Luận văn Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến cực trị dòng chảy trên lưu vực sông Nhuệ đáy thuộc thành phố Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------ Nguyễn Ý Nhƣ NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN CỰC TRỊ DÒNG CHẢY TRÊN LƢU VỰC SÔNG NHUỆ ĐÁY THUỘC THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60 44 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn Hà Nội - 2011 2 LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Thanh Sơn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy, người đã đã hết lòng động viên, tận tình giúp đỡ và quan tâm tới từng bước nghiên cứu của học viên. Để thực hiện luận văn, tác giả đã được sự hỗ trợ về mặt tài chính của đề tài cấp Đại học Quốc gia mã số QGTD.10.06, cũng như sự giúp đỡ về thời gian, điều kiện nghiên cứu thuận lợi từ các thầy cô trong Bộ môn Thủy văn, các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong khoa và bè bạn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nguyễn Ý Nhƣ 3 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 5 DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................. 8 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11 Chƣơng 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 12 1.1 Tình hình nghiên cứu tài nguyên nƣớc trên thế giới liên quan tới biến đổi khí hậu .................................................................................................................. 12 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ................................................................ 15 1.3 Một số thảo luận ............................................................................................ 16 1.4 Điều kiện địa lý tự nhiên – kinh tế xã hội lƣu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc địa phận thành phố Hà Nội ................................................................................ 17 1.4.1 Điều kiện địa lý tự nhiên .......................................................................... 17 1.4.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội ......................................................................... 22 1.4.3 Hiện trạng tài nguyên nƣớc ...................................................................... 23 1.4.4 Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lƣu vực sông Nhuệ - Đáy .................. 24 Chƣơng 2 LỰA CHỌN KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHÍ HẬU – DÒNG CHẢY ....................................................................... 26 2.1 Kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực nghiên cứu .................................. 26 2.1.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu ......................................................... 26 2.1.2 Một số công cụ đƣợc sử dụng xây dựng kịch bản ................................... 27 2.1.3 Phƣơng pháp nội suy ................................................................................ 28 2.1.4 Hệ số chỉnh sai ......................................................................................... 29 4 2.2 Các mô hình khí hậu – dòng chảy ............................................................... 31 2.2.1 Giới thiệu một số mô hình khí hậu – dòng chảy ...................................... 31 2.2.2 Nhận xét và lựa chọn mô hình ................................................................. 37 2.3 Mô hình thủy văn cho lƣu vực nghiên cứu ................................................. 38 2.3.1 Cấu trúc của mô hình NAM ..................................................................... 38 2.3.2 Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến dòng chảy trong mô hình NAM .......... 40 2.3.3 Các thông số cơ bản của mô hình NAM .................................................. 43 2.3.4 Điều kiện ban đầu của mô hình ................................................................ 