TỔ NG QUAN
T ổ ng quan khu v ự c nghiên c ứ u
1.1.1 Đặc điểm địa lý tự n iên
Sông Nậm Mức là một nhánh cấp 1 của sông Đà, chảy qua tỉnh Điện Biên Sông Đà tạo thành một thung lũng sâu giữa các dãy núi cao, mang lại cảnh quan hùng vĩ và độc đáo cho khu vực này.
Việt - Trung có 24 thác ghềnh tại Lai Châu, với sông cắt qua núi đá vôi tạo thành một yên ngựa dài 20km và sâu 50m, tách biệt bình nguyên Tà Pình bên trái và Sín Chải bên phải Dọc theo đoạn sông này có 16 thác ghềnh Dưới các bình nguyên, cách cửa sông 400km, chi lưu bờ phải là sông Nậm Mức dài 165km, với diện tích tập trung nước lên tới 2.930km².
Hình 1.1: Bản đồtỉnh Điện Biên
Lưu vực sông Đà sở hữu một mạng lưới sông suối dày đặc và trẻ, với độ chia cắt mạnh và thung lũng sâu, hẹp hình chữ V Mật độ sông suối không đồng nhất do sự khác biệt về địa hình, địa chất, lượng mưa và lớp phủ thực vật Khu vực núi đ phún xuất có độ cao lớn và lượng mưa dồi dào, mật độ sông suối rất cao (1,5 - 1,7 km/km²) tập trung ở bờ trái sông Đà, phía Tây Hoàng Liên Sơn - Pu Luông Ngược lại, vùng núi thấp có lượng mưa ít hơn, với mật độ sông suối khá cao (0,5 - 1,5 km/km²) tại các khu vực như Tà Phình - Sín Chải Khu vực cao nguyên đ vôi có lượng mưa ít, với mật độ sông suối từ thấp đến trung bình (0,5 - 1,0 km/km²) Đặc biệt, vùng thượng lưu sông Nậm Bú có mật độ sông suối thấp nhất (dưới 0,5 km/km²) do lượng mưa hạn chế và nhiều đất vôi.
Địa hình Điện Biên rất phức tạp với các dãy núi dốc, hiểm trở và chia cắt mạnh, chủ yếu chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, có độ cao từ 200m đến hơn 1.800m Địa hình thấp dần từ Bắc xuống Nam và nghiêng từ Tây sang Đông, với các điểm cao như 1.085m, 1.162m và 1.856m ở huyện Mường Nhé, trong đó đỉnh Pu Đen Đinh cao nhất đạt 1.886m Phía Tây có các điểm cao như 1.127m, 1.649m và 1.860m, cùng dãy núi Mường Phăng kéo dài xuống Tuần Giáo Xen lẫn giữa các dãy núi là những thung lũng và sông suối nhỏ hẹp, nổi bật là thung lũng Mường Thanh rộng hơn 150km², được xem là cánh đồng lớn và nổi tiếng nhất của tỉnh và vùng Tây Bắc Địa hình bị bào mòn mạnh tạo ra các cao nguyên như A Pa Chải và Tả Phình, cùng với các dạng địa hình khác như thung lũng, sông suối, thềm bãi bồi và hang động kaster, phân bố rộng rãi nhưng diện tích nhỏ.
Cấu trúc địa chất sông Nậm Mức rất phức tạp và không ổn định, với toàn bộ lưu vực nằm trên đá vôi tạo nên cấu trúc karst phức tạp Địa hình núi chia cắt trong lưu vực dẫn đến nhiều quá trình ngoại sinh hủy hoại, trong đó xói mòn đất kết hợp với cấu trúc địa chất kém ổn định thường gây ra các hoạt động địa chấn như động đất.
Theo thống kê năm 2010, Điện Biên có tổng diện tích đất tự nhiên là 956.290,37 ha, chủ yếu là đất có độ dốc lớn và tầng canh tác mỏng.
- Đất nông - lâm nghiệp chiếm chủyếu với 79,31% tổng diện tích đất tự nhiên.
- Đất phi nông nghiệp (sử dụng để ở, phục vụ mục đích công cộng, trụsở cơ quan, công trình sựnghiệp…) chiếm 2,27%.
- Đất chưa sử dụng vẫn chiếm diện tích tương đối lớn với 18,41%, chủ yếu là đất đồi núi, dốc chỉcó khả năngphát triển lâm nghiệp.
Hệ động thực vật của lưu vực Tây Bắc rất phong phú và đa dạng, với thảm thực vật bao gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, cây bụi và cỏ Kết quả kiểm kê rừng năm 1999 cho thấy khu vực này có tổng diện tích 963.441ha rừng, trong đó có 884.409ha rừng tự nhiên và 79.032ha rừng trồng Ngoài ra, theo công dụng, khu vực này có 713.563ha rừng phòng hộ, 171.829ha rừng đặc dụng và 78.049ha rừng sản xuất.
6) Điều kiện khí tƣợng thủy văn Điề u ki ệ n khí h ậ u
Khu vực nghiên cứu có khí hậu nhiệt đới gió mùa núi cao, với mùa đông lạnh và khô hạn, trong khi mùa hạ nóng và mưa nhiều Khí hậu nơi đây có đặc điểm diễn biến thất thường, phân hoá đa dạng, ít bị ảnh hưởng bởi bão và chịu tác động vừa phải của gió tây khô và nóng.
Nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 21-23°C, với mức thấp nhất thường ghi nhận từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, khoảng 14-18°C Các tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất là từ tháng 4 đến tháng 9, đạt khoảng 25°C, chủ yếu xảy ra ở những khu vực có độ cao dưới 500m.
Lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 1.300mm đến 2.000mm, với sự tập trung theo mùa, trong đó mùa khô kéo dài từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau Độ ẩm trung bình hàng năm đạt từ 76% đến 84% Số giờ nắng bình quân hàng năm từ 158 đến 187 giờ, trong đó tháng 6 và tháng 7 có số giờ nắng thấp nhất, còn các tháng khác thường có giờ nắng cao hơn.
3, 4, 8, 9 Đặc điể m th ủy văn
Lưu vực nghiên cứu nằm trong khu vực sông miền núi, không chịu ảnh hưởng của triều Dòng chảy của sông thường phân chia thành hai mùa rõ rệt: mùa kiệt từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau, và mùa lũ từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm Lũ trong khu vực này thường là lũ kép, với một trong những trận lũ lớn lịch sử xảy ra vào ngày 17 tháng 7 năm 1994, đạt đỉnh lũ 237,72 m.
Dòng chảy năm của lưu vực sông Nậm Mức có lượng mưa trung bình khá lớn, từ 1.700 đến 2.000mm, dẫn đến dòng chảy dồi dào Trong mùa mưa, nước chiếm khoảng 75% - 78% tổng lượng nước hàng năm, trong khi mùa khô chứng kiến lượng nước giảm nhanh xuống chỉ còn trên 23% Nước mặt và nước ngầm trong lưu vực có xu hướng thay đổi theo mùa.
Dòng chảy lũ trên lưu vực sông thường xảy ra do những trận mưa rào nhiệt đới với cường độ lớn và phạm vi rộng Trong mùa mưa, lượng nước chiếm từ 77% đến 78% tổng lượng nước trong cả năm.
Dòng chảy kiệt: Dòng chảy chiếm khoảng 23% lưu lượng dòng chảy cả năm.
Bảng 1.1: Lưu ượng nước trung bình tháng trung bình nhiều năm tại cửa ra Đơn vị: m 3 /s
Từ đầu năm 2016 đến tháng X, dòng chảy của sông ổn định do ảnh hưởng từ việc phát điện của thuỷ điện Nậm Mức Kể từ ngày 16 tháng X, khi thuỷ điện Trung Thu bắt đầu tích nước, dòng chảy tại trạm đã chịu tác động từ việc dâng nước của thuỷ điện này Trong năm, chế độ dòng chảy tại trạm được chia thành hai thời kỳ rõ rệt.
Trong thời kỳ thứ nhất, từ ngày 01 tháng 1 đến ngày 17 tháng 10, chế độ dòng chảy của sông duy trì ổn định Khi không có ảnh hưởng từ các trận lũ, mực nước dao động hàng ngày khoảng 0,40 m do hoạt động phát điện của thủy điện Nậm Mức Năm có lũ lớn nhất ghi nhận biên độ lên tới 2,68 m vào ngày 20 tháng 8.
