Phân Ngưỡng Mức Độ Hạn Hán Dựa Vào Chỉ Số Spi Và Rdi

đất ngoài phần thấm đẫm lớp đất còn bốc hơi và tạo ra dòng chảy mặt. Nếu khả năng thấm thấp do mặt đất bị che chắn, nước mưa sẽ tạo thành dòng mặt với một tỷ lệ cao và dẫn đến hệ số dòng chảy cao.

1.1.4. Tổng quan về hạn hán

1.1.4.1. Khái niệm về hạn hán

Hạn là một hiện tượng bình thường, mang tính quy luật. Hạn xuất hiện hầu như ở tất cả các vùng khí hậu với các đặc trưng rất khác nhau từ vùng này đến vùng khác [9], từ những năm 1980 đã có hơn 150 khái niệm khác nhau về hạn. Một số khái niệm khác 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" [24].

"Hạn là một thời kỳ thời tiết khô dị thường đủ dài do thiếu mưa và gây nên sự mất cân bằng nghiêm trọng về nước; hoặc là sự thiếu mưa trong một thời kỳ dài gây nên sự thiếu nước cho nhiều hoạt động của các nhóm ngành và nhóm môi trường" [50].

Nhưng nhìn chung hạn hán là tình trạng thiếu hụt mưa trong một thời gian tương đối dài. Tuy nhiên, hạn hán khác với khô cằn. Hạn là một dị thường tạm thời, khác với sự khô cằn ở vùng ít mưa và là đặc tính thường xuyên của khí hậu [49].

1.1.4.2. Phân loại hạn hán

Theo tổ chức khí tượng thế giới (WMO) hạn hán được phân ra 4 loại: Hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và hạn kinh tế xã hội.

- Hạn khí tượng (Meteorological Drought): "Thiếu hụt lượng mưa trong cán cân lượng mưa - bốc hơi" [17]. Trong đó lượng mưa đặc trưng cho phần thu, lượng bốc hơi đặc trưng cho phần chi. Lượng bốc hơi càng cao càng góp phần làm hạn gia tăng.

- Hạn nông nghiệp: được định nghĩa là thời kỳ mà sự thiếu hụt mưa gây mất cân bằng giữa lượng nước cần thiết trong đất và nhu cầu của cây trồng. Theo Ngô Thị Thanh Hương, 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 của sự kiện mưa.Các đặc tính của đất cũng biến đổi.Ví dụ, một số loại đất có khả năng giữ nước tốt hơn, nên nó giữ cho các loại đất đó ít bị hạn hơn [20].

- Hạn thủy văn (NDMC, 2006) là loại hạn xảy ra khi nguồn dự trữ nước trong các tầng chứa nước, hồ và hồ chứa xuống thấp hơn mức trung bình thống kê được thiết lập. Ngoài ra, hạn thủy văn có thể xảy ra ngay cả trong thời gian mà lượng mưa ở mức trung bình hoặc trên trung bình nếu nhu cầu nước của con người cao và sử dụng gia tăng đã làm giảm mực nước dự trữ [121].

- Hạn kinh tế - xã hội: xảy ra khi nước không đủ cung cấp cho nhu cầu con người và môi trường, và xuất hiện khi mà hạn khí tượng, hạn nông nghiệp hoặc hạn thủy văn ảnh hưởng bất lợi đến sự cung cầu của hệ thống hàng hóa kinh tế [23].

Như vậy có ba loại hạn hạn khí tượng, hạn nông nghiệp và hạn thủy văn có mối quan hệ với nhau. Hạn khí tượng xảy ra đầu tiên với các trị số đo yếu tố khí hậu bao gồm lượng mưa, nhiệt độ, gió, độ ẩm không khí. Hạn khí tượng làm giảm lượng nước trong đất gây ra hạn nông nghiệp. Thực vật bị ức chế sinh trưởng và phát triển do thiếu nước trong đất, làm giảm năng suất ảnh hưởng hoạt động sản xuất nông nghiệp. Hạn thủy văn xuất hiện sau hạn khí tượng và hạn nông nghiệp do nó cần một khoảng thời gian để xảy ra tiến trình thiếu hụt nước mặt và nước ngầm.

1.1.4.3. Các đặc trưng của hạn hán

Theo (Wilhitle, 2000; Singh M,2006) khi so sánh các đợt hạn hán với nhau, nghiên cứu sinh thấy rằng mỗi đợt hạn hán thường khác nhau bởi ba đặc trưng sau đây: cường độ, thời gian, sự trải rộng theo không gian của hạn hán [136]; [153].

