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


Theo đó, biến động trung bình lượng mưa một ngày lớn nhất mỗi lưu vực được
thể hiện bằng các hình hộp thể hiện phân vị. Nét ngang trong mỗi hộp tương
ứng với phân vị 50%, còn hình thoi tương ứng với giá trị trung bình. Phần râu
được kéo dài đến phạm vi 1,5 lần khoảng cách phân vị giữa phần trên và dưới
của hộp. Dấu (+) bên ngoài thể hiện các giá trị ngoại lệ.

Hình 3.4 Biến động trung bình lượng mưa 1 ngày lớn nhất trên một số lưu vực
chính so với thời kỳ nền
Kết quả sự biến động lượng mưa một ngày lớn nhất của các khu vực cho thấy:
Ngoại trừ trường hợp kịch bản RCP 4.5 mô phỏng giai đoạn 1 ứng với lượng
mưa 1 ngày lớn nhất vẫn có sự sai khác về tăng giảm lượng mưa lớn so với thời
kỳ nền, các mô hình nhìn chung đều cho kết quả lượng mưa lớn tăng trên các
lưu vực dù có sự sai khác rõ rệt về lượng giữa các mô hình. Mức độ chênh lệch
giữa các mô hình (xét trong phân vị 25% đến 75%) biến động từ 10% cho đến
50% (đặc biệt là lưu vực sông Srêpôk) thể hiện rõ tính bất định trong mô phỏng
mưa của mỗi mô hình GCM. Mặt khác, khá nhiều mô hình cho thấy sự thay đổi
giảm về lượng mưa trung bình 1 ngày lớn nhất ở các lưu vực Ba, Kôn, Srêpôk
và Cái Nha Trang cho dù xét về trung bình thì lượng mưa ở các lưu vực này có
sự gia tăng.

21


Tính toán lũ thiết kế khu vực Nam Trung Bộ có xét đến biến đổi khí
hậu

3.2

3.2.1

Tính toán lũ thiết kế cho khu vực vừa và nhỏ

Xây dựng bộ tiêu chí chung về phân vùng ở cho vùng Nam Trung Bộ dự kiến
chia thành 3 vùng khác nhau với các tiêu chí cụ thể như sau:
• Vùng 1: Lưu vực mà dòng chảy lũ thiết kế có khả năng tăng mạnh, đa số (2/3
số mô hình) các mô hình, Q> 10%, CV>0 so với thời kỳ cơ sở.
• Vùng 2: Lưu vực mà dòng chảy lũ thiết kế có khả năng tăng vừa, tương tự
như vùng 1 nhưng trung bình CV giảm, có trên 50% số mô hình thể hiện sự gia
tăng dòng chảy lũ, 0 • Vùng 3: Các vùng còn lại là các vùng không có nguy cơ gia tăng về dòng
chảy lũ thiết kế.
Bảng 3.1 Tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ
Nhóm

Số mô hình cho dòng
chảy lũ tăng/tổng số mô
hình

Sự thay đổi Qmax
trung bình các mô
hình GCM

Sự thay đổi hệ số
phân tán CV
trung bình

3 (Tăng nhiều)

> 2/3

>10%

>=0

> 2/3

>10%

<0

> 1/2

>0

>=0

2 (Tăng ít)
1 (Không thay đổi)

< 1/2

Từ tiêu chí phân loại vùng nguy cơ biến động dòng chảy lũ này, luận án xây
dựng bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ trong tương lai dựa trên sự biến
động lượng mưa một ngày lớn nhất cho 2 giai đoạn: 2040 – 2069 và 2070 –
2099.

22

Hình 3.19- Hình 3.20: Bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ thiết kế giai
đoạn 2040-2069 và 2070 – 2099
3.2.2