T ổ ng quan các nghiên c ứ u v ề bùn cát trong và ngoài nướ c
1.2.1 Tổng quan các ngh iên cứu về ùn cát trên t ế giới
Hiện nay, nghiên cứu bùn cát ở Việt Nam và trên thế giới chủ yếu tập trung vào tính toán bồi lắng trong hồ chứa và phân bố lượng bùn cát Tuy nhiên, việc nghiên cứu dòng chảy bùn cát đến hồ còn hạn chế Một số nghiên cứu tiêu biểu về dòng chảy bùn cát trên thế giới đã được thực hiện.
Năm 1976, Dendy và Bolton phân tích dữ liệu bùn c t đến hồ của khoảng
Có khoảng 800 hồ chứa ở Mỹ với diện tích lưu vực dao động từ 2,5 km² đến 75.000 km², cùng với dữ liệu về diện tích lưu vực sông và dòng chảy trung bình năm Các tác giả đã phát triển hai phương trình kinh nghiệm để xác định lượng bùn cát đến hồ dựa trên dữ liệu dòng chảy trung bình năm và diện tích lưu vực, áp dụng cho hai trường hợp lưu vực có dòng chảy lớn hơn và nhỏ hơn 50 mm Phương trình của Dendy và Bolton có thể được sử dụng để tính toán lượng bùn cát đến hồ khi không có dữ liệu quan trắc Tuy nhiên, hạn chế của các công thức này là mỗi lưu vực sông ở các khu vực khác nhau có đặc điểm bùn cát khác nhau, do đó cần xây dựng các công thức riêng hoặc điều chỉnh các công thức của Dendy và Bolton cho phù hợp với đặc điểm bùn cát của từng khu vực cụ thể.
Năm 2009, B Hu và cộng sự đã nghiên cứu về bồi lắng ở đập Tam Hiệp và xu hướng tương lai của bùn cát sông Trường Giang đổ ra biển, dựa trên số liệu nước và bùn cát trong 54 năm Nghiên cứu xác định rằng từ 2003-2008, đập Tam Hiệp giữ lại khoảng 172 triệu tấn bùn cát mỗi năm, với hiệu suất bẫy trung bình đạt 75% Hầu hết bùn cát (88%) bồi lắng giữa đập Tam Hiệp và Cuntan, trong khi 12% còn lại bồi lắng ở khu vực thượng nguồn Cuntan Hiệu quả bẫy bùn cát của từng đập trong hệ thống hồ chứa bậc thang dao động từ 73% đến 87%, và tổng hiệu quả của toàn bộ hệ thống đạt 91% Các tác giả đã đề xuất sử dụng phương pháp Brune để ước tính hiệu quả bẫy bùn cát cho các hồ chứa ở thượng lưu lưu vực sông Trường Giang.
1.2.2 Tổng quan các ng iên cứu về ùn cát ở Việt Nam
Tính toán bồi lắng là một bước quan trọng trong thiết kế hồ chứa và xác định tuổi thọ của hồ Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về bồi lắng bùn cát và tác động của sự thay đổi chế độ bùn đến lòng dẫn Tại Việt Nam, các tác giả đã áp dụng phương pháp mô hình toán, sử dụng công thức thực nghiệm và tiến hành thu thập, khảo sát, đo đạc số liệu thực tế Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này đã được thực hiện để nâng cao hiệu quả trong thiết kế hồ chứa.
Nguyễn Kiên Dũng (2014) đã nghiên cứu phương pháp đơn giản ước tính phân bố bùn cát bồi lắng ở các hồ chứa tại Việt Nam, đề xuất sử dụng công thức của Shamov và Borland-Miller để ước tính phân bố bùn cát tại hồ chứa Hòa Bình Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu quy luật xói mòn đất và sự biến đổi của bùn cát sông ngòi” được thực hiện bởi TS Nguyễn Kiên Dũng và PGS.TS Trần Thanh Xuân trong giai đoạn 2004-2005 Bên cạnh đó, đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu dự báo dòng bùn cát, phù sa và sự xói lở khu vực sông vùng Tân Châu” do TS Nguyễn Kỳ Phùng thực hiện từ năm 2001 đến 2003.
Gần đây, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu đã thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ về tính toán bồi lắng hệ thống hồ chứa bậc thang, áp dụng thí điểm cho sông Đà Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc tính toán bồi lắng, đưa ra các yêu cầu và nội dung cần thiết cho hệ thống hồ chứa Đề tài đề xuất ba trường hợp: có đủ số liệu, thiếu số liệu và không có số liệu, cùng với các phương pháp phù hợp cho từng trường hợp Đối với trường hợp có đủ số liệu, có thể sử dụng phương pháp cân bằng bùn cát và so sánh thể tích Nếu thiếu số liệu bùn cát đến hồ, công thức Dendy và Bolton được sử dụng; còn nếu thiếu số liệu bùn cát ra khỏi hồ, có thể áp dụng phương pháp Brune hoặc Churchill-Roberts Để tính toán bồi lắng theo thời gian và không gian, sử dụng công thức Shamov và phương pháp Borland-Miller Trong trường hợp không có số liệu quan trắc, phương pháp lưu vực tương tự hoặc mô hình SWAT có thể được áp dụng, bên cạnh các mô hình như MIKE-NAM, HMS để tính lưu lượng nước đến hồ Để tính toán bồi lắng trong hệ thống hồ chứa bậc thang, các mô hình như HEC-6, HEC-RAS, SRH-1D cũng được khuyến nghị.
Đề tài nghiên cứu đã xác lập cơ sở khoa học để tính toán bồi lắng cho hệ thống hồ chứa bậc thang Lai Châu - Sơn La - Hòa Bình trên dòng chính sông Đà Nghiên cứu phân tích đặc điểm tự nhiên, địa hình, khí tượng thủy văn và bùn cát của lưu vực sông Đà, đồng thời tổng hợp quá trình xây dựng hệ thống hồ chứa và hiện trạng bồi lắng Mô hình HEC-6 được lựa chọn để tính toán bồi lắng cho hệ thống này, kết hợp với các mô hình SWAT, MIKE-NAM và phương pháp lưu vực tương tự để ước tính lượng bùn cát bồi lắng theo thời gian và không gian Kết quả cho thấy, hồ Sơn La và Hòa Bình chịu tác động lớn từ hồ chứa phía thượng lưu, trong khi lượng bùn cát bồi lắng ở hồ Lai Châu giảm dần, lượng bùn cát ở hồ Sơn La tăng, và hồ Hòa Bình tiếp tục gia tăng bồi lắng.
Dựa trên kết quả tính toán bồi lắng cho hệ thống hồ chứa bậc thang, bài nghiên cứu đã tổng hợp các hệ thống hồ chứa lớn trên các sông chính, đánh giá đặc điểm tự nhiên và thống kê số liệu khí tượng, thủy văn, cùng với thông tin về địa hình mặt cắt ngang hồ và sông Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề xuất các phương pháp phù hợp với điều kiện từng hệ thống hồ chứa bậc thang trên các lưu vực sông chính trên toàn quốc Luận văn đã kế thừa nhiều số liệu và phương pháp tính toán để mô phỏng dòng chảy và bùn cát vào hồ thủy điện Nậm Mức.
Và để mô phỏng mô phỏng dòng chảy và bùn cát vào hồ thủy điện Nậm
Mô hình SWAT được sử dụng trong luận văn với nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng tự động phân chia lưu vực dựa vào bản đồ DEM, vẽ đường sông suối, và tính toán các thông số dựa trên dữ liệu đầu vào một cách tự động Ngoài ra, mô hình còn đi kèm với công cụ hiệu chỉnh tự động cụ thể, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình phân tích.
SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực
Mô hình này được thiết kế nhằm mô phỏng tác động của việc quản lý sử dụng tài nguyên đất đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất phát sinh, cũng như hoạt động nông nghiệp trong các lưu vực rộng lớn và phức tạp qua một khoảng thời gian dài.
Mô hình SWAT được xây dựng dựa trên các quan hệ vật lý của hiện tượng tự nhiên, sử dụng các phương trình tương quan và hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào như sử dụng đất, thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu với các thông số đầu ra như lưu lượng dòng chảy và bồi lắng Để hoạt động hiệu quả, SWAT còn cần các dữ liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực.