44 2.3.5 Hàm mục tiêu ........................................................................................... 44 Chƣơng 3 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG CỰC TRỊ DÒNG CHẢY DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ...................................................................................... 45 3.1 Cơ sở dữ liệu .................................................................................................. 45 3.1.1 Số liệu đầu vào mô hình NAM ................................................................ 45 3.1.2 Số liệu sử dụng đánh giá biến đổi ............................................................ 46 3.2 Áp dụng mô hình cho khu vực nghiên cứu ................................................. 48 3.2.1 Chỉ tiêu đánh giá hoạt động mô hình ....................................................... 49 3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mƣa dòng chảy NAM ........................ 50 3.3 Đánh giá biến động cực trị dòng chảy ......................................................... 52 3.3.1 Biến động các đặc trƣng dòng chảy lũ ..................................................... 52 3.3.2 Biến động các đặc trƣng dòng chảy kiệt .................................................. 65 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83 5 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Sơ đồ lƣu vực hệ thống sông Nhuệ - Đáy ................................................ 19 Hình 2. 1. Sơ đồ nội suy lƣỡng tuyến tính. ............................................................... 28 Hình 2. 2. So sánh mƣa, bốc hơi tháng nhiều năm quan trắc và nội suy từ mô hình RegCM3 .................................................................................................................... 30 Hình 2. 3. Cấu trúc của mô hình NAM ..................................................................... 39 Hình 3. 1. Lƣu vực cơ sở và mạng lƣới trạm trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy .............. 46 Hình 3. 2. So sánh độ lệch chuẩn của chuỗi quan trắc, RegCM và RegCM đã hiệu sai .............................................................................................................................. 47 Hình 3. 3a. Hiệu chỉnh mô hình NAM xây dựng cho tiểu lƣu vực ND1 - Ba Thá (1972-1974).. ............................................................................................................. 51 Hình 3. 3b. Kiểm định mô hình NAM xây dựng cho tiểu lƣu vực ND1 - Ba Thá (1976-1978).. ............................................................................................................. 51 Hình 3. 4. Diễn biến dòng chảy tháng trung bình nhiều năm trên các tiểu lƣu vực cho từng thời kỳ thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy ....................................................... 53 Hình 3. 5a. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản A1B và giai đoạn nền (1970 – 1999) ................................................................................. 54 Hình 3. 5b. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản A2 và giai đoạn nền (1970 – 1999) ................................................................................. 54 Hình 3. 6. Biến động theo không gian của các đặc trƣng dòng chảy lũ trên hệ thống lƣu vực sông Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B ............................................................. 56 Hình 3. 7. Đƣờng quá trình dòng chảy tháng cực đại tại các tiểu lƣu vực sông Nhuệ Đáy cho thời kỳ nền, kịch bản A1B và kịch bản A2................................................. 58 Hình 3. 8. Biến động dòng chảy ngày cực đại theo thập niên trên lƣu vực Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B ..................................................................................................... 