Tính toán lũ thiết kế cho lưu vực có diện tích lớn

Đối với các lưu vực có diện tích lớn không có số liệu dòng chảy thực đo, dòng
chảy lũ thiết kế thường được tính toán dựa trên công thức triết giảm từ lưu vực
tương tự.
Việc sử dụng mô hình bán phân bố (kết hợp mô hình NAM và Muskingum)
giúp cho việc mô phỏng dòng chảy thời đoạn ngày cho các lưu vực theo 11 mô
hình khí hậu toàn cầu khác nhau từ 2006 đến 2100. Từ chuỗi số liệu dòng chảy
ngày, chuỗi số liệu lưu lượng đỉnh lũ được xác định từ phương trình quan hệ
giữa lưu lượng đỉnh lũ và lưu lượng ngày lớn nhất đã được xây dựng ở trên.
Lưu lượng đỉnh lũ thiết sẽ được tính toán dựa trên chuỗi số liệu lưu lượng đỉnh
lũ này. Dựa vào tiêu chí phân vùng đề xuất, luận án có thể đánh giá được nguy
cơ gia tăng lưu lượng đỉnh lũ cho lưu vực nghiên cứu.
Nhìn chung, trung bình dòng chảy lũ lớn nhất hàng năm có xu thế tăng. Các mô
hình cũng cho xu thế thay đổi khác nhau cho từng lưu vực và từng giai đoạn.
Dựa trên bảng phân loại tiêu chí (bảng 3.1 ở mục 3.2.1), luận án phân vùng
nguy cơ biến động dòng chảy lũ dựa trên việc tính toán sự thay đổi dòng chảy
23


lũ tại một số lưu vực điển hình bằng mô hình bán phân bố, cụ thể bảng 3.5 và
3.6 dưới đây

Sơ đồ 4: Kết quả tính lũ thiết kế và phân vùng biến động dòng chảy lũ
Bảng 3.2 Đánh giá khả năng gia tăng dòng chảy lũ thiết kế một số lưu vực giai

đoạn 2040-2069
Lưu vực

Sự thay đổi
trung bình

Số mô hình cho xu thế
tăng/giảm tương tự

Trị số CV thay
đổi

Kết luận

Nông Sơn

+27%

21/22

+0,1%

Tăng nhiều

Thành Mỹ

+12%

16/22

+6%

Tăng nhiều

Bình Tường

-0,4%

12/22

-15%

Không thay đổi

Củng Sơn

+27%

18/22

+10%

Tăng nhiều

Bảng 3.3 Bảng đánh giá khả năng gia tăng dòng chảy lũ thiết kế một số lưu vực
giai đoạn 2070-2099
Lưu vực

Sự thay đổi
trung bình

Số mô hình cho xu thế
tăng/giảm tương tự

Trị số CV thay
đổi

Kết luận

Nông Sơn

+30%

22/22

+5%

Tăng nhiều

24


Thành Mỹ

+18%

17/22

+11%

Tăng nhiều

Bình Tường

+3,0%

12/22

-16%

Không thay đổi

Củng Sơn

+35%

16/22

+10,5%

Tăng nhiều

3.3

Ứng dụng bản đồ phân vùng biến động dòng chảy lũ vào tính toán
dòng chảy lũ thiết kế

Bản đồ phân vùng biến động dòng chảy cho các lưu vực vừa và nhỏ (hình 3.19
và 3.20) và cho các lưu vực lớn (bảng 3.5, bảng 3.6) mô tả khả năng thay đổi
dòng chảy lũ thiết kế trong tương lai dựa trên việc phân tích đánh giá biến động

dòng chảy lũ của 11 mô hình khí hậu toàn cầu kết hợp 2 kịch bản BĐKH
RCP4.5 và RCP8.5. Bản đồ và bảng được chia thành 3 nhóm chính là nhóm có
khả năng tăng nhiều (xấp xỉ 10%), tăng ít (xấp xỉ 5%) và không tăng (không
thay đổi so với thời kỳ nền).
3.4

Kết luận chƣơng 3

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 đã xây dựng
các bản đồ về biến động lượng mưa một ngày lớn nhất trong tương lai.Nhìn
chung khu vực Nam Trung Bộ đều có xu hướng tăng với mức tăng phổ biến từ
10-20%, trong khi giai đoạn 2070-2099, mức tăng phổ biến từ 20-30% theo cả
2 kịch bản RCP4.5 và RCP8.5.
Trên cơ sở kết quả lượng mưa một ngày max, luận án đánh giá sự thay đổi dòng
chảy lũ trong tương lai (cụ thể là lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmaxp) cho một số
lưu vực cụ thể được chia thành hai trường hợp: lưu vực có diện tích vừa và nhỏ,
lưu vực có diện tích lớn (>1000km2). Đối với lưu vực có diện tích vừa và nhỏ,
lưu lượng đỉnh lũ có thể được tính toán theo các công thức Cường độ giới hạn
hoặc Xokolopsky. Trường hợp lưu vực diện tích lớn thì sử dụng công thức triết
giảm tính toán theo lưu vực tương tự.

25