Mô hình SWAT mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các mô hình trước đó, cho phép phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực và các đơn vị thủy văn dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng và địa hình, từ đó nâng cao độ chi tiết trong mô phỏng không gian SWAT tính toán các quá trình tự nhiên như chuyển động của nước, lắng đọng bùn, tăng trưởng mùa màng và chu trình chất dinh dưỡng, dựa trên các thông số dữ liệu đầu vào Mô hình này có khả năng dự báo hiệu quả thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào như quản lý sử dụng đất, khí hậu và thực vật, giúp định lượng tác động đến dòng chảy và các thông số khác SWAT có thể tính toán và mô phỏng trên diện tích rộng lớn, hỗ trợ ra quyết định cho các chiến lược quản lý đa dạng và phức tạp với chi phí và thời gian thấp, đồng thời cho phép nghiên cứu tác động trong thời gian dài Hiện nay, SWAT không chỉ xem xét lưu lượng dòng và đỉnh lũ mà còn đánh giá sự tích lũy chất ô nhiễm và ảnh hưởng đến vùng hạ lưu.
Hiện nay, nhiều mô hình thủy văn như MIKEBASIN, HEC-HMS, ANSWERS, AGNPS đã được áp dụng để đánh giá tài nguyên nước và tính toán lũ cho các lưu vực Tuy nhiên, hầu hết các mô hình này thiếu công cụ hiệu chỉnh và kiểm định tự động, dẫn đến độ tin cậy không cao SWAT nổi bật với công cụ SWAT-CUP, giúp tự động hóa quá trình hiệu chỉnh và kiểm định, rút ngắn thời gian mà vẫn đảm bảo tính chính xác và hiệu quả cho người sử dụng.
T ổ ng quan v ề bi ến đổ i khí h ậ u và k ị ch b ả n bi ến đổ i khí h ậ u
1.3.1 K ịc ản iến đổi k í ậu Việt Nam
Xây dựng và cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu là nhiệm vụ quan trọng để cung cấp thông tin chính xác và kịp thời nhằm ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã thực hiện nhiều lần cập nhật kịch bản, bao gồm các báo cáo từ năm 1990 đến 2013 Các báo cáo này liên tục cập nhật thông tin về phát triển kinh tế-xã hội và khí hậu, cải tiến các mô hình dự tính để đưa ra kết quả khách quan nhất Tại Hội nghị lần thứ 43 của IPCC vào năm 2016, báo cáo đánh giá biến đổi khí hậu lần thứ sáu (AR6) đã được thảo luận, với mục tiêu giữ cho nhiệt độ trái đất tăng không quá 1,5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp theo Hiệp định Paris IPCC sẽ hoàn thiện AR6 vào năm 2023 và một báo cáo đặc biệt sẽ tập trung vào đánh giá tác động và lộ trình giảm phát thải để đạt được mục tiêu 1,5°C Ở Việt Nam, biến đổi khí hậu đã có những tác động tiêu cực rõ rệt đối với kinh tế xã hội và tài nguyên môi trường, do đó, việc hiểu biết về khí hậu tương lai thông qua các kịch bản biến đổi khí hậu là rất cần thiết Bộ Tài nguyên và Môi trường đã cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu vào các năm 2009, 2012 và 2016.
Kịch bản biến đổi khí hậu đầu tiên của Việt Nam đã được xây dựng nhằm phục vụ cho Công ước khung của Liên Hợp Quốc về biến đổi khí hậu Nội dung này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và đề xuất các giải pháp ứng phó hiệu quả cho đất nước.
2003.Năm 2009, Bộ Tài nguyên và Môi trường công bốbản “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam”
- Năm 2012, Bộ Tài nguyên và Môi trường tiếp tục công bố “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam”
Năm 2016, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng, dựa trên dữ liệu và điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam, cùng với các sản phẩm từ các mô hình khí hậu.
Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam năm 2016 được xây dựng dựa trên Báo cáo đánh giá lần thứ 5 (AR5) của IPCC, cùng với số liệu từ mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn cập nhật đến năm 2014 Nội dung kịch bản này phản ánh xu thế biến đổi gần đây của khí hậu và tình hình nước biển dâng tại Việt Nam.
Việt Nam đang sử dụng các mô hình khí hậu toàn cầu và mô hình khí hậu khu vực với độ phân giải cao để nghiên cứu khí hậu trong khu vực Những mô hình này bao gồm cả mô hình khí quyển và đại dương, giúp nâng cao khả năng dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu tại Việt Nam.
Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam được xây dựng dựa trên các kịch bản phát thải khí nhà kính (RCP) theo phương pháp của IPCC, bao gồm: RCP8.5 (cao), RCP6.0 (trung bình cao), RCP4.5 (trung bình) và RCP2.6 (thấp) Các kịch bản này được chi tiết hóa cho từng địa phương và khu vực ven biển Việt Nam theo từng thập kỷ của thế kỷ 21 Tóm tắt kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng năm 2016 phản ánh những tác động tiềm tàng đối với môi trường và phát triển bền vững tại Việt Nam.
Nhiệt độ ở tất cả các vùng của Việt Nam đang có xu hướng tăng so với thời kỳ cơ sở (1986-2005), với mức tăng cao nhất ghi nhận ở khu vực phía Bắc Dựa trên kịch bản biến đổi khí hậu trung bình - RCP4.5, nhiệt độ trung bình năm trên toàn quốc dự kiến sẽ tiếp tục tăng vào đầu thế kỷ 21 (2016).
Dự báo đến năm 2035, nhiệt độ trung bình toàn quốc sẽ tăng từ 0,6 đến 0,8 oC; vào giữa thế kỷ (2046 – 2065), mức tăng sẽ đạt từ 1,3 đến 1,7 oC, với khu vực Bắc Bộ tăng từ 1,6 đến 1,7 oC, Bắc Trung Bộ từ 1,5 đến 1,6 oC, và Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Nam Bộ từ 1,3 đến 1,4 oC Đến cuối thế kỷ (2080 – 2099), nhiệt độ sẽ tăng từ 1,9 đến 2,4 oC ở phía Bắc và từ 1,7 đến 1,9 oC ở phía Nam Theo kịch bản cao - RCP8.5, nhiệt độ trung bình năm sẽ tăng từ 0,8 đến 1,1 oC vào đầu thế kỷ, từ 1,8 đến 2,3 oC vào giữa thế kỷ, với khu vực phía Bắc tăng từ 2,0 đến 2,3 oC và phía Nam từ 1,8 đến 1,9 oC; đến cuối thế kỷ, mức tăng sẽ đạt từ 3,3 đến 4,0 oC ở phía Bắc và từ 3,0 đến 3,5 oC ở phía Nam Cả hai kịch bản đều cho thấy xu hướng tăng rõ rệt của nhiệt độ thấp nhất và cao nhất trung bình.
Lượng mưa hàng năm ở Việt Nam có xu hướng tăng, theo kịch bản trung bình RCP4.5, với mức tăng từ 5-10% vào đầu thế kỷ và 5-15% vào giữa thế kỷ, đặc biệt ở một số tỉnh ven biển có thể tăng trên 20% Đến cuối thế kỷ, mức tăng này sẽ mở rộng hơn Kịch bản cao RCP8.5 cũng cho thấy xu hướng tăng tương tự, với khả năng tăng trên 20% ở hầu hết Bắc Bộ, Trung Trung Bộ, một phần Nam Bộ và Tây Nguyên Ngoài ra, lượng mưa lớn nhất trong 1 ngày và 5 ngày có thể tăng từ 40-70% ở các khu vực phía Tây của Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Thừa Thiên - Huế đến Quảng Nam, trong khi các khu vực khác có mức tăng phổ biến từ 10-30%.
Gió mùa và các hiện tượng khí hậu cực đoan đang có những biến đổi đáng chú ý Số lượng bão và áp thấp nhiệt đới có xu hướng ít biến đổi, nhưng tập trung nhiều hơn vào cuối mùa bão, thời điểm bão chủ yếu hoạt động ở phía Nam Sự gia tăng của bão mạnh đến rất mạnh cũng được ghi nhận Gió mùa hè bắt đầu sớm hơn và kết thúc muộn hơn, trong khi lượng mưa trong thời kỳ này có xu hướng tăng Số ngày rét đậm, rét hại ở miền núi phía Bắc và Đồng bằng Bắc Bộ giảm, trong khi số ngày nắng nóng (nhiệt độ cao nhất ≥ 35°C) tăng lên, đặc biệt ở Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Nam Bộ Hạn hán có thể trở nên nghiêm trọng hơn ở một số khu vực do nhiệt độ tăng và khả năng giảm lượng mưa trong mùa khô, như ở Nam Trung Bộ và Bắc Bộ vào mùa đông.