59 6 Hình 3. 9a. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Giai đoạn nền .................. 61 Hình 3. 9b. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Kịch bản A1B .................. 61 Hình 3. 9c. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Kịch bản A2 .................... 61 Hình 3. 10. Thay đổi cƣờng độ dòng chảy ứng với các tần suất khác nhau trên 5 tiểu lƣu vực cho 2 kịch bản A1B và A2 ........................................................................... 64 Hình 3. 11. Biến động dòng chảy kiệt theo không gian kịch bản A1B trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy thuộc địa phân thành phố Hà Nội. ................................................... 67 Hình 3. 12. Biến động dòng chảy kiệt trên các tiểu vùng thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B qua từng thập niên và từng thời kỳ ..................................... 68 Hình 3. 13a. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo các điều kiện khí hậu khác nhau tại lƣu vực ND1 ....................................................................................... 70 Hình 3. 13b. Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy tháng theo điều kiện khí hậu giai đoạn nền cho từng tiểu lƣu vực ................................................................................. 70 Hình 3. 14a. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Giai đoạn nền .................. 74 Hình 3. 14b. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Kịch bản A1B .................. 74 Hình 3. 14c. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của dòng chảy tháng kiệt nhất – lƣu vực ND1 – Kịch bản A2 .................... 74 Hình 3. 15a. Dòng chảy kiệt và đặc trƣng khô hạn năm 1977 .................................. 76 Hình 3. 15b. Dòng chảy kiệt và đặc trƣng khô hạn năm 2040 .................................. 76 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1. Trạm đo mƣa và trọng số theo phƣơng pháp đa giác Thiessen đƣợc sử dụng để tính toán dòng chảy cho các tiểu lƣu vực thuộc lƣu vực Nhuệ Đáy ........... 48 Bảng 3. 2. Mức độ mô phỏng của mô hình tƣơng ứng với chỉ số Nash ................... 49 Bảng 3. 3. Bộ thông số tối ƣu cho lƣu vực sông Nhuệ Đáy...................................... 52 Bảng 3. 4. Thay đổi của một số đặc trƣng dòng chảy lũ của lƣu vực ND1 .............. 55 Bảng 3. 5. Phân bố tần suất dòng chảy 3 ngày lớn nhất ........................................... 63 Bảng 3. 6. Thay đổi cƣờng độ vƣợt quá của Qx ....................................................... 72 Bảng 3. 7. Tần suất dòng chảy tháng kiệt nhất ......................................................... 75 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT A1B, A2 Các kịch bản phát thải khí nhà kính IPCC ANN Artificial Neural Network (Mạng thần kinh nhân tạo) AQUASIM A Computer Program for the Identification and Simulation of Aquatic Systems (Phần mềm sinh thái) BĐKH Biến đổi khi hậu BOD Biochemical oxygen demand (Nhu cầu oxy sinh hóa) COD Chemical oxygen demand (Nhu cầu oxy hóa học) DEM Digital Elevation Model (Mô hình độ cao số hóa) DHI Danish Hydraulic Institute (Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch) ECHAM European Centre Hamburg Model (Mô hình khí hậu toàn cầu của Trung tâm châu Âu tại Hamburg) ESRI Environmental Systems Research Institute (Viện nghiên cứu hệ thống môi trƣờng) FDC Flow duration curve (Đƣờng cong thời khoảng dòng chảy) GCM Global Climate Model (Mô hình khí hậu toàn cầu) HBV Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning (Mô hình cân bằng nƣớc thủy văn) HEC-HMS Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modelling System (Hệ thống mô hình hóa thủy văn trung tâm kỹ thuật thủy văn) HIRLAM High Resolution Limited Area Model (Mô hình khu vực hạn chế độ phân giải cao) Hydro-BEAM Hydrological River Basin Environment