Chỉ số hạn thủy văn

Chỉ số hạn thủy văn là lượng mưa thiếu hụt trong một thời gian dài ảnh hưởng đến việc cung cấp nước bề mặt hoặc dưới đất, làm giảm mực nước sông, suối, nước ngầm, nước hồ ao và sẽ dẫn đến hạn thủy văn. Để định lượng các sự kiện hạn thủy văn, thường sử dụng các chỉ số hạn thủy văn.

Chỉ số hạn thủy văn đặc trưng bằng các hàm của lượng nước, lượng mưa và các biến khí tượng thủy văn khác, chúng được dùng để lượng hóa số trị cho thấy lượng nước đã thay đổi như thế nào trong một vài thời kỳ thủy văn. Chỉ số này thường đặc trưng cho trạng thái chung của hạn thủy văn tại điểm đo được.

Các chỉ số hạn được phân thành 2 nhóm, bao gồm các chỉ số tổng quát và các chỉ số chi tiết:

• Các chỉ số hạn tổng quát cho thấy tổng quan chung về sự xuất hiện của hạn hán và mức độ khắc nghiệt của chúng;

• Các chỉ số chi tiết rất hữu ích trong việc kết nối các đợt hạn với những thiệt hại được dự kiến từ các ngành kinh tế khác nhau, môi trường và xã hội.

Một phương diện quan trọng khác, khi sử dụng các chỉ số hạn là các ngưỡng của chỉ số thể hiện mức độ khắc nghiệt của hạn hán. Các ngưỡng này cần thiết để chỉ rõ những thiệt hại dự kiến tương ứng với từng mức độ khắc nghiệt.

Các chỉ số hạn ước lượng các điều kiện hạn trong những thời điểm đặc biệt. Tuy nhiên, cần xác định một giá trị ngưỡng của hạn hán cho từng loại hạn theo chỉ số hạn. Ngưỡng này làm nổi bật một cấp hạn khác và xác định khi nào cần bắt đầu và kết thúc các hoạt động ứng phó với hạn hán.

Các chỉ số hạn thuỷ văn hiện nay khá nhiêu, dưới đây sẽ đề cập đến những chỉ số thường được dùng hiện nay.

Chỉ số hạn

Chỉ số hạn được tính từ 2 hệ số khô và hệ số cạn:

• Hệ số khô K_kh= (1 - R/E)

• Hệ số cạn KC = (1 - Q_i/Q_j)/(Q_j/Q_o).

Trong đó: R: lượng mưa (mm); E: lượng bốc hơi khả năng (mm), Q_i: lưu lượng thời đoạn i của năm j (m³/s); Q_j: lưu lượng năm j; Q_o: lưu lượng trung bình nhiều năm (m³/s).

Chỉ số hạn (Kh) được tính theo công thức sau:

$K_{h}={\sqrt {K_{kh}.K_{c}}}\,$

(1)

Theo chỉ số K_h, hạn thủy văn được phân thành 3 cấp:

Hạn nhẹ: K_h < 0,6; hạn vừa: 0,6 ≤ K_h ≤ 1 và hạn nặng: K_h > 1.

Chỉ số thiếu hụt dòng chảy

Chỉ số thiếu hụt dòng chảy (K_th) được tính như sau:

$K_{th}=V_{th}/Q_{ng}.T\,$

(2)

Hay $K_{th}=Q_{th}/Q_{ng}\,$

Trong đó: $V_{th}=(Q_{ng}-Q_{tn})$. T là lượng dòng chảy thiếu hụt (m³), Q_ng - lưu lượng ngưỡng dòng chảy (m³/s), Q_tn - lưu lượng của dòng chảy tự nhiên (m³/s) và T là thời đoạn thiếu hụt dòng chảy: T = t₁ - t₂, với t₁ và t₂ là thời gian bắt đầu và kết thúc thời kỳ thiếu hụt dòng chảy.

Phân cấp hạn theo chỉ số K_th được qui định trong bảng 1.

Bảng 1. Phân cấp hạn thuỷ văn theo chỉ số thiếu hụt dòng chảy

Phân cấp hạn thuỷ văn	Khoảng giá trị thiếu hụt dòng chảy Kth
Bình thường	< 10,1
Hạn nhẹ	10,1 ÷ 20,0
Hạn vừa	20,1 ÷ 30,0
Hạn nặng	30,1 ÷ 40,0
Hạn rất nặng	> 40,0

Chỉ số hạn thủy văn Palmer (PHDI)

Chỉ số hạn thủy văn Palmer (PHDI) được phát triển từ chỉ số hạn Palmer (1965). Dựa trên chỉ số hạn Palmer (PDSI) ban đầu và được sửa đổi để tính đến độ khô hạn kéo dài sẽ ảnh hưởng đến việc trữ nước, dòng chảy và nước ngầm. PHDI có khả năng xác định thời điểm hạn hán sẽ kết thúc bằng cách sử dụng lượng mưa, tỷ lệ độ ẩm nhận được với độ ẩm cần thiết. PHDI phân ra 4 cấp hạn hán như trong bảng 2:

Bảng 2. Phân cấp hạn thuỷ văn theo chỉ số PHDI

Phân cấp hạn thuỷ văn	Khoảng giá trị PHDI (%)
Bình thường	28-50
Hạn nhẹ đến trung bình	11 ÷ 27
Hạn nghiêm trọng	5 ÷ 10
Hạn cực đoan	≤ 4

Do cách tiếp cận cân bằng nước, chỉ số PHDI có ưu điểm là cho phép xem xét toàn bộ hệ thống nước và sử dụng hiệu quả khi tính ảnh hưởng hạn hán đến tài nguyên nước trong thời gian dài. Nhưng cũng như PDSI, nó chưa tính đến tác động của con người, như quyết định quản lý và tưới tiêu.