- M ực nướ c bi ể n dâng: Kịch bản mực nước biển dâng trung bình ven biển
Việt Nam đang đối mặt với nguy cơ mực nước biển dâng cao hơn mức trung bình toàn cầu, đặc biệt là khu vực giữa Biển Đông Các tỉnh ven biển phía Nam có mức nước biển dâng cao hơn so với các khu vực khác, điều này đặt ra thách thức lớn cho phát triển bền vững và an toàn cho cộng đồng.
Bắc Theo k ị ch b ả n trung bình - RCP4.5 , mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam đến năm 2050 là 22 cm (14 cm ÷ 32 cm); đến năm 2 00 là
Mực nước biển dâng tại các khu vực ven biển Việt Nam có sự biến động đáng kể Cụ thể, khu vực từ Móng Cái đến Hòn Dáu và Hòn Dáu đến Đèo Ngang ghi nhận mực nước biển dâng thấp nhất là 55 cm Trong khi đó, khu vực từ Mũi Cà Mau đến Kiên Giang có mực nước biển dâng là 53 cm Đối với quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, mực nước biển dâng lần lượt là 58 cm và 57 cm Theo kịch bản bão cao RCP8.5, dự báo mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam sẽ đạt 25 cm vào năm 2050 và 73 cm vào năm 2100.
(49 cm ÷ 103 cm), trong đó, khu vực ven biển từ Móng C i - Hòn Dáu và Hòn Dáu
Đèo Ngang có mức nước biển dâng thấp nhất là 72 cm, trong khi khu vực từ Mũi Cà Mau đến Kiên Giang ghi nhận mức nước là 75 cm Đặc biệt, khu vực quần đảo Hoàng Sa cũng có những biến động tương tự về mực nước biển.
Sa và Trường Sa lần lượt là 78 cm (52 cm ÷ 107 cm), 77 cm (50 cm ÷ 107 cm).
Nguy cơ ngập do nước biển dâng là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt nếu mực nước biển tăng 1 mét mà không có các biện pháp ứng phó hiệu quả Theo dự báo, khoảng 16,8% diện tích đồng bằng sông Hồng và 1,5% diện tích các tỉnh ven biển miền Trung từ Thanh Hóa đến Bình Thuận sẽ bị ảnh hưởng Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các giải pháp kịp thời để giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
Tp HồChí Minh, 38,9% diện tích đồng b ng sông Cửu Long có nguy cơ bị ngập
Cụm đảo Vân Đồn, Côn Đảo và Phú Quốc đang đối mặt với nguy cơ ngập cao, trong khi quần đảo Trường Sa có nguy cơ ngập không lớn Ngược lại, quần đảo Hoàng Sa lại có nguy cơ ngập lớn hơn, đặc biệt là các đảo thuộc nhóm Lưỡi Liềm và đảo Tri Tôn.
1.3.2 Kịc ản iến đổi k í ậu k u vực ng iên cứu
Khung nghiên c ứ u
Để mô phỏng dòng chảy và bùn cát vào hồ thủy điện Nậm Mức, luận văn áp dụng mô hình SWAT, một phương pháp mô hình toàn diện giúp xác định lưu lượng nước (Q) và lưu lượng bùn cát (Qs) gia nhập hồ chứa dựa trên các số liệu khí tượng, địa hình, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật.
Hình 1.10:Sơ đồkhối tính dòng chảy và bùn cát gia nhập hồchứa
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U VÀ NGU Ồ N S Ố LI Ệ U
Gi ớ i thi ệ u mô hình nghiên c ứ u (mô hình SWAT)
Mô hình SWAT được phát triển nhằm đánh giá tác động của việc sử dụng đất, xói mòn và hóa chất trong nông nghiệp trên hệ thống lưu vực sông Mô hình này dựa trên các nguyên tắc vật lý và kết hợp với các phương trình hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa các biến đầu vào và đầu ra Để hoạt động hiệu quả, SWAT yêu cầu thông tin về thời tiết, đặc tính đất, tài liệu địa hình, thảm phủ và cách sử dụng đất trong lưu vực Các quá trình vật lý như chuyển động nước, chuyển động bùn cát, canh tác và chu trình dinh dưỡng được mô tả chi tiết trong mô hình thông qua dữ liệu đầu vào này.
Mô hình SWAT (Arnold và cộng sự, 2002) chia lưu vực thành các vùng hoặc lưu vực nhỏ, và đã được chứng minh là công cụ hiệu quả trong việc đánh giá tài nguyên nước và ô nhiễm trên quy mô toàn cầu Tại Mỹ, SWAT ngày càng được áp dụng nhiều hơn để hỗ trợ phân tích tổng lượng tải lớn nhất trong ngày (Bo‐rah và nnk, 2006) và nghiên cứu hiệu quả các hoạt động bảo tồn thiên nhiên trong chương trình đánh giá hiệu quả bảo tồn USDA (CEAP).
Mô hình SWAT đã được áp dụng rộng rãi để đánh giá các khu vực lớn như lưu vực thượng nguồn sông Mississippi và toàn bộ nước Mỹ, cũng như trong các lĩnh vực chất lượng nước và sử dụng nước Xu hướng này cũng được ghi nhận ở Châu Âu và các khu vực khác, với nhiều nghiên cứu đa dạng được trình bày tại 4 hội nghị SWAT quốc tế SWAT được sử dụng để mô phỏng dòng chảy ở các lưu vực nhỏ, với điều kiện có đủ dữ liệu về sử dụng đất và đặc tính đất.
Mô hình SWAT là một mô hình bán phân bố được áp dụng cho toàn lưu vực, chia dòng chảy thành ba pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (bao gồm sát mặt và ngầm) và pha trong sông.
Quá trình thuỷ văn được chia thành hai phần chính: đầu tiên là pha lưu vực, nơi chu trình thuỷ văn kiểm soát khối lượng nước, bùn cát và chất hữu cơ, chuyển tải chúng tới các kênh chính Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ tới hệ thống kênh và cửa ra của lưu vực Các số liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và dự đoán các quá trình này.
Các sốliệu đầu vào của mô hình
Yêu cầu số liệu đầu vào của mô hình được thể hiện qua hai dạng chính: số liệu không gian và số liệu thuộc tính Số liệu không gian được trình bày dưới dạng bản đồ, bao gồm các thông tin địa lý cần thiết cho phân tích.
- Bản đồ độcao sốhóa DEM;
- Bản đồmạng lưới sông suối, hồchứa trên lưu vực. ã Sốliệu thuộc tớnh dưới dạng Database bao gồm:
- Sốliệu về khí tượng: nhiệt độkhông khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa;
- Sốliệu vềthuỷ văn:dòng chảy, bùn cát, hồchứa ;
- Sốliệu về đất: đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất ;
- Sốliệu vềloại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng ;
- Sốliệu vềloại phân bón trên lưu vực canh tác
Mô hình đã đánh giá cả về lượng và chất của nguồn nước, xác định lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực, phân tích quá trình canh tác đất thông qua mô-đun chu trình chất dinh dưỡng, và đánh giá công tác quản lý lưu vực.
1) Lịch sửphát triển của mô hình SWAT
Mô hình SWAT, được Viện nghiên cứu nông nghiệp USDA phát triển trong gần 30 năm qua, là phiên bản nâng cấp của mô hình USDAARS Nó tích hợp các yếu tố như chất hóa học, dòng chảy và xói mòn từ mô hình CREAMS, động lực nước ngầm từ GLEAMS, và khí hậu từ EPIC để tính toán tác động môi trường Hiện tại, SWAT là phiên bản tiếp theo của tính toán tài nguyên nước trong mô hình lưu vực SWRRB.
-tính to n t c động của quản lý lưu vực đối với chuyểnđộng của nước, bùn cát.