- Cường độ hạn hán được định nghĩa là mức độ thiếu hụt lượng mưa hay mức độ ảnh hưởng hạn hán kết hợp với sự thiếu hụt đó. Nó thường được xác định bởi sự trạch khỏi mức độ trung bình của các chỉ số khí hậu và liên quan mật thiết với thời gian xác định ảnh hưởng của hạn.

- Thời gian hạn chỉ khoảng thời gian một đợt hạn hán kéo dài, thông thường nó kéo dài ít nhất là hai đến ba tháng để chắc chắn là hạn hán, sau đó có thể kéo dài hàng tháng hàng năm.

- Hạn hán còn có sự khác nhau theo không gian. Hạn có thể xảy ra trên nhiều vùng với diện tích hàng trăm km2 nhưng với mức độ gần như không nghiêm trọng và thời gian tương đối ngắn. Hạn lục địa có thể trải rộng trên nhiều vùng với diện tích hàng trăm, hàng nghìn km2, đặc biệt là các trường hợp nghiêm trọng hạn có thể trải rộng hàng triệu km2, có khi chiếm gần nửa đại lục (WMO, 1975). Diện tích bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể tăng dần lên khi hạn nghiêm trọng xảy ra và các vùng hạn hán có cường độ hạn cực đại cũng sẽ thay đổi từ màu này sang mùa khác [136].

1.1.4.4. Nguyên nhân gây ra hạn hán

Theo Nguyễn Đức Ngữ (2002), hạn hán xảy ra do thời tiết bất thường gây nên lượng mưa thường xuyên ít ỏi hoặc nhất thời thiếu hụt lượng mưa. Thường hạn hán bắt nguồn từ các nguyên nhân sau [26]:

- Hạn hán do mưa quá ít, lượng mưa không đáng kể trong một thời gian dài, hầu như quanh năm, đây là tình trạng khá phổ biến trong các vùng khô hạn và bán khô hạn.

- Hạn hán do lượng mưa trong một thời gian dài thấp hơn rõ rệt so với mức nhiều năm cùng kỳ. Tình trạng này có thể xảy ra cả ở nhiều vùng mưa.

- Mưa không ít lắm, nhưng trong một thời gian nhất định trước đó không mưa hoặc mưa chỉ đáp ứng nhu cầu tối thiểu của sản xuất và môi trường xung quanh. Đây là tình trạng phổ biến trên các vùng khí hậu gió mùa, có sự khác biệt rõ rệt về mưa giữa mùa mưa và mùa khô.Bản chất và tác động của hạn hán gắn liền với định nghĩa về hạn hán.

- Hiện tượng El Nino cũng tác động khá mạnh đến tình trạng hạn hán. Năm El Nino, lượng mưa giảm, nhiệt độ bức xạ mặt trời tăng lên, bốc hơi tăng mạnh nên dễ gây hạn hán. Ở Việt Nam, năm 1998 xảy ra hiện tượng El Nino dẫn tới hạn hán nghiêm trọng ở Tây Nguyên.

Ngoài ra, một số nguyên nhân do hoạt động của con người cũng có thể gây ra hạn hán. Trước hết là do tình trạng phá rừng bừa bãi làm mất nguồn nước ngầm dẫn đến cạn kiệt nguồn nước; việc trồng cây không phù hợp, vùng ít nước cũng trồng cây cần nhiều nước (như lúa) làm cho việc sử dụng nước quá nhiều dẫn đến việc cạn kiệt nguồn nước; thêm vào đó công tác quy hoạch sử dụng nước, bố trí công trình không phù hợp làm cho nhiều công trình không phát huy được tác dụng… Ngoài ra, thiếu nước trong mùa khô là do không đủ nguồn nước và thiếu những biện pháp cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng do sự phát triển kinh tế - xã hội ở các khu vực, các vùng chưa có quy hoạch hợp lý hoặc quy hoạch phát triển không phù hợp.

1.1.4.5. Tác hại của hạn hán

Ở Việt Nam hiện tượng hạn hán có thể xảy ra ở vùng này hay vùng khác với mức độ và thời gian khác nhau, song thiệt hại mà nó gây ra là rất to lớn. Bởi thế hạn hạn được xếp vào loại thiên tai đứng thứ ba chỉ sau ngập lụt và bão. Dưới đây, là một số tác động của hạn hán:

Trước hết, hạn hán tác động mạnh mẽ đến môi trường như huỷ hoại các loài thực vật, các loài động vật, quần cư hoang dã, làm giảm chất lượng không khí, nước, xói lở đất… Các tác động này có thể kéo dài và khó khôi phục được.

