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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG 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 chuyên ngành: 62-44-02-24 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 1 Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Ngô Lê Long Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Trần Thanh Tùng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng Phản biện 2: PGS.TS Dương Văn Tiển Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thanh Hùng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi 2 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. Tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu được dự báo là rất nghiêm trọng gây ra hiện tượng mưa, lũ cực đoan ngày càng nhiều, làm thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, gây hậu quả hết sức nặng nề và lâu dài về xã hội, kinh tế và môi trường của nhiều quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng. Đặc biệt là khu vực Nam Trung Bộ, nơi có nhiều công trình hồ chứa có thể bị mất an toàn trong tương lai do biến đổi khí hậu. Trong Kịch bản BĐKH và nước biển dâng của Bộ TNMT công bố cũng như các nghiên cứu trước đây, hầu hết các kết quả nghiên cứu tính toán mưa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu được lấy trung bình hóa từ kết quả của các mô hình khí hậu toàn cầu với lưới tính toán theo phạm vi quốc gia, không chi tiết được cho vùng nhỏ gây ra sai số lớn. Chính vì vậy việc định lượng giá trị mưa hay lũ trong tương lai để tính toán thiết kế các công trình thuộc lưu 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 lưới tính toán chi tiết nhằm định lượng giá trị mưa 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 Nghiên cứu sinh đã 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” với mong muốn nghiên cứu cơ sở khoa học chi tiết hóa và phân vùng mưa 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. 3 2. Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu, tính toán và phân vùng lượng mưa một ngày lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ bằng phương pháp chi tiết hóa lượng mưa, từ 11 mô hình khí hậu toàn cầu khác nhau. • Xác định phương pháp tính lũ thiết kế có xét đến BĐKH, phân vùng và xây dựng bản đồ sự gia tăng đỉnh lũ thiết kế cho lưu vực Nam Trung Bộ. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu của Luận án là mưa 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 được 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 mưa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu, các mô hình khí hậu toàn cầu đã được sử dụng ở trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng 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: • Phương pháp phân tích thống kê • Phương pháp chi tiết hóa lượng mưa về từng trạm • Phương pháp mô hình toán 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả phân tích, đánh giá các tác động của BĐKH đến lượng mưa 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 phương pháp luận tính toán mưa, lũ khi xét đến BĐKH. Mặt khác việc phân vùng sự gia tăng mưa, lũ 4 thiết kế rất cần thiết phục vụ cho thiết kế đa ngành và các ứng dụng khác trong phát triển kinh tế, xã hội của khu vực Nam Trung Bộ. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về các nghiên cứu mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu Chƣơng 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn tính mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu, Chƣơng 3: Tính toán mưa, lũ thiết kế có xét đến biến đổi của biến đổi khí hậu khu vực Nam Trung Bộ. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về mƣa, lũ trong nƣớc và thế giới. Mưa, lũ là những hiện tượng tự nhiên gây ra những tác động to lớn đến con người, xã hội và môi trường, đã có nhiều nghiên cứu về mưa, lũ được thực hiện với các mục đích khác nhau. Một số nghiên cứu điển hình về mưa phải kể đến như Frich( 2002), Alexander( 2006) nghiên cứu bộ số liệu mưa quan trắc trên quy mô toàn cầu. Hay nghiên cứu trên quy mô châu lục tiêu biểu như công trình của Re và Barros năm 2009, xu thế biến đổi của mưa lớn trên khu vực lòng chảo La Plata thuộc Châu Mỹ được Penalba và Robledo, 2009 đánh giá theo các mùa. Một số khu vực trên thế giới như Châu Âu, khu vực Nam Á, Trung Á và Đông Nam Á hay một quốc gia khác Úc, Fiji, New Caledonia, French Polynesia và Nhật Bản cũng có nhiều nghiên cứu về mưa. Việc tính lũ thiết kế đã trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa nhằm phục vụ xây dựng các công trình, an toàn trong mùa mưa lũ, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện 5 nay. Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến như nghiên cứu của Chow và Show(1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath (2006) và nhiều nghiên cứu khác trên thế giới. Về cơ bản thì các phương pháp tính đều dựa trên lý thuyết căn nguyên dòng chảy và các cách chuyển đổi mưa hiệu quả thành dòng chảy. Các nghiên cứu tính lũ thiết kế ở Việt Nam được đề cập trong nhiều tài liệu, tiêu chuẩn, quy chuẩn, giáo trình, đề tài, luận án như QP.TL C-6-77(1977), LATS nghiên cứu về mưa, lũ cực hạn cho Việt Nam của Lê Đình Thành (1997), LATS của Doãn Thị Nội (2016), Sổ tay Kỹ thuật Thủy Lợi (2008), Tiêu chuẩn Việt Nam 9845(2013), đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vượt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế của Phạm Ngọc Quý và nnk (2005), Giáo trình Thủy văn công trình của GS. Hà Văn Khối và nnk(2012),… Các nghiên cứu này đã trình bày các phương pháp tính lũ hiện nay, các mô hình thủy văn tính toán dòng chảy, xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế hay đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới biến đổi khí hậu. 1.2 Sơ lƣợc về biến đổi khí hậu và các kịch bản Cuối thế kỷ 20 và thập niên đầu của thế kỷ 21, IPCC đưa ra các kịch bản biến đổi khí hậu theo các giai đoạn, lần đầu tiên năm 1990. SRES hạn chế kết quả kịch bản biến đổi khí hậu được thiết lập bởi bốn họ kịch bản chính tương ứng với các tình huống có thể xảy ra trong tương lai của thế giới là A1, A2, B1 và B2. Năm 2013, IPCC công bố kịch bản cập nhật, đường phân bố nồng độ khí nhà kính đại diện, RCP được sử dụng để thay thế cho các kịch bản SRES. Các RCP được lựa chọn sao cho đại diện được các nhóm kịch bản phát thải và đảm bảo bao gồm được khoảng biến đổi của nồng độ các khí nhà kính trong tương lai một cách hợp lý. Các RCP cũng đảm bảo tính tương đồng với các kịch bản SRES. 6 Hình 