Hình 2.1: Sơ đồphát triển của mô hình SWAT
SWRRB được phát triển từ những năm 80, với sự biến đổi của mô hình thủy văn mưa CREAMS Mô hình đã trải qua nhiều nâng cấp, bao gồm mở rộng diện tích tính toán, cải thiện phương pháp tính tốc độ dòng chảy lũ và tổn thất truyền Các thành phần mới như dòng chảy nhập lưu, bể chứa, mô đun phát triển vụ mùa EPIC, cũng như việc tính toán các thông số khí hậu và vận chuyển bùn cát đã được thêm vào Đồng thời, mô hình cũng tích hợp thành phần thuốc trừ sâu và áp dụng phương pháp USDA – SCS để ước tính tốc độ dòng chảy lũ, cùng với việc phát triển thêm các phương trình bùn cát Những cải tiến này đã mở rộng khả năng của mô hình trong việc giải quyết các vấn đề quản lý chất lượng nước lưu vực.
Arnold và cộng sự (1995) đã phát triển mô đun diễn toán ROTO vào đầu thập niên 90 nhằm hỗ trợ đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước, bằng cách liên kết kết quả đầu ra của SWRRB với diễn toán dòng chảy qua lòng dẫn và bể chứa trong ROTO thông qua phương pháp diễn toán theo đoạn sông Hệ phương pháp này đã khắc phục được những giới hạn của SWRRB Sau đó, SWRRB và ROTO được kết hợp thành mô hình SWAT để giảm thiểu nhược điểm cồng kềnh của nó, trong khi SWAT vẫn giữ lại tất cả các đặc trưng của SWRRB và cho phép tính toán trên diện tích rất lớn.
SWAT đã trải qua nhiều nâng cấp quan trọng kể từ khi ra mắt vào đầu thập niên 90, bao gồm các phiên bản SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2 và SWAT2000 SWAT94.2 tập trung vào mô phỏng lưu lượng đơn vị, trong khi SWAT96.2 cập nhật phần quản lý chất hữu cơ trong đất và nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu lên cây trồng Phiên bản SWAT98.1 bổ sung mô hình hóa dòng chảy do tuyết tan và chất lượng nước, còn SWAT99.2 cập nhật mô hình chất lượng nước cho hồ chứa và thuỷ văn đô thị SWAT2000 giới thiệu các phương trình thấm mới và các yếu tố khí tượng như bức xạ mặt trời, cho phép tính toán giá trị bốc hơi tiềm năng của lưu vực Để mô hình hóa quy trình mưa - dòng chảy, việc lựa chọn mô hình phù hợp với mục tiêu thủy văn cụ thể là rất quan trọng, bao gồm các yếu tố như dữ liệu cần thiết, yêu cầu dự báo, kích thước lưu vực và khả năng tích hợp với GIS Các mô hình này có thể được áp dụng hiệu quả cho các mục tiêu thủy văn khác nhau như lũ lụt, hạn hán và mô hình hóa ô nhiễm.
Chu trình thủy văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân b ng nước
Tổng lượng nước tại cuối thời gian tính toán (ãSW t) được xác định bằng tổng lượng nước ban đầu (ãSW o) tại ngày thứ i, cộng với lượng mưa (ãR day), lượng nước mặt (ãQ surf), trừ đi lượng bốc hơi (ãE a) và lượng nước thấm vào tầng ngầm (ãW seep), cùng với lượng nước hồi quy (ãQ gw) tại ngày thứ i Thời gian tính toán được tính bằng số ngày (ãt).
Mô hình SWAT có khả năng xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, chất dinh dưỡng và thuốc bảo vệ thực vật đến kênh chính, đồng thời diễn toán theo mạng lưới sông suối trong lưu vực Ngoài việc tính toán lưu lượng nước, mô hình còn mô tả sự biến đổi của các hóa chất trong kênh Diễn toán trong sông bao gồm bốn thành phần: nước, chất bồi lắng, chất dinh dưỡng và hóa chất hữu cơ Đối với diễn toán qua hồ chứa, mô hình xem xét sự cân bằng nước cho các kho chứa, bao gồm dòng chảy đến, dòng chảy ra, mưa trên bề mặt, bốc hơi, thấm qua đáy hồ và các công trình phân nước.
Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT, nhằm tính toán lượng dòng chảy và bùn cát Chúng tôi sẽ phân tích các phương trình tính toán các thành phần ảnh hưởng đến lưu lượng nước và bùn cát tại mặt cắt cửa ra của một lưu vực.
4) Phương pháp sửdụng trong mô hình SWAT
Phương pháp dòng chảy mặt:
Mô hình SWAT sử dụng phương ph p chỉ số đường cong SCS (Soil Conservation System) (SCS, 1972) và hàm thấm Green và Ampt (1911).
Phương pháp chỉsố đường cong SCS:
Phương trình lưu lượng SCS là một mô hình thực nghiệm phổ biến từ những năm 1950, được phát triển nhằm đánh giá tổng lượng dòng chảy dựa trên các kiểu sử dụng đất và tính chất đất khác nhau (Rallison và Miller, 1981).
Phương trình chỉsố đường cong SCS (SCS, 1972):
Tình hình s ố li ệ u, d ữ li ệ u khu v ự c nghiên c ứ u
Thông số xói mòn của đất được xác định bởi chỉ số USLE_K, trong khi độ che phủ và quản lý đất được thể hiện qua chỉ số USLE_C Chỉ số USLE_P phản ánh ảnh hưởng của các biện pháp canh tác, và chỉ số USLE_LS liên quan đến yếu tố độ dốc Yếu tố mảnh vụn thụ được biểu thị bằng CFRG, trong khi SPCON là thông số do người lập có giá trị từ 0,0001 đến 0,01 Chỉ số SPEXP cũng do người lập với giá trị từ 1 đến 1,5 Cuối cùng, CHCOV đại diện cho yếu tố tầng phủ của lũng dẫn, còn CHEROD thể hiện tính xói mòn của lũng dẫn.
2.2 Tình hình số iệu,dữ iệu khu vực nghiên cứu
2.2.1 Tình hình s ố li ệu lưu lượ ng và bùn cát khu v ự c nghiên c ứ u
1) Đặc điểm bùn cát khu vực nghiên cứu
Nhìn chung, chuỗi số liệu thực đo bùn cát thời kỳ 1993-
Năm 2012, tại trạm Nậm Mức, sự biến đổi mạnh mẽ của bùn cát đã được ghi nhận, với xu hướng này trở nên rõ rệt qua từng năm, đặc biệt là khi hồ thủy điện Nậm hoạt động.
Mức được khởi công xây dựng vào năm 2006.
Hình 2.3: Di ễ n bi ế n bùn cát khu v ự c nghiên c ứ u
Quan hệ lưu lượng nước và lưu lượng bùn c t lơ lửng tại trạm có dạng hàm mũ (Qs = aQ b ) khá chặt chẽ, hệsố tương quan trên 0,7
Hàm lượng bùn cát tại Nậm Mức có sự biến đổi rõ rệt giữa mùa kiệt và mùa lũ Trong mùa lũ, hàm lượng bùn cát lơ lửng dao động từ 1.000 - 11.000 g/m³, có thời điểm đạt đến 11.800 g/m³ vào ngày 18 tháng 8 năm 1996, trong khi mức thấp nhất dưới 100 g/m³ và trung bình từ 300 - 600 g/m³ Ngược lại, vào mùa kiệt, hàm lượng bùn cát rất thấp, thường chỉ từ 20 - 200 g/m³, với mức trung bình khoảng 40 - 60 g/m³.
Phân phối bùn c t trong năm tại Nậm Mứckhông đều, tập trung vào 3 tháng mùa lũ từ giữa th ng VI đến giữa tháng IX, chiếm 80-88 % tổng lượng bùn c t năm
Th ng VII, th ng VIII thường là th ng có lượng bùn cát lớn nhất, chiếm 18-25% tổng lượng bùn c t năm.
2) Tình hình quan trắc ưu ượng nước
Trạm thủy văn Nậm Mức, được thành lập vào tháng 6 năm 1959, là trạm cấp I sông miền núi với mục đích nghiên cứu đặc trưng dòng chảy và tài nguyên nước phục vụ cho các công trình dân sinh kinh tế của tỉnh Trạm cũng thu thập dữ liệu phục vụ công tác dự báo lũ, bão và điều tra cơ bản theo nhiệm vụ ngành Vào ngày 21 tháng 12 năm 2016, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ra quyết định số 2936/QĐ-BTNMT di chuyển trạm lên thượng lưu thủy điện Trung Thu và đổi tên thành Trạm Thủy văn Nậm Mức thuộc Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc.