Tình trạng khô hạn cũng ảnh hưởng sâu sắc đối với ngành sản xuất nông nghiệp. Điển hình, hạn hán khiến nhiều diện tích sản xuất thiếu nước nghiêm trọng làm giảm diện tích gieo trồng, giảm năng suất cây trồng và giảm sản lượng cây trồng mà chủ yếu là sản lượng cây lương thực. Tăng chi phí sản xuất nông nghiệp, giảm thu nhập của lao động nông nghiệp. Tăng giá thành và giá cả các lương thực. Giảm tổng giá trị sản phẩm chăn nuôi.Đối với các nhà máy thuỷ điện cũng gặp nhiều khó khăn trong quá trình vận hành để phát điện và điều tiết nước phục vụ sản xuất nông nghiệp.

Hạn hán xảy ra không chỉ gây ra tình trạng thiếu nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp mà còn gây ra thiếu nước sinh hoạt cho người dân, các khu công nghiệp, nhà hàng, khách sạn,…

Bên cạnh việc ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, thiếu nước sản xuất, sinh

hoạt thì hạn còn gây ra tình trạng cháy rừng ở nhiều nơi và đặc biệt là tình trạng xâm nhập mặn sâu vào nội đồng dẫn đến hiện tượng nguồn nước ngọt, đất bị nhiễm mặn không thể khai thác sử dụng được.

1.1.4.6. Các phương pháp nghiên cứu và đánh giá hạn hán

a. Phương pháp dựa vào chỉ tiêu lượng mưa

Hạn hán là một loại thiên tai khí tượng do mưa ít gây nên. Sản xuất nông nghiệp, trước hết là lịch thời vụ được bố trí sao cho thích hợp với tình hình mưa hàng năm. Do vậy, nếu lượng mưa của một năm hay một thời kỳ nào đó nhỏ hơn một giới hạn nhất định thì hạn hán sẽ xảy ra. Do đó, có thể dùng giới hạn này làm chỉ tiêu hạn. Ở vùng đồng bằng Trung Quốc, lượng mưa năm là 500 mm, mỗi năm trồng một vụ ngô và một vụ lúa mì. Nếu năm nào có lượng mưa năm nhỏ hơn 350 mm thì sẽ thiếu nước cho cây trồng, sản lượng cây trồng bị giảm; nếu lượng mưa năm nhỏ hơn 250 mm thì xảy ra hạn nghiêm trọng. Nếu hai năm có lượng mưa bằng nhau nhưng phân phối trong năm khác nhau thì mức độ hạn cũng có thể khác nhau, đặc biệt là đối với thời kỳ sinh trưởng tương đối dài. Để phản ánh tình hình này, xét đến sự phân phối của mưa có thể chia ra các thời vụ khác nhau và xác định chỉ tiêu tương ứng cho từng thời vụ.

b. Số ngày không mưa liên tục

Ở những vùng không có hệ thống thuỷ nông (hệ thống tưới) nếu trong thời kỳ nào đó không mưa, sẽ không có nước thấm xuống đất. Đất không thu nhận được nước mưa, nhưng lượng bốc hơi từ đất và phát tán của cây trồng lớn cũng sẽ dẫn đến nước trong đất mất cân bằng giữa đầu vào - đầu ra, lượng nước trong đất giảm dần. Số ngày liên tục không mưa càng dài thì mức độ thiếu nước càng nghiêm trọng.Đặc biệt là vào thời kỳ cây trồng phát triển mạnh, diện tích lá lớn, nước tiêu hao do phát tán nhiều, liên tục một số ngày không mưa sẽ gây ra hạn hán.

