Ứng dụng mô hình Mike NAM đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực Kon Plong

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE NAM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG

CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC KON PLONG

Nguyễn Đình Hoàng

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu

Ngày nhận bài 5/7/2019; ngày chuyển phản biện 6/7/2019; ngày chấp nhận đăng 5/9/2019

Tóm tắt: Nghiên cứu này sử dụng mô hình MIKE NAM đã được thiết lập và lựa chọn bộ thông số tối ưu để

đánh giá sự thay đổi tài nguyên nước mặt cho lưu vực Kon Plong. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với kịch bản

RCP8.5, tổng lượng nước năm trong giai đoạn 2016-2035 tăng 10,2%, giai đoạn 2046-2065 tăng 6,4% và

giai đoạn 2080-2099 tăng 8,2%. Đối với kịch bản RCP4.5, xu thế biến đổi của tổng lượng nước năm là không

rõ rệt. Kết quả nghiên cứu có thể được xem là cơ sở khoa học quan trọng đối với việc dự báo tài nguyên nước

cho lưu vực sông và lập quy hoạch khai thác trong tương lai.

Từ khóa: Mô hình MIKE NAM, bộ thông số, tổng lượng nước, kịch bản RCP.

1. Mở đầu

Dưới tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH)

đang diễn ra trên phạm vi toàn cầu, các hiện

tượng thiên tai như bão và lũ, hạn hán ngày càng

diễn biến phức tạp hơn. Từ xa xưa, con người

đã phải sống chung và thích ứng với nó. Hiện

tượng tự nhiên này thường đe dọa ꢀnh mạng,

ảnh hưởng đến đời sống con người và sự phát

triển kinh tế - xã hội trong vùng. Hạn hán đã để

lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng, hàng nghìn

hộ dân bị ảnh hưởng bởi thiếu nước, nước cung

cấp cho các hoạt động tưới ꢁêu trồng trọt cũng

bị ảnh hưởng mạnh mẽ. Do vậy, việc ꢀnh toán

và dự ꢀnh tài nguyên nước là công việc được

ưu ꢁên hàng đầu của các khu vực bị ảnh hưởng

bởi hạn hán.

Hiện nay, nhiều mô hình thủy văn đã được

ứng dụng để tính toán, dự báo tài nguyên

nước như: Mô hình Tank, HEC-HMS, MIKE

NAM cho các lưu vực sông ở nước ta. Điển

Hình 1. Bản đồ lưu vực Kon Plong

hình là mô hình MIKE NAM đã được sử dụng

2. Số liệu và phương pháp nghiên cứu

khá phổ biến và đem lại kết quả tốt, qua đó

trong nghiên cứu này sử dụng mô hình MIKE

NAM tính toán và dự tính tài nguyên nước

cho lưu vực sông Kon Plong theo các kịch bản

biến đổi khí hậu.

2.1. Tổng quan khu vực nghiên cứu và ꢀnh hình

số liệu

Sông Đăk BLa là nhánh trái của sông Sê San có

diện ꢀch lưu vực 3.507km², bắt nguồn từ dãy núi

Ngọc Cơ Rinh cao 2.025m, phía Bắc giáp với hệ

thống sông Thu Bồn, phía Đông giáp với hệ thống

Liên hệ tác giả: Nguyễn Đình Hoàng

Email: nguyenhoang54nk@gmail.com

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

60

sông Ba, phía Nam là hạ lưu sông Sê San. Sông Đắk

Bla chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam và hợp

với sông Sê San cách Ya Ly 16km về phía hạ lưu.

Từ phần trung lưu đến chỗ hợp lưu với Prông Pôkô

sông chảy trên cao nguyên cổ Kon Tum với độ dốc

khoảng 1,3%, lòng sông uốn khúc, nhiều ghềnh,

thung lũng có nhiều lòng cũ và bãi bồi, mang nét

điển hình của sông đồng bằng. Tốc độ chảy trung

bình của sông vào khoảng 0,2-0,5m/s với độ rộng

lòng sông thay đổi từ 15-20m trong mùa kiệt và

1,5-3m/s với độ rộng lòng sông thay đổi từ

100-200m trong mùa lũ, với những năm lũ lớn mặt

nước rộng đến trên 400m. Khu vực nghiên cứu

thuộc 1 nhánh nhỏ của sông Đak BLa chảy qua địa

phận huyện Kon Plong. Trạm thủy văn Kon Plong

thuộc xã Tân Lập, huyện Kon Plong, tỉnh Kon Tum

và có tọa độ 14^o28’ vĩ độ Bắc, 108^o12’ kinh độ

Đông. Lưu vực sông Kon Plong khống chế tại trạm

Konplong có tổng diện ꢀch lưu vực là 943km².

Các số liệu lượng mưa, bốc hơi và lưu lượng

trung bình ngày từ 8/11/2007 đến 17/11/2007

và 28/9/2009 đến 6/10/2009 tại trạm thủy văn

Kon Plong dùng để kiểm định và hiệu chỉnh mô

hình được lấy từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm: (1) Hiệu

chỉnh và kiểm nghiệm mô hình MIKE NAM; (2) Tính

toán tần suất và năm đại diện; (3) Lựa chọn các

kịch bản biến đổi khí hậu; (4) Tính toán thay đổi

tài nguyên nước so theo các kịch bản so với hiện

trạng.

phỏng quá trình mưa - dòng chảy diễn ra trên

lưu vực. Trong bộ phần mềm thương mại MIKE

11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và

phát triển, mô hình NAM là một modun ꢀnh

mưa từ dòng chảy.

Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa -

dòng chảy một cách liên tục thông qua việc ꢀnh

toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng,

có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các ꢀnh

chất vật lý của lưu vực (Hình 2).

Các bể chứa của mô hình bao gồm: Bể tuyết

(chỉ áp dụng cho vùng có tuyết), bể mặt, bể sát

mặt hay bể tầng rễ cây, bể ngầm. Dữ liệu đầu vào

của mô hình là mưa, bốc hơi ꢁềm năng và nhiệt

độ. Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy

trên lưu vực, mực nước ngầm, và các thông ꢁn

khác trong chu trình thủy văn, như sự thay đổi

tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung

nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một

cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy

sát mặt, dòng chảy ngầm.

Yêu cầu dữ liệu yêu cầu đầu vào cho mô hình

MIKE NAM bao gồm: Các tham số mô hình, các

điều kiện ban đầu, các số liệu khí tượng, các

số liệu thủy văn về dòng chảy đề hiệu chỉnh và

kiểm nghiệm mô hình.

Cấu trúc mô hình MIKE NAM được xây dựng

dựa trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều

thẳng đứng và các hồ chứa tuyến ꢀnh, gồm 5 bể

chứa theo hình thẳng đứng.

Mô hình MIKE NAM đơn bao gồm 9 thông số

cần được hiệu chỉnh (Bảng 1).

2.2. Mô hình MIKE NAM

Mô hình NAM là mô hình thủy văn mô

Hình 2. Cấu trúc mô hình MIKE NAM

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

61

Bảng 1. Các thông số cần hiệu chỉnh trong mô hình MIKE NAM

Thông số mô hình Đơn vị

Mô tả

Lmax

Umax

CQOF

TOF

mm

_

Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lượng ẩm tối

đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước.

Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước

để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài cm của bề mặt của đất.

Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa

hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.

Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ được

hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.

TIF

Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ được

hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.

TG

Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TOF ≤ 1).

Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm

tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG.

CKIF

Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dòng

chảy sát mặt. Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12.

CK1,2

Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sắt mặt. Dòng chảy mặt và

dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến ꢀnh theo chuỗi với

cùng một hằng số thời gian CK12.

CKBF

Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bề chứa ngầm được diễn

toán bằng mô hình bể chứa tuyến ꢀnh với hằng số thời gian CKBF.

3. Kết quả và thảo luận

8/11/2007 đến 17/11/2007 được sử dụng cho

hiệu chỉnh bộ thông số lưu vực.

3.1. Hiệu chỉnh bộ thông số lưu vực

Thông qua quá trình hiệu chỉnh (8/7/2007-

17/11/2007) thu được kết quả tối ưu cho bộ

thông số mô hình MIKE NAM của lưu vực Kon

Plong và trình bày trong Bảng 2. Kết quả hiệu

chỉnh mô hình MIKE NAM cho trận lũ tháng

11/2007 trình bày trong Hình 3.

Quá trình ꢀnh toán hiệu chỉnh mô hình

MIKE NAM được thực hiện với chuỗi số liệu

năm 2007. Bộ thông số mô hình MIKE NAM thu

được sau khi hiệu chỉnh mô hình được sử dụng

cho quá trình kiểm nghiệm. Số liệu giờ từ ngày

Bảng 2. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số tối ưu của lưu vực

Umax (mm) Lmax (mm)

0,11 0,1

3.2. Kiểm nghiệm bộ thông số

CQOF

CK1,2

CKIF

TOF

TIF

TG

CKBF

0,613

17

373,1

0,351

0,551

0,799

1193

số liệu thực đo và kết quả ꢀnh toán thu được

từ quá trình hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy

tương quan khá tốt với hệ số Nash - Sutcliﬀe

lần lượt là 0,975 và 0,986 (Bảng 3). Kết quả này

tương đối tốt đối với một lưu vực nhỏ như lưu

vực Kon Plong. Đỉnh lũ ꢀnh toán và thực đo

tương đối phù hợp.

Số liệu giờ từ ngày 28/9/2009 đến 7/10/2009

sử dụng cho kiểm nghiệm mô hình. Kết quả kiểm

định mô hình NAM cho trận lũ tháng 10/2009

được trình bày trong Hình 4.

Với bộ thông số trong Bảng 2, phân ꢀch

Bảng 3. Kết quả chỉ số Nash-Sutcliﬀe

Lưu vực

Chỉ số Nash-Sutcliﬀe

Konplong

Hiệu chỉnh (2007)

0,975

Kiểm định (2009)

0,986

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

62

Hình 3. So sánh giữa kết quả ꢀnh toán và số liệu thực đo, trạm Kon Plong

(giai đoạn 8/7/2007-17/11/2007)

Hình 4. So sánh giữa kết quả ꢀnh toán và số liệu thực đo, trạm Kon Plong

(giai đoạn 28/9/2009-7/10/2009)

3.3. Đánh giá tác động biến đổi khí hậu

tâm Tư liệu Khí tượng thủy văn.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp ꢀnh

đường tần suất, thu được đường tần suất lý

luận (Hình 5) và giá trị tần suất P% (Bảng 4).

Để chọn ra được năm điển hình, sử dụng số

liệu lượng mưa tại trạm Kon Plong từ năm 1986

đến năm 2002, số liệu được thu thập từ Trung

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

63

Hình 5. Đường tần suất lượng mưa X - Trạm Kon Plong

Bảng 4. Giá trị tần suất ứng với từng năm lưu vực Kon Plong

Thứ tự

1

Thời gian

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Lượng mưa X (mm )

581

Tần suất P(%)

Thứ hạng

96

91

41

68

64

82

86

73

28

45

36

5

21

20

9

2

581

3

1449

1075

1131

841

4

15

14

18

19

16

6

5

6

7

714

8

1020

1583

1395

1509

2269

945

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

10

8

1

77

55

18

23

14

50

32

59

9

17

12

4

1293

1623

1609

1758

1352

1549

1286

1940

5

3

11

7

13

2

Dựa vào kịch bản BĐKH được Bộ TNMT công

bố năm 2016, có thể đánh giá tác động của

BĐKH đến tài nguyên nước lưu vực sông Kon

Plong theo các kịch bản. Trong kịch bản BĐKH

năm 2016 đưa ra 2 kịch bản thay đổi nhiệt độ

và lượng mưa khu vực tỉnh Kon Tum (kịch bản

RCP4.5 và kịch bản RCP8.5), bao gồm sự thay

đổi của 3 thời kỳ: Đầu thế kỷ (2016-2035), giữa

thế kỷ (2046-2065) và cuối thế kỷ (2080-2099)

(Bảng 5).

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

64

Bảng 5. Biến đổi lượng mưa năm so với thời kỳ cơ sở

Kịch bản

Năm

RCP4.5

RCP8.5

2016-2035

2046-2065

2080-2099

2016-2035

2046-2065

2080-2099

KonTum

↑ 7,2%

↑ 12%

↑ 14,1%

↑ 8,1%

↑ 12,5%

↑ 16,2%

(Nguồn: Kịch bản BĐKH và NBD, Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2016)

Xác định lượng mưa của khu vực Kon Plong năm

2002 (P%= 50) là năm điển hình thu phóng theo các

kịch bản của biến đổi khí hậu làm đầu vào cho mô

hình MIKE NAM để ꢀnh toán, dự ꢀnh tài nguyên

nước theo từng thời kỳ của biến đổi khí hậu.

Tính toán cho từng thời kỳ KBBĐKH từ mô hình

MIKE NAM đã được tối ưu bộ thông số, thu được

chuỗi dòng chảy tương ứng trong từng thời kỳ. Kết

quả ꢀnh toán dòng chảy và tổng lượng dòng chảy

được trình bày trong Bảng 6.

Bảng 5. Biến đổi lượng mưa năm so với thời kỳ cơ sở

Kịch bản

Năm

RCP4.5

2046-2065

↑ 12%

RCP8.5

2046-2065

↑ 12,5%

2016-2035

2080-2099

2016-2035

2080-2099

KonTum

↑ 7,2%

↑ 14,1%

↑ 8,1%

↑ 16,2%

Hình 6. So sánh tổng lượng nước của từng thời kì BĐKH với năm cơ sở

Từ kết quả ꢀnh toán, có thể đưa ra một số

nhận xét sau:

sức đáng kể. Tuy nhiên, đây mới chỉ là nhận

xét ban đầu dựa trên các kết quả tính toán

thu phóng từ số liệu năm 2002.

Tổng lượng nước theo từng thời kỳ ứng

với kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 có sự thay đổi

không đáng kể so với kịch bản hiện trạng 2002.

Đối với kịch bản RCP4.5, tổng lượng nước có

xu thế tăng lên theo từng thời kỳ so với năm

2002: Từ năm 2016-2035 tăng 10,1%; từ năm

2046-2065 tăng 17,3% và từ năm 2080-2099

giảm 22,1%. Đối với kịch bản RCP8.5 xu thế

tăng tổng lượng nước tương ứng là: Từ năm

2016-2035 tăng 13,0%, từ năm 2046-2065 tăng

19,4% và từ năm 2080-2099 tăng 25%.

4. Kết luận

Mô hình MIKE NAM là mô hình mô phỏng

quá trình mưa - dòng chảy dựa trên các công

thức tính toán thủy văn, mô hình đã và đang

được sử dụng rộng rãi trong dự báo lũ, tính

toán tài nguyên nước, cân bằng nước.

Mô hình MIKE NAM được thiết lập và đã

được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm với kết quả

hiệu chỉnh và kiểm nghiệm cho kết quả rất

tốt. Kết quả nghiên cứu cho thấy, BĐKH đã

làm thay đổi tổng lượng nước năm tại khu vực

Có thể nhận thấy, ảnh hưởng của BĐKH

đến tài nguyên nước lưu vực Kon Plong là hết

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

65

sông Kon Ploong, với kịch bản RCP8.5, tổng

lượng nước năm trong giai đoạn 2016-2035

tăng 13,0%, giai đoạn 2046-2065 tăng 19,4%

và giai đoạn 2080-2099 tăng 25%. Đối với kịch

bản RCP4.5, xu thế biến đổi của tổng lượng

nước năm có xu thế tăng lên từ đầu thời kỳ

đên cuối thời kỳ, cụ thể: Giai đoạn 2016-2035

tăng 10,8%, giai đoạn 2046-2065 tăng 17,3%

và giai đoạn từ 2080-2099 tăng 22%. Kết quả

nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng đối

với việc dự báo tài nguyên nước cho lưu vực

sông trong tương lai.

Bộ mô hình MIKE NAM đã được hiệu chỉnh

và kiểm nghiệm có thể áp dụng trong các bài

toán khác nhau phục vụ công tác dự báo và quy

hoạch tài nguyên nước trên lưu vực sông Kon

Plong. Kết quả nghiên cứu về sự thay đổi của

tài nguyên nước cho khu vực là cơ sở khoa học

quan trọng trong quy hoạch, khai thác và bảo

vệ tài nguyên nước tại khu vực.

Tài liệu tham khảo

1. Đặng Đình Đoan, Ngô Anh Quân, Nguyễn Hoàng Sơn, Nguyễn Ngọc Thế (2015), Nghiên cứu xây

dựng bản đồ ngập lụt vùng hạ lưu sông Đắk Bla, Báo Khoa học - Công nghệ.

2. Lê Thị Thanh Quỳnh (2017), Xây dựng bản đồ ngập lụt khu vực sông Sê San, Luận văn thạc sĩ Đại

học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

3. Huỳnh Thị Lan Hương, Trần Thục (2013), Ứng dụng mô hình mưa dòng chảy có thông số dựa trên

cơ sở vật lý của hiện tượng thủy văn ꢀnh toán dòng chảy lưu vực sông Sê San, Tuyển tập báo cáo

hội thảo khoa học lần thứ 8, tập II.

4. Vũ Văn Tuấn, Phạm Thị Hương Lan (2013), Ứng dụng mô hình toán để đánh giá ảnh hưởng của

rừng tới một số đặc trung thủy văn trong lưu vực nhỏ, Tuyển tập Báo cáo hội thảo khoa học lần thứ

8, tập II.

5. Nguyễn Phương Nam (2013), Ứng dụng mô hình thủy văn MIKE NAM dự báo dòng chảy lũ về hồ

chứa thủy điện Krông Hnăng, Luận văn thạc sĩ Kỹ Thuật, Trường Đại học Đà Nẵng.

6. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2016), Kịch bản Biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

7. Trung tâm Điều tra và Quy hoạch Tài nguyên nước, Hiện trạng quan trắc tài nguyên nước mặn

trên địa bàn 2 tỉnh Gia Lai và Kon Tum, (Truy cập tại nawapi.gov.vn), Phân mục Công trình dự án -

Nhiệm vụ chuyên môn.

ASSESSMENT OF CLIMATE CHANGE IMPACT ON WATER RESOURCES IN

KON PLONG BASIN BY USING MIKE NAM MODEL

Nguyen Dinh Hoang

Insꢁtute of Meteorology Hydrology and Climate Change

Received: 5/7/2019; Accepted: 5/9/2019

Abstract: study applies a modiﬁed MIKE NAM model to select the opꢁmal set of parameters to

evaluate the change of water resources in Kon Plong basin. The results show that, under the RCP8.5

scenario, the total annual discharge volume of 2016-2035 period increased by 13,0%, 2046-2065 period

increased by 19,4% and 2080-2099 period increased by 25.0%. Under the RCP4.5 scenario, there is a slight

increase: from 2016 to 2035, the total annual discharge volume increased 10.8%; from 2046 to 2064

increased 17.3% and in 2080-2099 period, it increased 22%. This study’s results can be considered as an

important scienꢁﬁc basis for water resources forecasꢁng and planning in the future.

Keywords: MIKE NAM model, set of parameters, total annual discharge volume, RCP scenario.

TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Số 11 - Tháng 9/2019

66