Công trình đo lưu lượng nước và lưu lượng chất lơ lửng tại trạm thủy văn
Nậm Mức là một công trình cáp nôi hai dây, có khả năng kiểm soát lũ lịch sử, được xây dựng vào năm 1980 và vẫn đang được sử dụng cho đến nay Trạm đo lưu lượng nước tại đây sử dụng phương pháp thủ công, với máy lưu tốc kế LS25-1A gắn tời đo có chu vi tời 0,70 m.
Chế độquan trắc lưu lượng nước sau khi có hồthủy điện Nậm Mức
Từ đầu năm đến cuối tháng 10, trạm thực hiện theo quy định của “Quy phạm quan trắc lưu lượng nước sông lớn và vừa vùng sông không ảnh hưởng triều” 94 TCN 3 - 1990 Trạm được bố trí để đo mực nước và theo dõi tiến trình của từng con lũ.
Từ ngày 18 tháng 10, trạm quan trắc lưu lượng sẽ thực hiện theo quyết định số 459/QĐ-KTTVQG ban hành ngày 30 tháng 9 năm 2014 của Tổng giám đốc Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia Quyết định này quy định chế độ quan trắc thủy văn đối với các trạm bị ảnh hưởng bởi hồ chứa.
Quan trắc lưu lượng nước
Trong năm, các trạm quan trắc đã đáp ứng yêu cầu, cung cấp số liệu chính xác và đầy đủ về diễn biến dòng chảy trong sông Tổng cộng có khoảng 43 số liệu được ghi nhận tại năm trạm, được phân bố trong hai thời kỳ khác nhau.
Thời kỳ thứ nhất diễn ra từ ngày 01/01 đến ngày 17/10, trong thời gian này, dòng chảy trong sông ổn định Trạm đo ghi nhận 33 số liệu, với các điểm đo được phân bố đồng đều trên các cấp mực nước.
Thời kỳ thứ hai, từ 17/10 đến 31/12, dòng chảy sông bị ảnh hưởng bởi nước dâng từ thủy điện Trung Thu Đường quan hệ Q = f(H) là một đường cong trơn, thể hiện sự thay đổi theo thời gian qua các điểm đo hoặc trung tâm nhóm điểm, được phân chia thành các nhánh tăng và giảm.
3) Tình hình quan trắc bùn cát ơ ửng
Trạm quan trắc thực hiện việc lấy mẫu nước đại biểu và mặt ngang bằng phương pháp thủ công, sử dụng máy lấy mẫu kiểu chai lắp vào cá sắt chuyên dụng Quá trình này áp dụng phương pháp tích phân, với chai lấy mẫu có dung tích 1.0 lít để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của mẫu nước.
Trạm xử lý mẫu nước thực hiện quy trình lọc tự chảy ngay sau khi lấy mẫu, sử dụng giấy lọc do Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn và Môi trường cung cấp Sau đó, mẫu nước được gửi về Trung tâm để sấy và cân trọng lượng Mẫu nước đại biểu được thu thập từ thủy trực số VI.
Chế độquan trắc lưu lượng chất lơlửng
Theo quy định của "Quy phạm quan trắc lưu lượng chất lơ lửng vùng sông không ảnh hưởng triều" 94 TCN 13 - 96, trong năm đã tiến hành đo đạc tại 5 trạm, ghi nhận tổng cộng 27 số liệu lưu lượng chất lơ lửng.
Quan trắc lưu lượng chất lơlửng
Mẫu nước đại biểu hàng ngày và mẫu nước mặt ngang trạm lấy theo phương pháp tích phân b ng máy kiểu chai
Trong năm trạm đo lưu lượng chất lơ lửng, có 27 số liệu được thu thập Để tính toán lưu lượng chất lơ lửng, cần phân tích và lựa chọn một trong hai mẫu có hàm lượng chất lơ lửng phù hợp với toàn mặt ngang Từ đó, tính lưu lượng chất lơ lửng mặt ngang tương ứng và xây dựng mối quan hệ ρ = f(ρ') Bảng sai số của đường quan hệ r = f(r’) cho thấy sai số nằm trong phạm vi cho phép, đảm bảo tuân thủ các yêu cầu của quy phạm chuyên môn hiện hành.
Nhận xét chung về tình hình quan trắc các yếu tố tại trạm thủy văn Nậm
Mức độ đo lường tại trạm Nậm Mức đảm bảo tính chính xác và liên tục với các chỉ số như mưa, lưu lượng nước và lưu lượng chất lơ lửng Các điểm đo lưu lượng nước được phân bố đồng đều theo cấp mực nước và thời gian, cho phép xây dựng đường quan hệ Q = f(H) một cách chính xác Tương tự, các điểm đo lưu lượng chất lơ lửng cũng được phân bố đều trên các cấp độ đục và theo thời gian, đủ để tạo ra đường quan hệ ρ = f(ρ') chặt chẽ và tin cậy Nhờ đó, số liệu về lưu lượng và bùn cát tại đây hoàn toàn đáng tin cậy, phục vụ cho việc tính toán lưu lượng nước và bùn cát trong khu vực nghiên cứu bằng mô hình SWAT.
2.2.2 Tình hình s ố li ệ u, d ữ li ệ u cho th ờ i kì n ề n
1) Dữliệu không gian ü Bản đồDEM 30 tỉnh Điện Biên ü Bản đồhiện trạng sửdụng đất tỉnh Điện Biên ü Bản đồthổ nhưỡng tỉnh Điện Biên.
Thi ế t l ậ p tính toán dòng ch ả y và bùn cát khu v ự c nghiên c ứ u
Hình 2.4: Tiến trình mô phỏng SWAT
1) Chuẩn bịdữliệu đầu vào v D ữ li ệ u không gian ü Bản đồ DEM 30 (độ phân giải 30m/pixel) lưu vực sông Nậm Mức được tải từ trang web có đường dẫn http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/. ü Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Điện Biên năm 2015 có tỷ lệ 1:50.000 (nguồn Tổng cục Đođạc và bản đồ, Bộ Tài nguyên và Môi trường). ü Bản đồ thổ nhưỡng tỉnh Điện Biên năm 2015 có tỉ lệ 1:50.000 (nguồn Tổng cục Đo đạc và bản đồ, Bộ Tài nguyên và Môi trường). v D ữ li ệ u thu ộ c tính ü Dữ liệu mưa ngày: dữ liệumưa ngày trong giai đoạn 1961-2012 của 3 trạm: trạm Mường Tè, trạm Lai Châu, trạm Sìn Hồ và dữ liệu mưa ngày trong giai đoạn 1976-2016 trạm Nậm Mức, được cung cấp bởi Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thủy văn quốc gia Từdữ liệu mưa dưới dạng ma trận theo ngày tháng năm đưa dữ liệu mưa về dạng cột theo ngày theo đúng định dạng trong mô hình. ü Dữ liệu nhiệt độkhông khí lớn nhất (Tmax) và nhỏ nhất (Tmin) ngày trong giai đoạn 1961-2012 của 3 trạm: trạm Mường Tè, trạm Lai Châu, trạm Sìn
Dữ liệu nhiệt độ đo theo ngày với giá trị tối thiểu và tối đa được kế thừa từ đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán bồi lắng hệ thống hồ chứa bậc thang, áp dụng thí điểm cho sông Đà” do Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu thực hiện Bên cạnh đó, lưu lượng thực đo tại trạm Nậm Mức trong giai đoạn 1961-2012 cũng được lấy từ cùng đề tài nghiên cứu này.
Lưu lượng thực đo được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, nhằm xác định bộ thông số phù hợp cho khu vực nghiên cứu Dữ liệu lưu lượng bùn cát lơ lửng tại trạm Nậm Mức, từ năm 1993 đến 2012, được kế thừa từ đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán bồi lắng hệ thống hồ chứa bậc thang, áp dụng thí điểm cho sông Đà” Ngoài ra, số liệu mưa theo ngày cho hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 được thu thập cho ba giai đoạn: đầu thế kỷ (2016-2035), giữa thế kỷ (2046-2065), và cuối thế kỷ (2080-2099).