1.1 Hai cách tiếp cận trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu của IPCC Các tiêu chí để xây dựng RCP (Moss và nnk, 2010) bao gồm: (1) Các RCP phải được dựa trên các kịch bản đã được công bố trước đó, mỗi RCP phải mô tả hợp lý và nhất quán trong tương lai (không có sự chồng chéo giữa các RCP); (2) Các RCP phải cung cấp thông tin về tất cả các thành phần của bức xạ ; (3) Các RCP cho phép chuyển đổi giữa các phân tích trong thời kỳ cơ sở và tương lai; (4) Các RCP có thể được xây dựng cho khoảng thời gian tới năm 2100 và vài thế kỷ sau 2100. Trên cơ sở các tiêu chí trên, bốn kịch bản RCP (RCP8.5, RCP6.0, RCP4.5, RCP2.6) đã được xây dựng. Tên các kịch bản được ghép bởi RCP và độ lớn của bức xạ tác động tổng cộng của các khí nhà kính trong khí quyển đến thời điểm vào năm 2100. 7 Bảng 1.1 Các kịch bản Biến đổi khí hậu Kịch bản RCP Bức xạ tác động năm 2100 Nồng độ CO2tđ năm 2100 (ppm) Tăng nhiệt độ toàn cầu ( o C) vào năm 2100 so với thời kỳ cơ sở (1986-2005) RCP2.6 2,6W/m2 490 1,5 RCP4.5 4,5W/m2 650 2,4 RCP6.0 6,0W/m2 850 3,0 RCP8.5 8,5W/m2 1370 4,9 1.3 1.3.1 Đặc điểm đường phân bố cưỡng bức bức xạ tới năm 2100 Đạt cực đại 3,0 W/m2 rồi giảm Tăng dần rồi ổn định Tăng dần rồi ổn định Tăng liên tục Kịch bản SRES tương đương Không có B1 B2 A1FI Tổng quan tác động của biến đổi khí hậu đến mƣa, lũ Nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu đến mưa, lũ Nhiều nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa các thiên tai nói trên với biến đổi khí hậu. Nhiều nghiên cứu đã được các nhà khoa học đưa ra và đều cho những kết quả khả quan như Hilton Silveira Pinto và nnk (2014), Schoenwiese và nnk (1994), Schoenwiese và Rapp (1997) nghiên cứu về sự thay đổi lượng mưa có xét đến biến đổi khí hậu. Hay các nghiên cứu về lũ của các quốc gia như Thuỵ Điển, Hà Lan cũng xem xét tác động của BĐKH tới lũ thiết kế trong an toàn đập. Ở Úc, Trung Quốc, Malaysia,…cũng tính lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu. Bộ Môi trường của New Zealand đã công bố bộ hướng dẫn tính toán lũ dưới tác động của biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu đã chỉ ra được tác động của biến đổi khí hậu đến cường độ và chế độ lũ. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa đưa ra được con số định lượng của các ảnh hưởng nói trên, cũng như tiêu chuẩn cho việc tính toán lũ thiết kế có xét đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. 1.3.2 Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến mưa, lũ ở Việt Nam Việc đẩy mạnh nghiên cứu về Biến đổi khí hậu đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các cơ quan, các Viện nghiên cứu cũng như các nhà khoa học. Điển hình phải kể đến Bộ Tài nguyên và Môi trường với các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cập nhật qua các giai đoạn, Viện Khoa học Thủy 8 Lợi, Viện Khí tượng Thủy Văn, Viện Thủy văn Môi trường và Biến đổi khí hậu,… Các tác giả Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu, Nguyễn Ngọc Huấn, Trần Việt Liễn,… tham gia thực hiện dự án “ Biến đổi khí hậu ở Châu Á” Trong khuôn khổ Chương trình KC.08/06-10, của Bộ Khoa học và Công nghệ đưa ra dự báo lượng mưa mùa và nhiệt độ trung bình mùa trên cơ sở phương pháp thống kê. Hay Vũ Thanh Tâm và nnk (2013), La Đức Dũng (2017), Ngô Lê An và nnk (2015),Ngô Lê Long và nnk(2015),… cũng có các nghiên cứu về sự biến đổi của mưa, lũ có xét đến BĐKH. Ngoài ra còn có rất nhiều nghiên cứu, tài liệu khác về tác động của biến đổi khí hậu đến mưa, lũ trên cả nước. Các kết quả nghiên cứu, tài liệu hầu hết đều cho thấy sự gia tăng bất thường của mưa, lũ cũng như sự an toàn của các công trình hồ chứa, giao thông, v.v… 1.3.3 Những hạn chế trong nghiên cứu tính toán mưa, lũ có xét đến biến đổi khí hậu ở Việt Nam Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá tổng quan về các tài liệu, nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến mưa, lũ ở Việt Nam có một số hạn chế nhất định như: i) Hầu hết các nghiên cứu mới dừng lại ở việc xem xét sự thay đổi lượng mưa, độ ẩm, nhiệt độ,… hay tần suất xuất hiện lũ lớn trong quá khứ mà chưa chỉ rõ được tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai ảnh hưởng như thế nào đến các yếu tố đó. ii) Các kịch bản biến đổi khí hậu của nhiều nghiên cứu hầu hết vẫn sử dụng theo các kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường được công bố năm 2012 như A1B, A1FI, A2, B1, B2. iii) Việc sử dụng các mô hình khí hậu toàn cầu vẫn còn hạn chế, hầu hết các nghiên cứu mới chỉ sử dụng một hoặc một vài mô hình khí hậu toàn cầu để áp dụng tính toán. iv) Trong “Kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng” của Bộ Tài nguyên Môi trường công bố năm 2016 dựa trên báo cáo đánh giá lần thứ 5 của IPCC, 9 đã sử dụng phương pháp chi tiết hóa động lực kết hợp với các phương pháp hiệu chỉnh sai số thống kê. Tuy nhiên phương pháp chi tiết hoá động lực đòi hỏi nhiều tài nguyên máy tính, thời gian thực hiện mô phỏng dài. Kết quả công bố cũng bị trung bình hoá như báo cáo năm 2012. 1.4 Tổng quan về khu vực nghiên cứu Khu vực Nam Trung Bộ bao gồm 8 tỉnh: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Ninh Thuận, Bình Thuận, có hệ thống sông ngòi ngắn và dốc, bờ biển sâu với nhiều đoạn khúc khuỷu, thềm lục địa hẹp, trong đó có hai hệ thống sông lớn là: sông Vu Gia – Thu Bồn và sông Ba (sông Đà Rằng), ngoài ra còn có sông Trà Khúc, sông Kôn, sông Cái, sông Sắt và nhiều sông nhỏ khác. Mùa mưa chiếm 65 - 80% lượng mưa cả năm, thời kỳ mưa lớn nhất vùng nghiên cứu thường tập trung vào 2 tháng là tháng X và tháng XI, thành phần lượng mưa trong 2 tháng này chiếm 40 - 50% lượng mưa cả năm, lũ lớn thường xuất hiện trong 2 tháng mưa nhiều, mưa lớn này. 1.5 Định hƣớng nghiên cứu của luận án Từ những hạn chế trong các nghiên cứu về mưa và lũ có xét đến biến đổi khí hậu, luận án đã định hướng nghiên cứu là sử dụng các mô hình khí hậu toàn cầu, chi tiết hóa lượng mưa (thời đoạn ngày) để làm đầu vào cho phần tính tần suất mưa, lũ của khu vực Nam Trung Bộ. i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều kiện ứng dụng, yêu cầu về số liệu theo các mô hình phương pháp lựa chọn. ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa: gồm biến động của mưa lũ thông qua thống kê và đánh giá các hình thế thời tiết gây mưa lũ trong khu vực; sự biến động của mưa lũ theo không gian và thời gian, phân tích xu thế mưa, lũ theo các tiểu vùng khác nhau trong khu vực. iii) Ứng dụng các mô hình khí hậu toàn cầu, phương pháp “chi tiết hóa thống kê” để chi tiết số liệu khí hậu từ lưới khí hậu mô hình toàn cầu về các điểm 10 trạm sử dụng (có số liệu thực đo) cho vùng nghiên cứu. Phân tích các hàm thống kê để hiệu chỉnh sai số mưa khi chi tiết hóa về các trạm trong khu vực nghiên cứu. iv) Phân tích xu thế mưa một ngày lớn nhất theo hai kịch bản RCP4.5, RCP8.5 và hai giai đoạn 1940 – 2069 và từ 1970 – 1999, đánh giá xu thế và định tính lượng mưa một ngày lớn nhất có xét đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Xây dựng bản đồ biến động mưa một ngày lớn nhất so với thời kỳ nền, phân tích sự biến động chi tiết của từng khu vực. v) Tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế có xét đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu theo phương pháp Xokolopsky hoặc phương pháp cường độ giới hạn cho lưu vực vừa và nhỏ, phương pháp mô hình bán phân bố cho lưu vực lớn. Đưa ra tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ, tính toán lũ kết hợp mô hình không gian GIS xây dựng bản đồ biến động dòng chảy lũ. Hình 1.5 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 11 Kết luận chƣơng 1 1.6 Từ những hạn chế trong các nghiên cứu về mưa và lũ có xét đến biến đổi khí hậu ở Việt Nam và ưu điểm trong một số điểm mới của Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng của Bộ Tài nguyên Môi trường năm 2016 cũng như trên thế giới, luận án đã định hướng nghiên cứu là sử dụng các mô hình khí hậu toàn cầu, chi tiết hóa lượng mưa (thời đoạn ngày) để làm đầu vào cho phần tính tần suất mưa, lũ của khu vực nghiên cứu. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 2.1 Các mô hình khí hậu 2.1.1 Sự phát triển của các mô hình khí hậu Các mô hình khí hậu thường được ký hiệu ngắn gọn là GCM. Theo thời gian, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành công nghệ thông tin, điện tử viễn thông và khoa học máy tính, các nguồn số liệu quan trắc ngày càng phong phú, đa dạng, khả năng tính toán ngày càng tăng lên, mức độ phức tạp và hoàn thiện của các GCM cũng ngày càng tăng. Ngày nay, các GCM đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu mô phỏng khí hậu quá khứ và hiện tại, dự báo khí hậu hạn mùa và dự tính khí hậu cho tương lai xa hơn, cỡ hàng thập kỷ đến thế kỷ. 2.1.2 Mô hình khí hậu toàn cầu Hình 2.2 Cấu trúc lưới Hình 2.1 Hình ảnh lồng ghép giữa GCM và RCM 12 GCM mô tả các đặc trưng khí quyển và đại dương với lưới 3 chiều, độ phân giải phổ biến khoảng 200km và số mực thẳng đứng từ 20-50 mực theo CSIRO, từ những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, các mô hình khí hậu hạn chế đã được áp dụng vào nghiên cứu khí hậu khu vực thông qua kỹ thuật lồng ghép một chiều, đó là các mô hình khí hậu khu vực RCM, phương pháp lồng ghép thường được gọi là hạ thấp quy mô động lực, các RCM được tích phân với độ phân giải ngang mịn hơn rất nhiều khi sử dụng IC và LBC phụ thuộc thời gian. 2.1.3 Tổ hợp mô hình khí hậu của IPCC CMIP5 được thực hiện với tổ hợp của hơn 50 mô hình toàn cầu từ hơn 20 nhóm mô hình khác nhau. Điểm khác biệt quan trọng của CMIP5 so với CMIP3 là các mô hình trong CMIP5 được tính toán theo các kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP. Về mặt khoa học, CMIP5 tập trung vào ba khía cạnh chính mà CMIP3 còn hạn chế, cụ thể là: (i) Đánh giá cơ chế quyết định sự khác biệt trong mô phỏng của các mô hình đối với chu trình các-bon và mây; (ii) Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình đối với các hiện tượng có quy mô thập kỷ; và (iii) Tìm nguyên nhân dẫn tới việc các mô hình mô phỏng rất khác nhau đối với cùng một kịch bản. 2.1.4 Lựa chọn mô hình khí hậu sử dụng trong Luận án Bảng 2.1 Các mô hình khí hậu được lựa chọn TT Tên mô hình Trung tâm Quốc gia Độ phân giải 1 ACCESS 1.3 Cục Khí tượng Úc 1,875o x 1,25o 2 CanESM2 Trung tâm Mô hình và phân tích khí hậu Canada 2,81o x 2,79o 3 CMCC-CMS Trung tâm Địa Trung Hải về BĐKH Italia 1,875o x 1,865o 4 CNRM-CM5 Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí tượng Pháp 1,40o x 1,40o 5 CSIRO-MK3.6 Tổ chức Nghiên cứu KH và Công nghiệp Liên bang Úc 1,875o x 1,865o 6 FGOALS-g2 Viện Vật lý Khí quyển, Viện Khoa học Trung Quốc 2,81o x 2,79o 7 GFDL-ESM2G Phòng thí nghiệm động lực học địa vật lý Mỹ 2,50o x 2,00o 8 HadGEM2-CC Trung tâm Met Office Hadley Anh 1,875o x 1,25o 9 IPSL-CM5A-MR Viện Pierre Simon Laplace Pháp 2,50o x 1,268o 10 MIROC5 Viện Nghiên cứu khí quyển và đại dương Nhật Bản 1,40o x 1,40o 11 MPI-ESM Viện Khí tượng Max Planck Đức 1,875o x 1,865o 13 Do điều kiện hạn chế về tiếp cận dữ liệu mô phỏng của các mô hình RCM, trong khi việc đánh giá mức độ bất định về biến đổi khí hậu trong tương lai cần được dựa trên nhiều kết quả từ nhiều mô hình khí hậu khác nhau, đồng thời phương pháp nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng trên GCM hoặc RCM, nên luận án sẽ sử dụng các dữ liệu từ các mô hình GCM cung cấp miễn phí từ trang web của IPCC. Sau khi phân tích, đánh giá, phân tích độ phân giải của từng mô hình khí hậu khác nhau, luận án kiến nghị sử dụng 11 mô hình khí hậu GCM thường được sử dụng trong các nghiên cứu trên thế giới, có thời đoạn mô phỏng ngày với phạm vi không gian mô phỏng bao trùm vùng Nam Trung Bộ. 2.2 Cơ sở lý thuyết chi tiết hóa các kịch bản BĐKH Dựa trên các phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp thu hẹp quy mô và ứng dụng trong điều kiện của Việt Nam, cùng với yêu cầu của bài toán, công cụ sẵn có, luận án lựa chọn phương pháp thu hẹp quy mô theo phương pháp thống kê. Một số trạm đo có chuỗi số liệu ngắn được khắc phục bằng cách tính toán bổ sung dựa trên phân tích quan hệ với các trạm đo mưa lân cận. 2.3 Sơ đồ 1: Lựa chọn phương pháp chi tiết hóa Phƣơng pháp thống kê chi tiết hóa Phương pháp biến đổi thống kê nhằm tìm ra một hàm h mà khi vẽ các biến tính toán Pm thì hàm phân bố mới của nó phù hợp với phân bố của biến thực đo Po (trong đó Pm và Po là lượng mưa tính toán và mưa thực đo). Hàm biến đổi này có thể được trình bày bằng công thức: Po = h(Pm) 14 Các hàm biến đổi thống kê là một ứng dụng của phép biển đổi tích phân xác suất và nếu phân bố của biến nghiên cứu đã biết thì hàm biến đổi được định nghĩa theo Ines và Hansen (2006), Piani và nnk (2010) )) Trong đó Fm là phân bố xác suất luỹ tích của Pm và là hàm ngược phân bố luỹ tích tương ứng với Po. Hình 2.4 Phân bố tần suất mưa thực đo và hiệu chỉnh 2.4 Kịch bản BĐKH và dữ liệu sử dụng trong luận án Dựa trên điều kiện số liệu thu thập được cũng như các kịch bản khuyến cáo sử dụng trong báo cáo Kịch bản BĐKH và nước biển