Xem mẫu
- Ch ¬ng 2
C¸c Qu¸ Tr×nh Thñy V¨n Vμ C©n b»ng N íc Cña Hå
Giíi thiÖu
Hå t ¬ng t¸c víi mäi thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n: n íc khÝ quyÓn, n íc
mÆt vμ n íc ngÇm. Nh÷ng th«ng l îng n íc ®Õn vμ ®i khái c¸c hå t ¬ng øng
v¬qÝ c¸c thμnh phÇn nμy thÓ hiÖn c©n b»ng n íc cña hå. VÒ mÆt to¸n häc, kh¸i
niÖm c©n b»ng n íc dÔ lÇm t ëng ®¬n gi¶n lμ: l îng n íc gia nhËp c©n b»ng
víi l îng n íc tho¸t hoÆc sù thay ®æi l îng tr÷ (cã thÓ ©m hoÆc d ¬ng). Tuy
nhiªn, trong thùc tÕ, ®o ®¹c mét c¸ch chÝnh x¸c c¸c thμnh phÇn n íc ®Õn vμ ®i
khái hå lμ kh«ng ®¬n gi¶n, bëi v× cã nhiÒu quan niÖm kh¸c nhau vÒ sù biÕn
thiªn cña c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n vμ kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ c¸c thμnh phÇn thñy
v¨n cßn h¹n.
C©n b»ng n íc lμ mét thμnh phÇn quan träng cña nhiÒu nghiªn cøu. Nã ® îc
®Ò cËp ®Õn chñ yÕu do c¸c mèi quan t©m vÒ hãa häc hay sinh häc. CÇn ph¶i biÕt
nh÷ng ® êng dÉn n íc ®Ó x¸c ®Þnh vËn chuyÓn hãa häc; bëi vËy, c©n b»ng n íc
® îc x¸c ®Þnh cho mét sè l îng lín c¸c môc ®Ých khoa häc vμ qu¶n lý kh¸c
nhau. ViÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc cña bÊt kú ®èi t îng tÝnh to¸n nμo, dï nã lμ
hå, ®Çm lÇy, hay ®ång b»ng ngËp lôt ®Òu ®ßi hái ph¶i xem xÐt ®Õn toμn bé hÖ
thèng thñy v¨n; do ®ã, cÇn ph¶i cã ý kiÕn vÒ mÆt chuyªn m«n cña mét chuyªn
gia thñy v¨n hoÆc mét ®éi ngò c¸c chuyªn gia vÒ c¸c nh¸nh cña thñy v¨n häc.
V× ý kiÕn chuyªn m«n kh«ng ph¶i lμ cã s½n trong nhiÒu nghiªn cøu, th«ng
th êng c©n b»ng n íc cã chÊt l îng kh¸c nhau trong c¸c tr êng hîp kh¸c
nhau.
TÝnh bÊt ®Þnh trong kh¶ n¨ng so s¸nh c©n b»ng n íc nμy ®· h¹n chÕ sù n©ng
cao hiÓu biÕt vÒ thñy v¨n hå, còng nh c¬ héi ®Ó so s¸nh gi÷a c¸c t×nh huèng.
H¬n n÷a, phÇn lín c¸c c©n b»ng n íc kh«ng bao gåm sù ®¸nh gi¸ møc ®é bÊt
®Þnh cña c¸c gi¸ trÞ thñy v¨n cÇn tÝnh to¸n (Winter 1981), còng h¹n chÕ sù h÷u
dông cña chóng.