Chỉ số cung cấp nước bề mặt (SWSI)

Chỉ số SWSI được tính theo công thức sau:

$SWSI={\frac {aP_{snow}+bP_{rain}+cP_{strm}+dP_{resv}-50}{12}}$

(3)

Trong đó: a, b, c, d là các trọng số đối với các thành phần tuyết, mưa, dòng chảy mặt và dung tích hố chứa trong cân bằng nước lưu vực (a+b+c+d=1); P_snow, P_rain, P_strm và P_resv là xác suất (%) không vượt quá của các thành phần cân bằng nước tương ứng P(X≤A). Phân cấp hạn theo chỉ số SWSI được trình bày ở bảng 3.

Bảng 3. Phân cấp hạn thuỷ văn theo chỉ số SWSI

Giá trị SWSI	Tình trạng cấp nước
≤ -4,0	Hạn cực nặng
-4,0 ÷ -3,0	Hạn rất nặng
-2,9 ÷ -2,0	Hạn vừa
-1,9 ÷ -1,0	Hơi khô
-0,9 ÷ 0,9	Gần như bình thường
1,0 ÷ 1,9	Hơi ẩm
2,0 ÷ 2,9	Ẩm vừa
3,0 ÷ 4,0	Rất ẩm
≥ 4,0	Cực ẩm

Chỉ số này mô tả các tình trạng cung cấp nước tại một lưu vực riêng biệt.

Chỉ số cải tạo hạn (RDI)

Cục cải tạo hạn hán Hoa kỳ đã đề xuất RDI và sử dụng để cảnh báo hạn khẩn cấp. RDI là một hàm của nguồn cung, nhu cầu và thời đoạn. Chỉ số cải tạo hạn RDI được tính theo công thức sau:

$RDI=SE+DE\,$

(4)

Trong đó:

• SE (supply element) - yếu tố cung cấp;

• DE (demand element) - yếu tố nhu cầu.

Các cấp khắc nghiệt của hạn thuỷ văn theo chỉ số RDI được trình bày trong bảng 4.

Bảng 4. Phân cấp hạn theo RDI

Giá trị RDI	Tình trạng cấp nước
≤ -4,0	Hạn nặng
-1,5 ÷ -4,0	Hạn vừa
0 ÷ -1,5	Hạn nhẹ
1 ÷ 1,5	Hơi ẩm
1,5 ÷ 4,0	Ẩm vừa
≥ 4,0	Cực ẩm

RDI được sử dụng nhiều trong xây dựng kế hoạch phòng tránh hạn. Nó có ưu điểm là tính đến cả thành phần nhiệt độ và bốc hơi.

Các chỉ số PHDI, SWSI và RDI được tính cho lưu vực sông, sử dụng nhiệt độ, giáng thủy, tuyết đóng băng, dòng chảy, và các lớp của hồ chứa làm đầu vào. Kết quả tính toán của các chỉ số này cho thấy nó khá phù hợp với các tình hình hạn thực tế, có khả năng cảnh báo được thời điểm bắt đầu và kết thúc hạn. Nhưng chúng cũng có nhược điểm chung là: yêu cầu số liệu đầu vào nhiều, đa dạng, tính toán khá phức tạp. Các chỉ số hạn Kh và chỉ số thiếu hụt dòng chảy Kth sử dụng số liệu giáng thủy, bốc hơi và lưu lượng thực đo tuy không thật chính xác như các chỉ số trên nhưng do yêu cầu đầu vào dễ đáp ứng và việc tính toán khá đơn giản nên chúng thường được sử dụng khá phổ biến.

Ở Việt Nam, trong điều kiện biến đổi khí hậu, các hiện tượng hạn hán, thiếu nước ngày càng gia tăng, chúng đã tác động to lớn đến môi trường, kinh tế, chính trị xã hội và sức khoẻ con người. Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng các chỉ số hạn thủy văn đánh giá mức độ hạn hán và thiếu nước sinh hoạt; xây dựng các bộ bản đồ về hạn hán và thiếu nước sinh hoạt; nghiên cứu dự báo, cảnh báo hạn hán phục vụ công tác phòng tránh thiên tai hạn hán, thiếu nước trên toàn lãnh thổ Việt Nam, đặc biệt là khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên.

Tài liệu tham khảo

• Nguyễn Quang Kim, Nghiên cứu dự báo hạn hán vùng Nam Trung Bộ và Tây Nguyên và xây dựng các giải pháp phòng chống, đề tài thuộc chương trình cấp Nhà nước, mã số: KC.08.22, Tp. Hồ Chí Minh, 2005.

• Trần Thục, Xây dựng bản đồ hạn hán và mức độ thiếu nước sinh hoạt ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, Đề án thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Hà Nội, 2008.

• Shafer, B.A. & Dezman, L.E., Development of a Surface Water Supply Index (SWSI) to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas, Proceedings of the Western Snow Conference, 164-175, 1982.

• Beran, M. & Rodier, J.A., Hydrological aspects of drought, Studies and reports in hydrology 39, UNESCO-WMO, Paris, France,1985.

• Guttman, N. B., A sensitivity analysis of the Palmer Hydrologic Drought Index, J. Am. Water Resour. Assoc.,27(5), 1991.

• Demuth, S. & Bakenhus, A., Hydrological Drought - A literature review, Internal Report of the Institute of Hydrology, University of Freiburg, Germany,1994.

• Hayes, M.J.. Drought indices. National Drought Mitigation Center, 1999.

• Jacobi, J., D. Perrone, L. Lyons Duncan and G. Hornberger, A tool for calculating the Palmer drought indices, Water Resources Research 49, 2013.