dâng cho Việt Nam (2016), luận án sử dụng 2 kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 đại diện cho các kịch bản trung bình và cao với thời kỳ quá khứ từ năm 1970 – 2005 và thời kỳ tương lai (2006 – 2100). Bảng 2.2 Thống kê số trạm mưa và số năm quan trắc sử dụng trong tính toán Số năm sử dụng cho thời kỳ nền >=25 năm 20-24 năm 15-19 năm 10-14 năm Tổng Số trạm 87 2 2 2 93 2.5 Phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế Tính toán lũ thiết kế trên thế giới: 15 Sơ đồ 2: Các phương pháp tính lũ thiết kế Tính toán lũ thiết kế theo các phương pháp thường dùng tại Việt Nam: Đối với tính toán lũ thiết kế tại Việt Nam thường theo Quy phạm QPTL C6-77 ứng dụng công thức tính đỉnh lũ thiết kế QmaxP như sau: việc tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tùy theo diện tích lưu vực, có thể sử dụng một trong các công thức dưới đây: Sơ đồ 3: Phương pháp tính lũ thiết kế trong Luận án 2.6 Kết luận chƣơng 2 Trên cơ sở hướng tiếp cận đã xác định ở chương 1, luận án đã nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học tính mưa lũ thiết kế có xét đến biến đổi khí hậu bao gồm: - Xây dựng được cơ sở lý thuyết của các mô hình khí hậu toàn cầu, phân tích đánh giá và lựa chọn được 11 mô hình ứng dụng trong luận án. Xây dựng và lựa chọn được phương pháp chi tiết hóa thống kê các kịch bản khí hậu. 16 - Thiết lập được những cơ sở khoa học để phân tích lựa chọn hàm thống kê hiệu chỉnh sai số của dữ liệu sau khi sử dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê để chi tiết hóa dữ liệu từ bộ dữ liệu của 11 mô hình GCM về từng trạm trong khu vực nghiên cứu. - Đã xây dựng được cơ sở của các kịch bản biến đối khí hậu theo IPPC, phân tích và lựa chọn được 2 kịch bản tính toán trong luận án là: RCP4.5, RCP8.5. - Khái quát được các phương pháp tính lũ thiết kế cho các lưu vực vừa và nhỏ. Đặc biệt luận án xây dựng một mô hình thông số bán phân bố dựa trên mô hình mưa dòng chảy NAM và mô hình diễn toán dòng chảy Muskingum để mô phỏng dòng chảy cho các lưu vực có diện tích lớn thuộc khu vực nghiên cứu. CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN MƢA, LŨ THIẾT KẾ CÓ XÉT ĐẾN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1 3.1.1 Tính toán mƣa một ngày lớn nhất có xét đến biến đổi khí hậu Kết quả chi tiết hóa lượng mưa về từng trạm và hiệu chỉnh sai số Thực hiện bước hiệu chỉnh sai số giữa kết quả mô phỏng từ mô hình GCM với các số liệu đo tại các trạm trong thời kỳ nền theo phương pháp định bậc kinh nghiệm. Kết quả cho thấy, bước hiệu chỉnh sai số đã làm giảm các sai số trong mô phỏng của mô hình so với trước khi thực hiện bước hiệu chỉnh. So sánh trung bình trị số lượng mưa ngày lớn trước và sau khi hiệu chỉnh của 11 mô hình GCM ở 93 trạm đo mưa trong khu vực nghiên cứu và lân cận cho thời kỳ nền. Kết quả cho thấy, lượng mưa ngày trong quá khứ được mô phỏng có sự phù hợp đáng kể với điều kiện địa phương sau khi thực hiện bước hiệu chỉnh sai số. Trước khi hiệu chỉnh, chênh lệch giữa trung bình và độ lệch chuẩn của lượng mưa 1 ngày lớn nhất của mô hình với thực đo là rất lớn. Lượng mưa 1 ngày lớn nhất nhìn chung đều nhỏ hơn so với trung bình thực đo từ 50mm cho đến 150mm, đặc biệt có những trường hợp chênh lệch đến 250mm như ở mô hình