§Ó x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc vμ cã thÓ sö dông nã víi mét møc tin cËy, cÇn ph¶i
cã nhËn thøc vÒ nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n, c¸c kü thuËt ®o ®¹c, vμ nh÷ng hiÓu
biÕt vÒ tÝnh bÊt ®Þnh vÒ gi¸ trÞ cña c¸c yÕu tè thñy v¨n kh¸c nhau co t ¬ng t¸c
víi hå. Môc ®Ých cña ch ¬ng nμy lμ cung cÊp mét nÒn t¶ng ®Ó tõ ®ã ph¸t triÓn
sù hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh thñy v¨n liªn quan ®Õn hå. Ch ¬ng nμy h íng
vμo tõng thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n víi sù l u t©m tíi nh÷ng nguyªn
lý c¬ b¶n vÒ sù vËn ®éng cña n íc, c¸c gi¶ thiÕt cÇn ®Ó sö dông, lùa chän c¸c
phÐp ®o hoÆc tÝnh to¸n, vμ ®é bÊt ®Þnh vÒ gi¸ trÞ ® îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ph ¬ng
ph¸p kh¸c nhau.
HÖ thèng thñy v¨n hå
57 http://www.ebook.edu.vn
- Xem xÐt hå nh mét ®èi t îng tÝnh to¸n cã thÓ nhËn thÊy, hå nhËn n íc tõ:
(1) khÝ quyÓn, bëi gi¸ng thñy trùc tiÕp trªn bÒ mÆt cña hå,
(2) n íc mÆt, bëi dßng ch¶y tíi hå, tõ c¸c s«ng suèi, bëi dßng ch¶y trμn hay
dßng ch¶y s ên dèc, vμ
(3) n íc ngÇm, bëi qu¸ tr×nh thÊm vμo trong hå.
Hå mÊt n íc tõ:
(1) khÝ quyÓn, bëi sù bay h¬i trùc tiÕp tõ bÒ mÆt hå,
(2) n íc mÆt, bëi dßng ch¶y mÆt ®i ra tõ hå, vμ
(3) n íc ngÇm, bëi sù ngÊm ra tõ hå. Trong mét thêi ®o¹n nμo ®ã, sù bÊt c©n
b»ng gi÷a nguån ®Õn vμ tæn thÊt dÉn ®Õn sù thay ®æi l îng tr÷, ® îc ph¶n
¸nh b»ng sù thay ®æi mùc n íc hå.
§èi víi mét sè thμnh phÇn cña c©n b»ng n íc ta cã thÓ ®o ®¹c chóng mét c¸ch
trùc tiÕp vμ ë chÝnh vÞ trÝ biªn cña hå. VÝ dô, dßng ch¶y th«ng th êng cã thÓ ®o
® îc t¹i c¸c tuyÕn ch¶y vμo vμ ra cña hå. KÕt qu¶ lμ c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c cã ®é
chÝnh x¸c cao ®èi víi nh÷ng thμnh phÇn n íc mÆt. Ngoμi ra, cã thÓ thu ® îc
nh÷ng gi¸ trÞ ®Çu vμo kh¸ chÝnh x¸c tõ khÝ quyÓn b»ng c¸ch sö dông thÝch hîp
sè l îng vμ kho¶ng c¸ch nh÷ng tr¹m ®o gi¸ng thñy ë hå. Víi nh÷ng thμnh
phÇn kh¸c, kh«ng thÓ ®o ®¹c trùc tiÕp nh÷ng gi¸ trÞ dßng ch¶y mét c¸ch chÝnh
x¸c. VÝ dô, bèc h¬i, ch¶y trμn, vμ n íc ngÇm ch¶y vμo hay ch¶y ra nãi chung,
cÇn ® îc tÝnh to¸n tõ nhiÒu lo¹i sè liÖu thñy v¨n vμ khÝ hËu kh¸c nhau.
MÆc dï cã thÓ ®o ® îc dßng ch¶y ngÇm mét c¸ch trùc tiÕp b»ng viÖc sö dông
nh÷ng ®ång hå ®o thÊm, hÇu hÕt nh÷ng thiÕt bÞ nμy th êng chØ ® îc sö dông
t¹i nh÷ng ®iÓm mÉu lùa chän trong kh«ng gian vμ thêi gian, chø kh«ng theo
dâi liªn tôc. H¬n n÷a, mÆc dï mét sè thμnh phÇn thñy v¨n cã thÓ ®o ® îc t¹i
ranh giíi cña hå, ®Ó hiÓu vμ m« h×nh hãa sù c©n b»ng n íc cña hå, ®Æc biÖt lμ
sù t ¬ng t¸c gi÷a hå víi nh÷ng thμnh phÇn n íc mÆt vμ n íc ngÇm, cÇn thiÕt
ph¶i cã mét kiÕn thøc vÒ ® êng dßng bªn trong l u vùc n íc mÆt vμ n íc
ngÇm liªn quan ®Õn hå.