Assessment Model (Mô hình đánh giá môi trƣờng lƣu vực sông) 9 IHMS Integrated Hydrological Modelling System hệ thống mô hình thủy văn kết hợp IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu) KNK Khí nhà kính KT – XH Kinh tế - Xã hội MIKE – SHE Système Hydrologique Européen (Mô hình hệ thống thủy văn Châu Âu) NAM Nedbør - Afstrømnings – Models (Mô hình mƣa – dòng chảy) NASIM Niederschlag – Abfluss Simulation Model (Mô hình tính mƣa – dòng chảy ND1 – ND5 Tiểu lƣu vực thuộc Lƣu vực sông Nhuệ - Đáy ND Nhuệ - Đáy NNK những ngƣời khác (chỉ các đồng tác giả của một công trình, bài báo …) NSE Nash–Sutcliffe efficiency (hệ số Nash–Sutcliffe) NWSRFS National Weather Service River Forecasting System (Hệ thống dự báo thời tiết quốc gia) OPYC Ocean General Circulation Model (Mô hình hoàn lƣu chung đại dƣơng) QUAL2E Enhanced Stream Water Quality Models (Mô hình chất lƣợng nƣớc) RegCM REGional Climate Model (Mô hình khí hậu khu vực của ICTP) SAC – SMA Sacramento Soil Moisture Accounting (Mô hình tính toán hàm lƣợng ẩm đất) SCS Soil Conservation Service (Phƣơng pháp bảo tồn đất) SWAT Soil and Water Assessment Tool 10 KH KTTV& MT Khoa học Khi tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng WHO World Health Organization 11 MỞ ĐẦU Lƣu vực sông Nhuệ - sông Đáy không phải là một lƣu vực lớn, nhƣng có vị trí địa lý đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của cả nƣớc nói chung, của vùng đồng bằng sông Hồng nói riêng. Sông Nhuệ và sông Đáy là hai con sông cung cấp nguồn nƣớc ngọt quan trọng cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dân sinh cho cộng đồng dân cƣ, đang chịu áp lực mạnh mẽ của sự gia tăng dân số, quá trình đô thị hoá, cũng nhƣ các hoạt động kinh tế xã hội (KT – XH) diễn ra trên lƣu vực. Trƣớc những yêu cầu lớn đặt ra với nguồn nƣớc của lƣu vực này để đáp ứng nhu cầu sử dụng nƣớc ngày càng cao về số lƣợng do sự phát triển dân sinh KT - XH cũng nhƣ đòi hỏi nguồn nƣớc để duy trì hệ sinh thái, hạn chế ô nhiễm nguồn nƣớc, trong xu thế tài nguyên nƣớc đang suy giảm cả về chất và lƣợng, dƣới tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con ngƣời và cả tác động của biến đổi khí hậu. Đối với lƣu vực vấn đề đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến các cực trị dòng chảy trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy thuộc địa bàn thành phố Hà Nội nhằm tạo tiền đề cho việc xây dựng các giải pháp giảm thiểu những tác hại do biến đổi khí hậu, giúp các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách xác định chiến lƣợc phát triển kinh tế bền vững và đảm bảo an sinh xã hội là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận văn đƣợc bố cục thành 3 chƣơng, ngoài mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu và mô hình mô phỏng khí hậu – dòng chảy Chƣơng 3. Đánh giá biến động của dòng chảy cực đoan dƣới tác động của biến đổi khí hậu 12 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÀI NGUYÊN NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI LIÊN QUAN TỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Vấn đề biến đổi khí hậu (BĐKH) đã đƣợc Svante Arrhenius, một nhà khoa học ngƣời Thủy Điển, đề cập đến lần đầu tiên năm 1896, cho rằng sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ dẫn đến khả năng cao hiện tƣợng nóng lên toàn cầu. Nghiên cứu về vấn đề này bị gián đoạn do vào thời điểm đó ảnh hƣởng của con ngƣời là không đáng kể so với yếu tố thiên nhiên. Đến cuối thập niên 1980, khi nhiệt độ bắt đầu tăng lên nhanh thì hiện tƣợng nóng lên toàn cầu lại đƣợc chú ý đến. Lý thuyết về hiệu ứng nhà kính ra đời và Tổ chức Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu của Liên Hiệp quốc (IPCC) đã đƣợc thành lập qua Chƣơng trình Môi trƣờng Liên Hiệp quốc và Tổ chức Khí tƣợng thế giới. Năm 1990, các nghiên cứu về biến đổi khí hậu của IPCC đƣợc công bố, bao gồm hiện tƣợng nóng lên toàn cầu, khí nhà kính, hiệu