2099) của 4 trạm: trạm Nậm Mức, trạm Mường Tè, trạm Lai Châu, trạm Sìn
Hồ được tính toán dựa trên mô hình xây dựng cho kịch bản biến đổi khí hậu năm 2016 của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu Số liệu nhiệt độ theo ngày được thu thập từ hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cho ba giai đoạn: đầu thế kỷ (2016-2035), giữa thế kỷ (2046-2065), và cuối thế kỷ (2080-2099).
Năm 2099, số liệu từ ba trạm Mường Tè, Lai Châu và Sìn Hồ được tính toán dựa trên mô hình xây dựng cho kịch bản biến đổi khí hậu năm 2016 do Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu thực hiện.
Hình 2.5: Bản đồDEM khu vực nghiên cứu
Hình 2.6: Các trạm khí tƣợng Hình 2.7: Các trạm thủy văn
Mô hình SWAT sử dụng bản đồ số độ cao DEM để xác định dòng chảy và tự động mô phỏng mạng lưới sông suối Dựa vào mạng lưới này, SWAT phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực, mỗi tiểu lưu vực chỉ có một nhánh sông duy nhất Điểm đầu của tiểu lưu vực là thượng lưu của con sông, trong khi điểm kết thúc là nơi nhánh sông hợp lưu với nhánh sông khác.
Lưu vực nghiên cứu được chia thành các tiểu vực con dựa trên bản đồ DEM 30m*30m (Hình 2.8) Trên lưu vực sông Nậm Mức có 1 trạm đo mưa (trạm Nậm
Để tăng độ chính xác trong việc đo nhiệt độ, luận văn đã sử dụng thêm 3 trạm khí tượng ở 2 lưu vực lân cận, bao gồm trạm Lai Châu và Sìn Hồ.
Nậm Giàng và trạm Mường Tè nằm trên lưu vực Nà Hừ, trong khi trạm thủy văn Nậm Mức thuộc lưu vực Nậm Mức Sau khi phân chia lưu vực, khu vực nghiên cứu đã được chia thành 7 tiểu lưu vực.
Hình 2.8: Bản đồ phân chia ƣu vực thành các tiểu ƣu vực
4) Phân tích đơn vị thủy văn
Mỗi tiểu lưu vực trong khu vực nghiên cứu có thể được chia thành các đơn vị thủy văn (HRU - Hydrologic Response Unit) tương đồng về thuộc tính sử dụng đất và quản lý Đơn vị thủy văn không giống như một trường, mà là khu vực có đặc điểm tương đồng về sử dụng đất, đất và độ dốc Việc sử dụng đơn vị thủy văn giúp đơn giản hóa mô hình, với giả định không có sự tác động lẫn nhau giữa các đơn vị trong tiểu lưu vực Các quá trình như rửa trôi, bồi lắng, và di chuyển dinh dưỡng được tính toán độc lập cho mỗi đơn vị thủy văn, sau đó cộng dồn cho toàn bộ tiểu lưu vực Lợi ích của việc áp dụng đơn vị thủy văn là tăng độ chính xác trong dự báo các quá trình, với mỗi tiểu lưu vực thường có từ 1 đến 10 đơn vị thủy văn.
Hình 2.9: Bản đồthổ nhƣỡng Hình 2.10: Bản đồsửdụng đất
Khu vực nghiên cứu được chia thành 7 tiểu lưu vực với 32 đơn vị thủy văn, dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ thổ nhưỡng Sau khi phân tích các đơn vị thủy văn, mô hình SWAT sẽ tự động tính toán diện tích và tỷ lệ phần trăm diện tích của từng loại đất cũng như sử dụng đất.
Bảng 2.1: Diện tíchvà %của từng oại đấttrong khu vực nghiên cứu
1 Đất x m feralit Ferric Acrisols Acf 83.487 29,33
2 Đất phù sa chua Ferralsols acf 200.661 70,5
3 Đất mùn alittrên núi cao Humic Ferralsols frr 485 0,17
Bảng 2.2:Cácloại hình sửdụng đất trên ƣu vực nghiên cứu
Tên theo FAO hiệu Kí Diện tích
1 Đất trồng có tưới và đồng cỏ Irrigated cropland and pasture CRIR 549 0,19
2 Đất trồng/ đồng cỏ hỗn hợp Cropland/ grassland masaicc CRGR 24.945 8,76
4 Rừng rụng l hàng năm Deciduous broadleaf forest FODB 35.290 12,40
5 Rừng l rộng thường xanh Evergreen broadleaf forest FOEB 72.991 25,64
6 Rừng hỗn hợp Mixed forest FOMI 47.361 16,64
7 Đất nông nghiệp Agricultural Land-Row Crops AGRR 2.079 0,73
9 Đất trồng lúa Rice RICE 2.781 0,98
10 Đất rừng thường xanh Forest-Evergreen FRSE 5.115 1,80
11 Đất nông nghiệp chung Agricultural Land-Generic AGRL 578 0,20
5) Ghi chép bảng dữliệu đầu vào
Mục đích chính của quá trình này là nhập dữ liệu khí tượng và tạo các file dữ liệu đầu vào từ thông tin trên bản đồ và dữ liệu thời tiết đã được nhập trước đó Bước đầu tiên là nhập dữ liệu khí tượng.
Nhập dữ liệu về lượng mưa và nhiệt độ (Tmax, Tmin) theo ngày ở các trạm đo trong giai đoạn 1961 –2012.
Khai báo các kiểu dữliệu vềmặt đệm và địa hình.
Bước 2: Xuất từ các file đầu vào bao gồm các file vềdữ liệu khí tượng, mặt đệm, đia hình …
Một sốfile chính của dữliệu đầu vào như:
Bảng dữ liệu Hru chứa các tệp tin đầu vào quan trọng cho đơn vị thủy văn, bao gồm thông tin về đặc điểm địa hình, dòng chảy, xói mòn và độ che phủ đất.
Bảng dữ liệu Mgt là tệp quản lý lưu vực, cung cấp thông tin quan trọng cho các hoạt động như trồng trọt, thu hoạch, tưới tiêu, ứng dụng chất dinh dưỡng, sử dụng thuốc trừ sâu và các hoạt động canh tác khác.
- Trong bảng dữ liệu Sol: bao gồm tất cảcác thông tin vềtính chất vật lý của đất như tên đất, nhóm đất, độsâu của lớp đất
- Trong bảng dữliệu Wwq: các dữ liệu đầu vào vềchất lượng nước.
Trong bảng dữ liệu Sub, các đặc tính chung của tiểu lưu vực được thể hiện, bao gồm tổng số lưu vực con được phân chia, cao trình của mỗi lưu vực, tỷ trọng mưa và tỷ trọng nhiệt độ.
- Trong bảng Rte: Dữ liệu về kênh chính gồm c c thông tin như chiều rộng, chiều sâu, hệsốnhám của kênh chính …
- Trong bảng Rse: Dữliệu vềhồchứa
6) Chạy mô hình và đọc kết quả đầu ra
Sau khi cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào cho mô hình, quá trình chạy mô hình sẽ được thực hiện bằng cách xác định thời gian chạy và thiết lập các thông số khởi đầu cần thiết.
Các kết quả mô hình được lưu dưới dạng các file sau:
- File output.sub: File đầu ra của các tiểu lưu vực
- File output.hru: File đầu ra của đơn vịthủy văn
- File output.rch: File đầu ra của kênh chính
- File output.rsv: File đầu ra của hồchứa
ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘ NG C ỦA BĐKH ĐẾ N DÒNG CH Ả Y VÀ BÙN CÁT vào h ồ th ủy điệ n n ậ m m ứ c trên SÔNG N Ậ M M Ứ C
3.1 Tính toán dòng chảy và bùn cát thời kỳ nền 1986 - 2005
3.1.1 K ế t qu ả tính toán dòng ch ả y th ờ i k ỳ n ề n
Dựa vào chuỗi sốliệu thực đo lưu lượng từ năm 1961 – 2012 của trạm Nậm
Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mang tên “Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán bồi lắng hệ thống hồ chứa bậc thang” do Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu chủ trì đã tiến hành tính toán lưu lượng trung bình các tháng trong giai đoạn 1986-2005, áp dụng thí điểm cho sông Đà.