2.1 Sù t ¬ng t¸c cña hå víi n íc khÝ quyÓn
2.1.1 Gi¸ng thñy
Sù vËn ®éng cña n íc trong khÝ quyÓn biÕn ®éng lín theo kh«ng gian, thêi gian
vμ rÊt phøc t¹p. §iÒu nμy còng ®óng cho c¸c yÕu tè thμnh t¹o gi¸ng thuû. Bëi
vËy, l©u nay nã vÉn lμ mét th¸ch thøc cho c¸c nhμ thñy v¨n häc ®Ó ®o ®¹c hoÆc
tÝnh to¸n líp gi¸ng thñy cña khu vùc. Nh÷ng kiÓu thêi tiÕt kh¸c nhau g©y ra
nh÷ng lo¹i gi¸ng thñy kh¸c nhau. Trong mét sè vïng vμ vμo nh÷ng mïa nhÊt
®Þnh, phæ biÕn, nh÷ng kiÓu thêi tiÕt gièng nhau, dÉn ®Õn gi¸ng thñy gièng
nhau trªn khu vùc; phÐp ®o gi¸ng thñy d íi nh÷ng ®iÒu kiÖn nμy cã thÓ kh¸
chÝnh x¸c. Tuy nhiªn, nÕu gi¸ng thñy phÇn lín tõ nh÷ng c¬n m a gi«ng ®èi l u
kÌm theo giã m¹nh, th× ®o ®¹c chÝnh x¸c gi¸ng thñy thùc tÕ lμ rÊt khã kh¨n vμ
58 http://www.ebook.edu.vn
- cã nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ. Ngoμi ra, d¹ng vμ c êng ®é cña gi¸ng thñy tõ m a ®èi
l u cã tÝnh biÕn ®éng cao theo kh«ng gian, vμ tÝnh khu vùc cña d÷ liÖu ®Þa
ph ¬ng lÊy ë c¸c tr¹m ®o cã thÓ cã sai sè ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ nghiªn cøu vμ t×m
hiÓu vÒ ®éng lùc häc khÝ quyÓn, nh÷ng thÝ nghiÖm ®o ®¹c gi¸ng thñy, vμ nh÷ng
so s¸nh tÝnh khu vùc bëi Illinois State Water Survey (vÝ dô, Huff vμ Neill 1957,
Huff vμ Shipp 1969) trong vμi thËp niªn ®· hç trî ®¸ng kÓ cho nhËn thøc vÒ
c¸c d¹ng gi¸ng thñy, thùc sù cÇn thiÕt cho viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c thμnh phÇn
®Çu vμo tõ khÝ quyÓn cña c¸n c©n n íc.
MÆc dï tån t¹i sù bÊt ®Þnh trong ®o ®¹c gi¸ng thñy (xem Larson 1971 nh mét
vÝ dô cña mét trong sè rÊt nhiÒu tμi liÖu xem xÐt vÒ ®Ò tμi nμy), th¸ch thøc c¬
b¶n trong viÖc x¸c ®Þnh l îng n íc tõ khÝ quyÓn tíi hå lμ sù lμm s¸ng tá hay
ph©n phèi theo vïng cña sè liÖu ®o ®¹c. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p chñ yÕu cña viÖc
ph©n vïng sè liÖu m a ®iÓm lμ ph ¬ng ph¸p ® êng ®¼ng trÞ l îng m a, ph-
¬ng ph¸p ®a gi¸c Th¸i S¬n, vμ ph ¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh cã träng sè.
Nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy ® îc m« t¶ trong hÇu hÕt c¸c s¸ch gi¸o khoa thñy v¨n
häc, nh ng mét vÝ dô ®å thÞ cña sù so s¸nh ba ph ¬ng ph¸p bëi Linsley vμ
nh÷ng ng êi kh¸c (1975) chØ ra r»ng nh÷ng thÓ tÝch n íc tÝnh to¸n cho mét
vïng nhÊt ®Þnh sö dông cïng nh÷ng sè l îng phÐp ®o trong mét m¹ng l íi c¸c
tr¹m ®o ®¹c chªnh lÖch nhau tõ 9-18%. VÝ dô nμy tr×nh bμy viÖc x¸c ®Þnh gi¸ng
thñy trªn l u vùc cã nh÷ng tr¹m ®o ph©n bè.
N íc tõ khÝ quyÓn r¬i trùc tiÕp vμo hå hiÕm khi ® îc ®o ®¹c trªn bÒ mÆt n íc.
V× c¸c tr¹m ®o gi¸ng thñy th«ng th êng ph¶i ® îc ®Æt trªn mÆt ®Êt, cÇn ph¶i
sö dông mét sè ph ¬ng ph¸p ph©n vïng nμo ®ã ®Ó x¸c ®Þnh líp n íc trªn toμn
bé hå tõ líp n íc ®o ® îc t¹i nh÷ng tr¹m ®o. Víi nh÷ng hå nhá th× sè liÖu m a
r¬i trªn mÆt ®Êt kh¸ tiªu biÓu cho m a r¬i trªn hå. Tuy nhiªn, víi nh÷ng hå
lín, cÇn ph¶i sö dông mét sè tr¹m ®o ®¹c xung quanh hå ®Ó tÝnh to¸n m a r¬i
trªn hå. Trong mét sè tr êng hîp thËm chÝ c¸ch tiÕp cËn nμy vÉn ch a ph¶i lμ
tháa m·n. VÝ dô, nh÷ng hå lín ®«i khi kh«ng cã m©y che phñ trong khi vïng
®Êt xung quanh l¹i cã, vμ t¹i thêi ®iÓm kh¸c th× ng îc l¹i. Víi nh÷ng hå lín,
chóng ta hÇu nh kh«ng thÓ biÕt ® îc møc ®é bÊt ®Þnh cña thÓ tÝch n íc r¬i
trùc tiÕp trªn mÆt n íc.
Thμnh phÇn gi¸ng thñy cña c¸n c©n n íc th êng ® îc x¸c ®Þnh tõ sè liÖu m¹ng
l íi quèc gia. ë Hoa Kú mËt ®é l íi tr¹m cña Uû ban thêi tiÕt quèc gia (NWS)
lμ xÊp xØ 650 km2 mét tr¹m ®o. Nh÷ng tr¹m ®o nμy Ýt khi ® îc ®Æt ngay trong
vïng l©n cËn cña hå cÇn quan t©m; bëi vËy, mét trong nh÷ng ph ¬ng ph¸p
ph©n vïng ® îc ®Ò cËp ë trªn th êng ® îc sö dông.
Siegel vμ Winter (1980) so s¸nh c¸c ph ¬ng ph¸p ph©n vïng ë hå Williams,
Minnesota, sö dông sè liÖu gi¸ng thñy mïa hÌ n¨m 1978. L îng gi¸ng thñy tíi
hå ® îc tÝnh to¸n sö dông ba ph ¬ng ph¸p; trung b×nh sè häc, trung b×nh träng
sè, vμ ® êng ®¼ng trÞ l îng m a, ch¼ng h¹n nh sö dông sè liÖu tõ hai m¹ng
l íi riªng biÖt. M¹ng l íi lín h¬n gåm cã ba tr¹m ®o ®¹c NWS ®Æt ë kho¶ng 40
km theo c¸c h íng kh¸c nhau tõ hå, vμ m¹ng l íi nhá h¬n gåm cã c¸c tr¹m ®äc
59 http://www.ebook.edu.vn
- gi¸ trÞ quan tr¾c ®Þnh vÞ ë bªn trong xÊp xØ 5 km cña hå. Nh÷ng l îng cña
gi¸ng thñy tÝnh to¸n ® îc so s¸nh víi nh÷ng l îng cña gi¸ng thñy ®o bëi dông
cô ®o tù ghi t¹i hå. Bªn trong mçi m¹ng l íi d÷ liÖu, tÝnh to¸n gi¸ng thñy hμng
ngμy trung b×nh thêi ®o¹n h¬n 2 tuÇn th× t ¬ng tù víi c¶ ba ph ¬ng ph¸p tÝnh
to¸n (H×nh 2.1).