c. Tỷ số phần trăm so với lượng mưa trung bình nhiều năm

Do lượng mưa năm giữa các vùng chênh lệch nhau khá lớn nên không thể dùng chỉ tiêu nêu trên (chỉ tiêu về tổng lượng mưa) để đánh giá mức độ hạn hán trong các vùng. Tuỳ theo lượng mưa năm trung bình nhiều năm mà bố trí cây trồng, và áp dụng phương thức canh tác khác nhau. Ở những vùng mưa rất ít thì trồng cỏ, lượng mưa tương đối ít thì trồng cây chịu hạn, lượng mưa tương đối nhiều thì trồng một vụ lúa, lượng mưa rất nhiều thì trồng hai vụ lúa nước. Đối với vùng trồng hai vụ lúa có thể phát sinh hạn. Đối với vùng bán hạn, cây chịu hạn có thể không bị hạn. Nhưng nếu lượng mưa năm nào đó xấp xỉ bằng lượng mưa trung bình nhiều năm và phân phối tương đối đều trong năm thì có thể sẽ không xảy ra hạn hán dù là đối với vùng mưa nhiều hay vùng mưa ít. Nếu lượng mưa năm của năm nào đó thiếu hụt khá nhiều so với lượng mưa trung bình nhiều năm thì dù lượng mưa năm là bao nhiêu cũng có thể xảy ra hạn hán. Do đó, có thể dùng chỉ số đo so với lượng mưa trung bình nhiều năm làm chỉ tiêu đánh giá hạn.

d. Nước trong đất

Cây trồng hút nước chủ yếu từ đất (thổ nhưỡng). Khi đất thiếu nước thì cây trồng không hút được đủ nước để bù cho lượng nước mất đi do phát tán, hạn hán sẽ xảy ra. Lượng nước trong các loại đất là khác nhau, lực hút nước cũng khác nhau, trạng thái vận động của nước cũng như tính hiệu quả của nó đối với cây trồng cũng khác biệt rõ rệt. Khi nước trong đất giảm đến một giới hạn nào đó, trạng thái liên kết của nước mao dẫn bắt đầu bị phá vỡ, tính chảy của nước bị giảm, lực hút của đất đối với nước bắt đầu tăng, rễ cây tuy có thể hút nước từ đất nhưng nước ở xung quanh rễ cây thì không được bổ sung kịp thời, lượng nước do cây hút từ đất không đủ phát tán, cây bắt đầu bị thiếu nước, ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Lượng nước trong đất tương ứng với thời điểm đó được lấy làm giới hạn mà dưới giới hạn đó thì cây trồng bị hạn nhẹ. Nếu nước trong đất tiếp tục giảm, lực kéo (giữ) nước của đất tăng dần lên, sự vận động của nước càng khó khăn, thực vật càng khó hút nước từ đất.

Khi thực vật không hút được đủ nước cho phát tán, tế bào thực vật mất đi tính giãn nở, hiện tượng lá vàng héo xuất hiện. Nếu nước trong đất tiếp tục giảm thì sự vận động của nước càng khó khăn. Khi nước trong đất giảm đến mức thực vật không thể khôi phục được tính giãn nở cả vào ban đêm thì thực vật sẽ bị hạn nghiêm trọng và khô héo dẫn tới tàn lụi.

e. Độ ẩm đất

Độ ẩm đất được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm trọng lượng của nước trong đất so với trọng lượng đất. Độ ẩm đất còn được biểu thị bằng tỷ số phần trăm dung tích nước trong đất so với tổng thể tích của đất.Khi độ ẩm đất thấp hơn một giới hạn nào đó, thực vật không hút đủ nước thì sẽ bị hạn.Các loại đất ảnh hưởng đến tình trạng hạn hán của thực vật là khác nhau tuỳ thuộc vào từng loại đất. Nói chung, đất có tính sa thạch thì độ ẩm tương đối nhỏ, còn đất sét có độ ẩm tương đối cao, hạt đất càng thô thì độ ẩm đất càng nhỏ và ngược lại. Mức độ mẫn cảm đối với sự thiếu nước của thực vật tuỳ thuộc vào từng loại cây trồng và thời kỳ sinh trưởng của chúng.Cho nên, tuỳ từng loại cây trồng mà quy định chỉ tiêu hạn cho phù hợp.Thí dụ đối với thời kỳ gieo hạt vào mùa xuân, độ ẩm đất tương đối cao thì hạt mới nảy mầm được, nếu độ ẩm đất quá thấp thì hạt sẽ không nảy mầm được.

f. Lượng nước tàng trữ có hiệu quả trong đất

Lượng nước trữ trong đất mà thực vật có thể hút được ảnh hưởng có tính quyết định đến trạng thái nước trong thực vật. Lượng nước trữ trong đất giảm đến mức độ nào đó thì thực vật sẽ bị hạn, có thể nhận thấy độ dầy tầng đất khác nhau thì chỉ tiêu hạn về lượng nước trữ trong đất có hiệu quả sẽ khác nhau. Thí dụ, đối với ngũ cốc, nếu lượng nước có hiệu quả trong đất có độdày 0-20 cm, nhỏ hơn 20 mm thì sự sinh trưởng của cây trồng bị ảnh hưởng, nếu nhỏ hơn 10 mm thì sẽ bị hạn.

