹ đƣợc Penalba và Robledo, 2009 [5] đánh giá theo các mùa. Kết quả cho thấy xu thế tăng của mƣa trong các mùa xuân, hè và thu với khu vực La Plata. Xu thế tăng này chỉ phát hiện đƣợc trong mùa hè với khu vực phía Nam của Brazil và xu thế giảm xuất hiện vào mùa đông trong khu vực nghiên cứu. Khu vực phía Tây của Trung Phi và một số nƣớc lân cận đƣợc Aguilar và nnk, 2009 [6] tập trung nghiên cứu và thấy đƣợc xu thế giảm của mƣa trên khu vực quan tâm. Xu thế biến đổi của mƣa ở khu vực Châu Âu nhìn chung là tăng với hầu hết các chỉ số. Xu thế tăng về mƣa nhanh hơn so với xu thế tăng của tổng lƣợng mƣa năm. Ở các trạm có xu thế mƣa cực trị giảm thì lƣợng mƣa trung bình năm ở các trạm này cũng giảm. Các kết luận về xu thế biến đổi của mƣa lớn trên khu vực Châu Âu đƣợc rút ra từ công trình của Moberg và nnk, 2006 [7] thực hiện nghiên cứu cho các khu vực Nam Á, Trung Á và Đông Nam Á và thấy rằng tần suất của các sự kiện mƣa lớn với hầu hết các trạm. Cƣờng độ tăng trên một số trạm ở Úc, Fiji, New Caledonia, French Polynesia và Nhật Bản. Những đặc điểm biến đổi của mƣa lớn trên khu vực Châu Úc đƣợc nghiên cứu bởi Haylock và Nicholls, 2000 [8]. Nghiên cứu này cho thấy tần suất mƣa ở phía Tây nam Châu Úc giảm mạnh, ở phía Bắc sự gia tăng tần suất là không đáng kể. Shaw (1964) [9] viết cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đƣờng lũ đơn vị và quan hệ lƣu lƣợng với diện tích và thời gian. Chow, Maidment (1988) [10] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ 7 đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phƣơng pháp tính lũ cho lƣu vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lƣu vực, I là cƣờng độ mƣa, C là hệ số dòng chảy. Ngoài ra, các đƣờng lũ đơn vị cũng đƣợc đề cập sử dụng cho các lƣu vực vừa và nhỏ. Vijay (2002) [11] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment. Raghunath (2006) [12] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính thủy văn vùng Tapti, Ân độ (miền trung Ấn độ). Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc theo phƣơng pháp hồi quy đa biến. Lê Đình Thành (1997) [13] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng. Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [14] đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6- 77 [15] nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield. Hạn chế là phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra. 8 Hà Văn Khối và nnk (2012) [16] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn công trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình bày các phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính toán đều theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế nhƣ mô hình toán thủy văn bao gồm các mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mƣa, các mô hình lũ đơn vị. Doãn Thị Nội (2016) [17], Luận án Tiến sỹ với đề tài: “ Nghiên cứu sự biến động của mƣa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam”. Luận án đã bổ sung phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông trên cơ sở ứng dụng thành tựu công nghệ hiện đại là hệ thống thông tin địa lý (GIS). Mặc khác, luận án đã bƣớc đầu xây dựng đƣợc phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông. Tuy nhiên, luận án mới dừng lại ở việc xem xét sự biến động của mƣa mà chƣa đánh giá đƣợc biến động của lũ trên toàn bộ khu vực nghiên cứu. Sổ tay Kỹ thuật Thủy Lợi (Chƣơng 3, tập 4) [18] đã đƣa ra các phƣơng pháp tính lũ hiện nay ứng với các trƣờng hợp có tài liệu, thiếu tài liệu và không có tài liệu. Ngoài ra trong Sổ tay cũng đề cập đến lũ cực hạn PMF bằng phƣơng pháp tính toán PMP từ hai loại mô hình là mô hình mƣa đối lƣu và mô hình mƣa địa hình theo các thời đoạn ngắn. Sổ tay là một tài liệu quan trọng đƣa ra cách tiếp cận dựa trên nền của QP.TL C - 6- 77 giúp việc tính toán lũ thiết kế dễ dàng hơn. Tiêu chuẩn Việt Nam 9845(2013) [19] đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở tham khảo 22TCN220-95 về tính toán các đặc trƣng dòng chảy lũ do Tổng cục Đƣờng bộ Việt Nam biên soạn. Tài liệu này đề cập đến các công thức kinh nghiệm trong tính toán lũ thiết kế bao gồm các phƣơng pháp nằm trong QP.TL C - 6- 77 nhƣng có xem xét đến các yếu tố về khẩu độ cầu, cống phục vụ cho các công trình giao thông. Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên. Tuy nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, kỹ 9
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan