BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG
PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG
PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

nghiên cứu, thực hiện luận án.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã hỗ trợ, động
viên, chia sẻ khó khăn trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận án.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. II
MỤC LỤC................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................ X
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu của luận án.............................................................................. 3
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................... 3



Cách tiếp cận trong luận án:.......................................................................... 3



Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:....................................... 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 4


Tổng quan về vùng nghiên cứu ......................................................................

1.5

Những thành tựu và hạn chế trong các nghiên cứu về hạn hán ......................

1.6

Định hướng nghiên cứu của luận án ...............................................................

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO HẠN KHÍ
TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG ..............................................
2.1

Hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu .......................................................

2.2

Giới thiệu về ENSO và các số liệu cần thu thập ............................................

2.3

2.2.1

Giới thiệu về ENSO

2.2.2

Các số liệu cần thu



3.1.3

Diễn biến hạn hán

Ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu ..........
3.2.1

Diễn biến hạn hán

3.2.2

Đánh giá kết quả m

3.3. Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ...............
iv


3.3.1 Đánh giá kết quả các mô hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu
............................................................................................................................. 108

3.3.2Lựa chọn chỉ số để c

3.3.3Lựa chọn mô hình dự

3.3.4Xây dựng mô hình cả

3.3.5Bản đồ và số liệu cản
3.4 Kết luận chương 3 .................................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................

Bảng 2.1 Xu thế biển đổi lương mưa theo năm cho các trạm mưa vùng DHMT ...........53
Bảng 2.2 Xu thế biển đổi nhiệt độ theo năm cho các trạm vùng DHMT........................... 54
Bảng 2.3 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI, SPEI [9]............................................................... 62
Bảng 2.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo [103]................................................................. 81
Bảng 3.1. Độ tin cậy của phép nội suy mưa và nhiệt độ (%)....................................... 85
Bảng 3.2 Giá trị nhỏ nhất của SPI, SPEI trong các thời kỳ phát sinh El Nino...........104
Bảng 3.3 Tổng số tháng xảy ra hạn hán trong các thời kỳ phát sinh El Nino theo chỉ số
SPI, SPEI................................................................................................................... 104
Bảng 3.4 Hệ số tương quan trung bình giữa SSTA, SOI với các chỉ số SPI, SPEI....106
Bảng 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo các chỉ số hạn của các mô hình......................109
Bảng 3.6 Cấp hạn và cấp cảnh báo sớm hạn khí tượng theo chỉ số SPEI3.................116
Bảng 3.7 Các tham số của các mô hình dự báo cho 6 tháng tiếp theo........................ 118
Bảng 3.8 Kết quả dự báo chỉ số SPEI3 tại các trạm (từ tháng 1/2015 đến 6/2015)....123

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5] .........................................................
Hình 1.2

Bản đồ vùng Duyên hải Miền Tru

Hình 1.3

Sơ đồ nội dung và phương pháp n

Hình 2.1

Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với

Cấu trúc mô hình ANFI

Hình 2.12

Sơ đồ khối của mô hình

Hình 2.13

Cấu trúc của các mô hìn

Hình 2.14

Sơ đồ khối của chương

Hình 3.1 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..............................
Hình 3.2 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3 ..............................
Hình 3.3 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..............................
Hình 3.4

Diễn biến hạn hán vùng NTB th

Hình 3.5 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..................
Hình 3.6

Diễn biến hạn hán toàn vùng D

Hình 3.7

Số tháng xảy ra hạn hán theo c
vii

= 2 tháng).................................................................................................................. 108

viii


Hình 3.31 So sánh chất lượng dự báo theo chỉ số SPEI3 giữa các mô hình...............110
Hình 3.32 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 cho toàn vùng.....110
Hình 3.33 Chất lượng dự báo cho chỉ số SPEI3 bằng mô hình M4 theo không gian . 111

Hình 3.34 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Cam Ranh
112
Hình 3.35 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Rang
112
Hình 3.36 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Thiết
113
Hình 3.37 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1988). . .113
Hình 3.38 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1993). . .114
Hình 3.39 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1998). . .114
Hình 3.40 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2005). . .115
Hình 3.41 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2010). . .115
Hình 3.42 Sơ đồ mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu...........119
Hình 3.43 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 1, 2 năm 2015.............121
Hình 3.44 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 3, 4 năm 2015.............122
Hình 3.45 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 5, 6 năm 2015.............123

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANFIS

Hệ số tương quan (Correlation Coefficient)

DBHH

Dự báo hạn hán

DBKH

Dự báo khí hậu

DHMT

Duyên hải Miền Trung

E

Chỉ số hiệu quả (Efficiency)

ENSO

El Nino và dao động Nam bán cầu (El Nino and the Southern
Oscillation)

FAO

Tổ chức Lương thực & Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and
Agriculture Organization)

FL


NCDA

Vùng hạn không kề giáp nhau (Non-contigous drought analysis)

NTB

Nam Trung Bộ

x
PCA

PDSI


RSR

Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis)
Chỉ số Palmer

SASM
SOI
SPEI

Hệ số thống kê giữa sai số căn quân phương và độ lệch chuẩn (RMSE observations standard deviation ratio)
Gió mùa hè Nam Á (South Asian Summer Monsoon)
Chỉ số dao động Nam bán cầu (Southern Oscillation Index)

SPI
SSI


Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều
nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt lượng mưa, lượng bốc hơi lớn và việc
khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể
xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn là biến đổi đáng kể từ vùng
này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô
hạn, bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là
một đặc trưng lâu dài của khí hậu. Vì vậy, hiện tượng hạn hán xảy ra trong từng năm
với các đặc tính thời tiết và các tác động của nó là không giống nhau.
Hạn hán khá phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh Duyên hải Miền Trung
(DHMT). Theo số liệu thống kê của Tổng cục thủy lợi trong giai đoạn 1985 – 2014,
toàn vùng đã có nhiều đợt hạn hán xảy ra, trong đó có 5 đợt xảy ra hạn hán nghiêm
trọng, hạn xảy ra trong cả 3 vụ sản xuất làm thiệt hại đến hàng triệu hecta đất nông
nghiệp và sự thiếu hụt nước trầm trọng cho hàng triệu người dân ở các vùng khác nhau
trên cả nước, đặc biệt là khu vực DHMT.
Sự khắc nghiệt của hiện tượng hạn hán không chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian, cường
độ, không gian của một thời đoạn hạn hán cụ thể, mà còn phụ thuộc vào nhu cầu dùng
nước từ các hoạt động của con người và cây trồng lên nguồn cung cấp nước của khu vực.
Số liệu thống kê cho thấy rằng những thiệt hại về mặt kinh tế do hạn hán lớn hơn rất nhiều
so với do lũ lụt. Để giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người dân địa
phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước thì các nghiên cứu về
hạn hán ở Việt Nam nói chung và vùng DHMT nói riêng là rất quan trong và cần thiết.
Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về hạn hán nhưng những kết
quả đã nghiên cứu còn một số hạn chế như: (i) Công tác dự báo, cảnh báo hạn ở Việt Nam
chưa thoả mãn yêu cầu để áp dụng rộng rãi trong công tác đánh giá, dự báo và cảnh báo
hạn cho các vùng, các tỉnh khác nhau; (ii) Việc đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho một
vùng rộng lớn hoặc trên toàn quốc chủ yếu dựa vào các chỉ số hạn khí tượng. Còn các chỉ
số hạn thủy văn và nông nghiệp mới chỉ được dùng để đánh giá,

1


(vùng đặc trưng của El nino, SOI), bao gồm các tỉnh thành sau: Thanh Hóa, Nghệ An,
2


Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng
Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận.
4.Nội dung nghiên cứu của luận án



Lựa chọn chỉ số hạn, phân tích đánh giá diễn biến hạn hán theo các chỉ số
hạn và so sánh với diễn biến hạn hán theo thực tế của vùng nghiên cứu;



Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu trong
các đợt xảy ra ENSO;



Phân tích và đánh giá tương quan giữa hạn hán của vùng nghiên cứu với
nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI) bằng phương
pháp phân tích tương quan phục vụ cho việc lựa chọn biến đầu vào cho mô hình dự
báo hạn;



Thiết lập cấu trúc các mô hình dự báo hạn khí tượng bằng phương pháp
thống kê (Mạng noron thích nghi mờ, ANFIS) và lựa chọn mô hình dự báo phù hợp
cho vùng nghiên cứu;


Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:
Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham khảo;
Phương pháp thống kê, xác suất: Tổng hợp, xử lý và phân tích số liệu làm cơ sở


3


phân tích đánh giá diễn biến hạn hán và xây dựng mô hình cảnh báo hạn;



Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu, công trình khoa học đã và đang
thực hiện về đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn hán trên thế giới;



Phương pháp vùng hạn không kề giáp nhau (NCDA): Phân tích, đánh giá
diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu theo không gian và thời gian;



Phương pháp phân tích tương quan: Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến

hạn hán của vùng nghiên cứu với hiện tượng ENSO thông qua hệ số tương quan
giữa các chỉ số hạn và nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu
(SOI). Để làm cơ sở lựa chọn biến đầu vào cho các mô hình dự báo;



khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo sớm hạn khí tượng.



Ý nghĩa thực tiễn:



Góp phần làm sáng tỏ xu thế và diễn biến hạn hán của khu vực Duyên hải
Miền Trung ở quá khứ trong mối quan hệ với hiện tượng ENSO.

4




Kết quả nghiên cứu của luận án có thế được ứng dụng để xây dựng mô hình
cảnh báo sớm hạn khí tượng cho khu vực nghiên cứu cũng như các khu vực khác.



Kết quả của luận án đưa ra được các bản đồ cảnh báo sớm hạn khí tượng
bằng các chỉ số hạn. Giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người
dân địa phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước.
7.Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 165 trang thuyết minh trong đó có: 62 hình vẽ, 18 bảng biểu minh họa, 1
trang liệt kê danh mục 2 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của
đề tài luận án, 8 trang liệt kê 103 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục. Nội dung bao
gồm phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và dự báo hạn


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO
HẠN
1.1 Khái niệm về hạn hán
1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán.
Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều
nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai
thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy
ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn biến đổi đáng kể từ vùng này
sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn.
Bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một
đặc trưng lâu dài của khí hậu [1]. So với các thảm họa tự nhiên khác như: xoáy, lũ lụt,
động đất, núi lửa phun trào và sóng thần có sự khởi đầu nhanh chóng, có ảnh hưởng
trực tiếp và có cấu trúc, thì hạn hán lại ngược lại. Hạn hán khác với các thảm họa tự
nhiên khác theo các khía cạnh quan trọng sau [2]:



Không tồn tại một định nghĩa chung về hạn hán.



Hạn hán có sự khởi đầu chậm, là hiện tượng từ từ, dẫn đến khó có thể xác
định được sự bắt đầu và kết thúc một thời kỳ hạn.



Thời gian hạn dao động từ vài tháng đến vài năm, vùng trung tâm và vùng
xung quanh bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể thay đổi theo thời gian.


định nghĩa chung nhất về hạn hán thì rất khó.
D.A. Wilhite [2] cho rằng mặc dù các nhân tố khí hậu (nhiệt độ cao, gió mạnh, độ ẩm
tương đối thấp) thường gắn liền với hạn hán ở nhiều vùng trên thế giới và có thể làm
nghiêm trọng thêm mức độ hạn, song lượng mưa vẫn là nhân tố ảnh hưởng chính gây
ra hạn hán và tác giả cũng đã đưa ra một định nghĩa về hạn: “hạn hán là kết quả của sự
thiếu hụt lượng mưa tự nhiên trong một thời kỳ dài, thường là một mùa hoặc lâu hơn”.
Chính vì vậy, hạn hán thường được gắn liền với các khoảng thời điểm (mùa hạn chính,
sự khởi đầu muộn của mùa mưa, sự xuất hiện mưa trong mối liên hệ với các giai đoạn
sinh trưởng chính của cây trồng) và đặc tính của mưa (cường độ mưa, các đợt mưa).
Với các thời điểm hạn xuất hiện khác nhau sẽ dẫn đến các sự kiện hạn khác nhau về
tác động, phạm vi ảnh hưởng cũng như các đặc tính khí hậu của hạn khác nhau.
Trong quấn sách nói về hạn hán và nông nghiệp (Drought and agriculture) của tổ chức
WMO (Khí tượng Thế giới) [3], thì hạn hán được phân thành 4 loại là: (1) Hạn khí
tượng; (2) Hạn thủy văn; (3) Hạn nông nghiệp; (4) Hạn kinh tế - xã hội.
(1) Hạn khí tượng (Meteorological Drought): Hạn khí tượng là hiện tượng thiếu hụt
nước trong suốt một khoảng thời gian nào đó do sự mất cân bằng giữa lượng giáng
thủy và bốc hơi, hạn khí tượng phản ánh đặc trưng vật lý hạn hán. Hạn khí tượng
không phản ánh được ảnh hưởng của sự thiếu hụt dòng chảy nhưng lại phản ảnh tốt sự
thiết hụt nước thực tế.
(2) Hạn nông nghiệp (Agricultural Drought): Hạn nông nghiệp thường xảy ra ở nơi độ ẩm
đất không đáp ứng đủ nhu cầu của một cây trồng cụ thể ở thời gian nhất định và cũng ảnh
hưởng đến vật nuôi và các hoạt động nông nghiệp khác. Mối quan hệ giữa lượng mưa và
lượng mưa thấm vào đất thường không được chỉ rõ. Sự thẩm thấu lượng mưa vào trong
đất sẽ phụ thuộc vào các điều kiện ẩm trước đó, độ dốc của đất, loại đất, cường độ mưa.
Hạn nông nghiệp xảy ra sau hạn hán khí tượng, bởi vì hạn khí tượng có ảnh

8


hưởng đến lượng nước có trong đất, khả năng giữ nước trong đất thấp thì khả năng xảy


9


ruộng, bốc hơi mặt đất và quá trình ngấm từ mặt đất xuống tầng nước ngầm. Hạn thủy
văn làm cho lượng nước trong lưu vực thiếu hụt, mực nước ngầm hạ thấp làm ảnh
hưởng đến công tác thủy lợi, gây khó khăn cho việc cung cấp nước cho cây [4]. Từ
những phân tích ở trên cho thấy, 4 loại hạn hán ở trên có sự liên quan và tương hỗ chặt
chẽ với nhau, được thể hiện như trong hình 1.1.
Hạn khí tượng

Hạn kinh tế - xã hội

Hạn nông nghiệp

Hạn thủy văn

Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5]
Ghi chú: nét liền là mối liên quan trực tiếp, nét đứt là mối liên quan gián tiếp.
1.1.2 Các chỉ số hạn
Theo H. Hisdal & L. M. Tallaksen [6], thuật ngữ “định nghĩa sự kiện hạn hán” và “chỉ
số hạn hán” vẫn còn chưa rõ ràng. Chỉ số hạn hán thường là một con số đặc trưng cho
trạng thái chung của hạn hán tại một thời điểm đo được. Còn định nghĩa một sự kiện
hạn hán được áp dụng để lựa chọn các sự kiện hạn hán trong một chuỗi thời gian bao
gồm sự bắt đầu và kết thúc của các đợt hạn hán. Việc dự tính hạn hán dựa trên các chỉ
số hạn hán được trình bày chi tiết bởi WMO [3] và Richard R. Heim [7]. Tuy nhiên,
mỗi chỉ số hạn hán đều được lựa chọn sao cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và
mục đích nghiên cứu. Dưới đây là một số chỉ số đã được dùng phổ biến trên thế giới.
1.1.2.1 Chỉ số hạn khí tượng
Hạn khí tượng là sự thiếu hụt lượng nước bất thường được tạo ra do sự mất cân bằng