Kết quả tính to n được thểhiện trong Bảng 3.6
3.1.2 K ế t qu ả tính toán bùn cát th ờ i k ỳ n ề n
Dựa trên chuỗi số liệu bùn cát thực đo tại trạm thủy văn Nậm Mức từ năm 1993 đến 2012, cần xây dựng tương quan giữa lưu lượng thực đo và bùn cát thực đo để tính toán bùn cát cho thời kỳ nền Tương quan giữa hai yếu tố này rất chặt chẽ, cho phép sử dụng phương trình tương quan để kéo dài số liệu bùn cát Kết quả tính toán bùn cát cho thời kỳ nền (1986-2005) được trình bày trong Bảng 3.8.
3.2 Tính toán dòngchảy và bùn cát theo các kịch bản biến đổi khí hậu
3.2.1 Xây d ự ng k ị ch b ả n bi ến đổ i khí h ậu lượng mưa và n iệt độ
1) Kết quảtóm tắt kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu Chính phủ đã giao nhiệm vụ cho Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng và cập nhật các kịch bản liên quan đến biến đổi khí hậu và nước biển dâng, nhằm làm cơ sở cho các chính sách ứng phó hiệu quả.
Các bộ, ngành và địa phương đang tiến hành đánh giá các hoạt động, mức độ dễ bị tổn thương và rủi ro do biến đổi khí hậu, từ đó xác định các giải pháp ứng phó phù hợp nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực.
Trong luận văn, học viên đã áp dụng kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng mới nhất được công bố vào năm 2016 để tính toán tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy và bùn cát.
Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng năm 2016 được xây dựng dựa trên kịch bản năm 2012, với dữ liệu khí tượng thủy văn và mực nước biển của Việt Nam được cập nhật đến năm 2014 Phương pháp mới nhất từ Báo cáo đánh giá khí hậu lần thứ 5 của Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu, cùng với các mô hình khí hậu toàn cầu, khu vực và phương pháp thống kê, đã được áp dụng để tính toán chi tiết cho khu vực Việt Nam Hai yếu tố chính trong kịch bản này là nhiệt độ và lượng mưa, được tóm tắt rõ ràng để phục vụ cho công tác nghiên cứu và dự báo.
Nhiệt độ tại tất cả các vùng của Việt Nam đang có xu hướng tăng so với thời kỳ cơ sở (1986-2005), với mức tăng cao nhất ở khu vực phía Bắc Dự báo theo kịch bản RCP4.5, đến cuối thế kỷ 21, nhiệt độ ở phía Bắc sẽ tăng từ 1,9 đến 2,4 độ C và ở phía Nam từ 1,7 đến 1,9 độ C so với thời kỳ cơ sở Cả nhiệt độ thấp nhất trung bình và cao nhất trung bình đều có xu hướng gia tăng rõ rệt.
Lượng mưa hàng năm trên toàn quốc đang có xu hướng tăng so với thời kỳ cơ sở ở tất cả các kịch bản khí hậu Cụ thể, theo kịch bản RCP4.5, dự báo đến cuối thế kỷ 21, lượng mưa sẽ tăng từ 5 đến 15%, đặc biệt ở một số tỉnh ven biển Đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ.
Mùa khô tại Trung Bộ có thể chứng kiến lượng mưa giảm, trong khi lượng mưa tối đa trong một ngày có xu hướng tăng từ 10 đến 70% trên toàn lãnh thổ Việt Nam so với thời kỳ cơ sở.
2) Phương pháp tính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu
Phương ph p chi tiết hóa động lực được sử dụng đểtính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam
Năm mô hình khí hậu toàn cầu và khu vực được áp dụng trong tính toán.
Mỗi mô hình có c c phương n tính toán khác nhau dựa trên kết quảtừ mô hình toàn cầu (IPCC, 2013) (Bảng
Hình 3.1: Sơ đồchi tiết hóa động lực
Bảng 3.1:Các mô hình đƣợc sửdụng trong tính toán cập nhật KBBĐKH
TT Mô hình Trung tâm phát tri ể n Các phương án tính toán Độ phân gi ả i, mi ề n tính
1 clWRF C ộ ng tác c ủ a nhiều cơ quan:
NCAR, NCEP, FSL, AFWA, … 1) NorESM1-M 30 km, 3,5-27N và 97,5-116E
2 PRECIS Trung tâm Khí tượng Hadley -
3 CCAM T ổ ch ứ c Nghiên c ứ u Khoa h ọ c và Công nghi ệ p Liên bang Úc
4 RegCM Trung tâm qu ố c t ế v ề V ậ t lý lý thuy ế t
Vi ệ n Nghiên cứu Khí tượng
20 km, toàn c ầ u 19 v Mô hình CCAM
CCAM (Mô hình Khí quyển Cubic Đẳng hướng) là một mô hình khí quyển toàn cầu do CSIRO phát triển, có khả năng mô phỏng khí hậu trên nhiều quy mô, từ toàn cầu đến khu vực Mô hình này áp dụng phương pháp thủy tĩnh và phương pháp biến đổi để đạt được độ chính xác cao trong dự báo khí hậu.
Mô hình CCAM sử dụng phương pháp Lagrangian cho bình lưu ngang và nội suy bi-cubic, kết hợp với sơ đồ bức xạ GFDL từ phòng nghiên cứu động lực học chất lưu địa vật lý Hoa Kỳ Nó áp dụng sơ đồ mây Rotstayn, lớp biên hành tinh Monin-Obukhov, và mô hình đất 6 lớp, cùng với sơ đồ mây đối lưu thông lượng khối Đặc biệt, CCAM tăng cường vai trò của nhiệt độ mặt nước biển (SST) thông qua phương pháp tham số hóa đơn giản Mô hình này sử dụng lưới 3 chiều xen kẽ, với độ phân giải thô ở các khu vực xa trung tâm miền tính và mịn dần vào trung tâm, nơi có độ phân giải cao nhất (McGregor 1993, 1996, 2003, 2005a,b; McGregor và Dix 2001, 2008).
Mô hình PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts Studies) được phát triển bởi Trung tâm Hadley nhằm xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho các khu vực nhỏ Mô hình này có hai tùy chọn kích thước lưới là 50x50km và 25x25km Tại Việt Nam, phiên bản PRECIS 2.0 sử dụng mô hình RCM HadRM3P, đây là phiên bản cải tiến của mô hình khí quyển HadAM3P thuộc hệ thống khí quyển đại dương toàn cầu HadCM3.
RegCM (Mô hình Khí hậu Khu vực) là một mô hình khí hậu khu vực được phát triển bởi Trung tâm Quốc tế về Vật lý Lý thuyết, kết hợp giữa mô hình khí hậu toàn cầu (CCM) của NCAR và phiên bản 4 của mô hình quy mô vừa (MM4) Mô hình này có tính linh hoạt cao, cho phép ứng dụng trong nghiên cứu khí hậu cho nhiều khu vực khác nhau Qua nhiều lần cải tiến và bổ sung các sơ đồ tham số hóa vật lý, sơ đồ truyền bức xạ và vật lý bề mặt đất, RegCM hiện có khả năng mô phỏng và dự báo khí hậu hiệu quả.
The RegCM modeling system consists of four main components: Terrain, ICBC, RegCM, and PostProc Terrain and ICBC are part of the preprocessing phase, which involves data related to topography, land use, and sea surface conditions, as well as initial and boundary conditions RegCM can operate with boundary conditions derived from global climate models (GCMs) Input data for analysis includes Era40 and Era-Interim from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), NNRP1 and NNRP2 from the National Centre for Environmental Prediction (NCEP), JRA25 from the Japan Meteorological Agency (JMA), and weekly and monthly sea surface temperature averages from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).
Phiên bản RegCM4 đã được cải tiến với nhiều tính năng mới, bao gồm các sơ đồ tham số hóa như sơ đồ quá trình đất bề mặt CML, sơ đồ lớp biên hành tinh UW và sơ đồ biến trình SST Ngoài ra, một số sơ đồ như lớp biên Holtslag và sơ đồ chuyển đổi phát xạ cũng đã được thay đổi, cùng với việc giới thiệu các cấu hình mới linh hoạt và dễ áp dụng hơn với các trình biên dịch khác nhau Mô hình clWRF cũng được đề cập trong phiên bản này.