CSIRO-QCCCE, CMCC-CMS, IPSL. 17 Hình 3.1 Trung bình (a) và độ lệch chuẩn (b) sai số giữa lượng mưa tính toán 1 ngày lớn nhất của 11 mô hình GCM với số liệu thực đo ở 93 trạm mưa trong khu vực nghiên cứu Sau khi thực hiện bước hiệu chỉnh sai số, lượng mưa trung bình 1 ngày lớn nhất (tính trung bình cho 93 trạm đo) của các mô hình đã xấp xỉ với thực đo (dao động trong khoảng ± 5mm). Tương tự, trị số độ lệch chuẩn trung bình cũng đã được cải thiện từ chênh lệch -10mm đến trên -70mm xuống còn ± 5mm (xét trong phạm vi phân vị 25% đến 75%). Các mô hình CMCC-CMS, CNRMCM5, FGoals, HadGEM2 thể hiện sự phù hợp tốt ở cả giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của chuỗi mưa 1 ngày lớn nhất. Mô hình CSIRO-QCCCE cho kết quả mô phỏng kém nhất khi cả trung bình sai số và độ lệch chuẩn sai số vẫn thấp hơn khá nhiều so với thực đo sau khi đã hiệu chỉnh sai. 3.1.2 Phân tích kết quả lượng mưa một ngày lớn nhất có xét đến BĐKH của một số lưu vực điển hình trên khu vực Để đánh giá chi tiết hơn về biến động lượng mưa một ngày lớn nhất, luận án xem xét biến động lượng mưa một ngày lớn nhất cho một số lưu vực chính 18 trong khu vực là: Nông Sơn, Thành Mỹ, Kôn, Ba về biến động lượng mưa một ngày lớn nhất. Lượng mưa một ngày lớn nhất trong lưu vực được tính trung bình từ tất cả lượng mưa một ngày lớn nhất của các trạm đo nằm trong phạm vi lưu vực. Hình 3.2 Kết quả biến động lượng mưa một ngày lớn nhất lưu vực Nông Sơn Kịch bản RCP8.5 - Giai đoạn 2040-2069 3.1.3 Xây dựng bản đồ biến động lượng mưa một ngày lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ Để mô tả sự biến động của lượng mưa một ngày lớn nhất theo thời gian và không gian, luận án nghiên cứu xây dựng các bản đồ về biến động lượng mưa một ngày lớn nhất trong tương lai cho toàn bộ khu vực Nam Trung Bộ. Từ kết quả mô phỏng lượng mưa ngày trong tương lai theo các kịch bản của 11 mô hình sau khi đã được hiệu chỉnh sai số về các trạm đo, luận án sử dụng phương pháp nội suy không gian IDW nhằm mô tả lượng mưa diện. Hàm nội suy IDW được mô tả như sau: ∑ ∑ [ [ ] ] Trong đó Xtt là giá trị cần nội suy, Xi là các giá trị đo đạc lân cận, n là số điểm đo, di là khoảng cách từ vị trí cần nội suy đến vị trí quan trắc i, k là số mũ = 1, 2, 3,… và thường lấy bằng 2. 19 Sự biến động lượng mưa một ngày lớn nhất theo hai kịch bản RCP 4.5, RCP 8.5 tương ứng cho 2 giai đoạn 2040-2069 và 2070-2099 khu vực nghiên cứu được lấy trung bình theo 11 mô hình. Công thức tính toán sự biến động được trình bày ở phương trình như sau: ̅ ) Trong đó, ̅ , ̅ ̅ ̅ ) *100% tương ứng là giá trị trung bình thời kỳ tính toán và giá trị trung bình thời kỳ nền. Hình 3.3 – Hình 3.15: Sự biến động (%) của lượng mưa 1ngày lớn nhất so với thời kỳ nền kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2040-2069 và 2070-2099 Sự biến động lượng mưa một ngày lớn nhất theo các mô hình khác nhau được thể hiện cho một số lưu vực đại biểu trong khu vực Nam Trung Bộ và một số khu vực lân cận. Luận án đã tính toán sự biến động lượng mưa một ngày lớn nhất cho một số lưu vực chính như Vu Gia Thu Bồn (VGTB), Trà Khúc (TK), sông Cái Nha Trang (Cai), sông Ba, Kôn, Sêsan và Srêpôk. Ngoài ra, lượng mưa trung bình toàn bộ khu vực nghiên cứu (TBKV) cũng được xem xét. 20