ứng nhà kính, nƣớc biển dâng, các tác nhân khí hậu, lịch sử thay đổi của khí hậu Trái Đất và trở thành một cơ sở khoa học khi nghiên cứu về vấn đề này. Dựa trên việc mở rộng, cải thiện khối lƣợng lớn dữ liệu quan trắc và phân tích có độ tin cậy cao, IPCC đã đƣa ra những bằng chứng mạnh mẽ rằng hiện tƣợng nóng lên toàn cầu quan trắc thấy trong 50 năm qua là do các hoạt động của con ngƣời. Đồng thời, sự hợp nhất cả nhân tố tự nhiên và con ngƣời trong kết quả quan trắc và tính toán mô hình trong 140 năm Những thay đổi trong khí hậu khu vực cho thấy tác động đến hệ thống sinh thái, vật lý và có dấu hiệu về tác động của nó đối với hệ thống kinh tế, xã hội. Xu hƣớng tăng nhiệt độ đã tác động đến hệ thống tài nguyên nƣớc và các hệ sinh thái ven biển, trong lục địa ở nhiều nơi trên thế giới, dẫn tới chi phí kinh tế xã hội tăng lên do biến đổi khí hậu khu vực và thời tiết nguy hiểm tăng lên [30]. Biến đổi khí hậu có khả năng ảnh hƣởng đến rất nhiều lĩnh vực trong đó có tài nguyên nƣớc. Trong khoảng 10 – 15 năm qua đã có nhiều nhà thủy văn trên thế 13 giới nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đối với tài nguyên nƣớc. Trong những nghiên cứu này vận dụng nhiều cách tiếp cận các mô hình khác nhau. Dù là theo cách tiếp cận nào thì mục tiêu chính của các hoạt động nghiên cứu tài nguyên nƣớc liên quan đến biến đổi khí hậu là nhằm đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với tài nguyên nƣớc. Liên quan tới bài toán biến đổi khí hậu, nhiều nghiên cứu đã kết hợp mô hình khí hậu toàn cầu với các mô hình thủy văn quy mô lớn. Feddes & nnk (1989) [23] đã đề cập đến khả năng sử dụng mô hình khí quyển – cây trồng – nƣớc – đất 1 chiều nhƣ một cơ sở cho việc thông số hóa trong các mô hình thủy văn. Với cách tiếp cận này, mô hình thủy văn đƣợc xây dựng có thể phù hợp với quy mô lƣới của mô hình khí hậu toàn cầu (30x30km), khác một cách cơ bản so với quy mô lƣới đƣợc sử dụng trong đa số các mô hình thủy văn hiện tại. Nó cho phép thể hiện quá trình tƣơng tác giữa khí tƣợng và thủy văn, dẫn tới kết quả tính toán các đặc trƣng khí hậu và thủy văn đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, để thực hiện bài toán hiệu chỉnh và các thông số là những hàm chƣa biết của khí hậu, đất, thực vật, địa lý, sử dụng đất và địa mạo nên khối lƣợng dữ liệu đƣợc yêu cầu là rất lớn. Hƣớng tiếp cận này không thể thực hiện cho các lƣu vực quy mô nhỏ vì độ phân giải lƣới thô. Vì thế, các mô hình thủy văn qui mô dƣới lƣới vẫn cần thiết để giải quyết bài toán biến đổi khí hậu liên quan đến các hiện tƣợng thủy văn trên quy mô nhỏ. Một số nghiên cứu thông qua phân tích sự biến đổi trong thời gian dài của số liệu thủy văn và khí tƣợng quan trắc để đánh giá tác động biến đổi khí hậu. Labat D. & nnk (2004) [21], tập trung vào tác động của biến đổi khí hậu lên vòng tuần hoàn thủy văn trên quy mô toàn cầu, dựa trên dữ liệu quan trắc chứng minh mối liên kết giữa hiện tƣợng ấm lên và sự gia tăng của vòng tuần hoàn thủy văn trên toàn cầu. Trên cơ sở đó, ông đƣa ra những kết luận cho thấy dòng chảy toàn cầu có xu hƣớng tăng mạnh trong 75 năm qua với bƣớc thời gian thay đổi là 15 năm. Để giải quyết bài toán này, phải giải quyết nhiều vấn đề nảy sinh khi sử dụng chuỗi dữ liệu toàn cầu nhƣ sự không đồng bộ trong độ dài chuỗi dữ liệu, hay thiếu số liệu. Mặc dù đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về xu hƣớng biến đổi dòng chảy toàn cầu, dòng 14 chảy tăng 4% với 1oC tăng lên của nhiệt độ; thực tế phần lớn các nghiên cứu theo hƣớng này lại đƣợc thực hiện trên quy mô khu vực, vì thế vấn đề cần chuỗi số liệu dài và tƣơng đối đầy đủ là bức thiết. Hƣớng nghiên cứu chuỗi lịch sử đƣợc thực hiện ở hầu hết các nghiên cứu. Những thay đổi nhiệt độ không khí trung bình đƣợc bổ sung bằng cách tăng những lƣợng cụ thể vào chuỗi nhiệt độ lịch sử và thay đổi lƣợng mƣa bằng phép toán tích với hệ số xác định. Hƣớng ti