g. Chênh lệch giữa lượng nước cung và cầu

Hạn hán xảy ra khi nước do cây hút được không đủ bù cho phát tán. Cho nên nhiều nhà khoa học dùng giá trị chênh lệch giữa lượng mưa với lượng bốc hơi để làm chỉ tiêu hạn hán.Tổng lượng bốc hơi là tổng của bốc hơi mặt đất và phát tán của thực vật. Nó phụ thuộc vào 3 yếu tố:

- Mức độ khô hanh của khí quyển, điều kiện bức xạ và tốc độ gió;

- Trạng thái của thực vật;

- Lượng nước chứa trong đất và trạng thái thực vật khác nhau. Để phân tích tình hình hạn hán trên vùng rộng thường chỉ chú ý xét đến tiềm năng bốc thoát hơi - yếu tố quyết định chính đến thành phần tiêu hao nước của cây và được tính theo công thức PenMan.

h. Chỉ số hạn Palmer (PDSI)

Năm 1965, Palmer đã đưa ra một chỉ tiêu hạn và đã được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ. Chỉ tiêu này được định nghĩa như sau “trong một thời kỳ (tháng, năm) trong một khu vực nào đó, lượng nước cung cấp thực tế luôn luôn thấp hơn nhiều lượng nước cần được cung cấp về phương diện khí hậu”. Chỉ tiêu Palmer thường được coi là chỉ tiêu hạn khí tượng. Nhưng thực tế nó vượt ra ngoài phạm vi hạn khí tượng. Thí dụ, ngoài lượng mưa ra, nó còn xét đến lượng bốc hơi, lượng dòng chảy, lượng nước chứa trong đất và lượng nước cần được cung cấp xét về phương diện khí hậu. Do đó, nên gọi chỉ tiêu này là chỉ tiêu hạn tổng hợp. Qua kiểm chứng từ tài liệu thực tế cho thấy, mức độ hạn được xác định từ chỉ tiêu này về cơ bản phù hợp với thực tế.

i. Chỉ số hạn hán SPI (Standardized Precipitation Index)

Chỉ số SPI do McKee và cộng sự đề xuất năm 1993 được tính bằng công thức:

(2.1)

Với R là lượng mưa thực tế; là lượng mưa trung bình nhiều năm (thời đoạn tính); σ là độ lệch tiêu chuẩn. Chỉ số SPI được tính toán dựa trên xác suất của lượng mưa quan trắc cho các khoảng thời gian khác nhau như 1 tháng, 3 tháng, 6 tháng, 12 tháng... Chỉ số SPI đang được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu trên thế giới.

m. Chỉ số hạn hán RDIstd (Reconnaissance Drought Index Standardized)

Đây là chỉ số được phát triển đểtiếp cận đến sựthiếu hụt nguồn nước một cách hiệu quả hơn, RDIstd biểu thị sự cân bằng giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống nước [150]. RDIstd được xác định dựa vào cả lượng mưa tích lũy (P) và lượng bốc hơi tiềm

năng (PET). PET có thể được tính theo phương pháp của Hargreaves (Hargreaves and Samani 1985), hoặc Thornthwaite (1948) và phương pháp Blaney – Criddle (Doorenbos & Pruitt 1977) dựa vào nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất, nhiệt độ trung bình hàng tháng [147]. Phương pháp tính toán PET dường như không ảnh hưởng đến kết quả của RDIstd trong bất kỳ cách nào [143].

Bảng 1.1. Phân ngưỡng mức độ hạn hán dựa vào chỉ số SPI và RDI

Phâng ngưỡng hạn theo chỉ số SPI, RDI

Giá trị của SPI, RDI
Cực kỳ ẩm ướt	2 – 3
Rất ẩm ướt	1,5 – 1,99
Tương đối ẩm ướt	1,0 – 1,49
Gần chuẩn	-0,99 – 0,99
Tương đối khô	-1,0 đến -1,49
Khô nặng	-1,5 đến -1,99
Cực kỳ khô	-2 đến -3

Điều kiện
< 0,5	Rất ẩm
0,5 đến 1,0	Ẩm
1,0 đến 2,0	Hơi khô
2,0 đến 4,0	Khô
> 4,0	Rất khô