H×nh 2. 1 A, B: Sù kh¸c nhau gi÷a gi¸ng thñy ® îc ®o bëi mét tr¹m tù ghi ë hå Williams, Minnesota, vμ
® îc ®¸nh gi¸ b»ng ba c¸ch ph©n vïng sö dông sè liÖu tõ m¹ng l íi qui m« nhá (Deep Portage) vμ
m¹ng l ìi qui m« lín (NWS). A: L îng gi¸ng thñy trung b×nh ngay trong thêi kú 2 tuÇn. B: l îng gi¸ng
thñy trong c¶ c¬n b o lín nhÊt trong thêi kú 2 tuÇn. (§ îc x¸c ®Þnh bëi Siegel vμ Winter 1980)
Nh÷ng ®¸nh gi¸ tõ m¹ng l íi quy m« nhá th«ng th êng lμ s¸t víi nh÷ng gi¸ trÞ
ghi ® îc t¹i hå. Sù sai kh¸c lín nhÊt víi nh÷ng gi¸ trÞ ghi ® îc t¹i hå, khi xem
xÐt trung b×nh mét tuÇn hai lÇn, lμ cho thêi kú gi÷a th¸ng t¸m, khi sö dông sè
liÖu NWS. ViÖc so s¸nh tμi liÖu m a cho c¬n m a lín nhÊt xuÊt hiÖn trong suèt
60 http://www.ebook.edu.vn
- thêi ®o¹n 2 tuÇn chØ ra r»ng ®é s©u m a r¬i tÝnh to¸n tõ m¹ng l íi qui m« nhá
th× lu«n lu«n gÇn nh t ¬ng tù víi nh÷ng sè liÖu mμ ® îc ghi t¹i hå h¬n lμ ®é
s©u m a r¬i tÝnh to¸n tõ m¹ng l íi NWS. Sù kh¸c nhau lín nhÊt lμ mét c¬n
m a lín vμo gi÷a th¸ng t¸m, khi mμ nh÷ng ®é s©u tÝnh to¸n ® îc tõ m¹ng l íi
NWS chªnh lÖch h¬n 25 mm so víi nh÷ng ®é s©u ghi nhËn ® îc t¹i hå hoÆc tõ
m¹ng l íi qui m« nhá. Nh÷ng d÷ liÖu nμy chØ ra r»ng gi¸ng thñy cÇn thiÕt ®Ó
® îc ®o ®¹c cμng gÇn hå th× cμng tèt, nÕu kh«ng ph¶i bëi nh÷ng tr¹m ®o ®¹c
ghi ® îc t¹i vÞ trÝ ®ã, th× Ýt nhÊt còng bëi nh÷ng tr¹m ®o ®¹c ®äc quan tr¾c
®¸ng tin cËy ë gÇn hå.
2.1.2 Bèc h¬i
Bèc h¬i lμ qu¸ tr×nh mμ n íc ë bÒ mÆt hå ® îc chuyÓn ®æi tõ tr¹ng th¸i láng
sang tr¹ng th¸i h¬i. Tèc ®é bèc h¬i phô thuéc trùc tiÕp vμo gradien khÝ ¸p
ngang qua mÆt tiÕp gi¸p gi÷a kh«ng khÝ vμ n íc. PhÝa trªn ranh giíi gi÷a n íc
vμ kh«ng khÝ, giã vμ x¸o trén rèi theo ph ¬ng th¼ng ®øng vËn chuyÓn h¬i n íc,
nh vËy duy tr× gradien khÝ ¸p. H¬n n÷a, bëi v× l îng Èn nhiÖt ho¸ h¬i cña
n íc lín, nhiÖt cã thÓ to¶ ra tõ chÝnh b¶n th©n n íc (Ragotzkie 1978). Bëi vËy,
®Ó x¸c ®Þnh l îng bèc h¬i chÝnh x¸c nhÊt cã thÓ, cÇn ph¶i ®o ®¹c bøc x¹, nhiÖt
®é kh«ng khÝ, gradien khÝ ¸p, vμ nhiÖt ®é cña n íc. Mét c¸ch lý t ëng, toμn bé
c©n b»ng n¨ng l îng cña hå (H×nh 2.2) ph¶i ® îc theo dâi liªn tôc bëi v× nh÷ng
®Æc tr ng ®éng lùc cao cña khÝ hËu.
H×nh 2.2: Nguån n¨ng l îng vμ thÊm liªn quan víi ng©n qòy n¨ng l îng cña c¸c hå. Qs lμ bøc x¹ mÆt
trêi sãng ng¾n tíi; Qr lμ bøc x¹ sãng ng¨n ph¶n x¹; Qa lμ bøc x¹ mÆt ®Êt sãng dμi ®Õn; Qar lμ bøc x¹
sãng dμi ph¶n x¹; Qbs lμ bøc x¹ sãng dμi ph¸t ra tõ n íc; Qb lμ n¨ng l îng thu ® îc chuyÓn ®éng
ngang tíi vμ tõ c¸c trÇm tÝch; Qv lμ n¨ng l îng thu ® îc chuyÓn ®éng ngang tíi vμ tõ hå; Qx lμ thay
®æi l îng tr÷ nhiÖt trong hå.
Nh÷ng nghiªn cøu vÒ c©n b»ng n¨ng l îng cña c¸c hå th«ng th êng ch a ® îc
tiÕn hμnh bëi liªn quan ®Õn chi phÝ vμ nh©n lùc. Kh«ng chØ lμ nh÷ng dông cô
®¾t tiÒn, mμ cßn cÇn ph¶i kiÓm tra th êng xuyªn sù ®Þnh kÝch cì cña chóng víi
nh÷ng c¶m kÕ riªng biÖt vμ cÇn nhiÒu thêi gian ®Ó b¶o ®¶m chÊt l îng cña tμi
liÖu khÝ hËu, dÉn ®Õn nh÷ng chi phÝ nh©n sù cao. Ngoμi ra, nh÷ng profile nhiÖt
®é ë nhiÒu l¸t c¾t trong hå, sù kh¶o s¸t nhiÖt, cÇn ® îc tiÕn hμnh ®Òu ®Æn th -
êng xuyªn trong nh÷ng kho¶ng thêi gian nh hμng tuÇn, mét tuÇn hai lÇn
hoÆc hμng th¸ng.
Tuy vËy, ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng trong tÝnh to¸n bèc h¬i nãi chung
61 http://www.ebook.edu.vn
- ® îc xem xÐt nh lμ ph ¬ng ph¸p chÝnh x¸c nhÊt cho nh÷ng nghiªn cøu bao
trïm nh÷ng giai ®o¹n c¸c th¸ng, c¸c mïa, hoÆc c¸c n¨m; bëi vËy, ®ã lμ tiªu
chuÈn mμ c¨n cø vμo ®ã ®Ó ®¸nh gi¸ nh÷ng ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm. Mét
th¶o luËn chi tiÕt vÒ ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng ®Ó tÝnh bèc h¬i ch a
® îc giíi thiÖu ë ®©y, bëi v× sù di chuyÓn nhiÖt n¨ng víi sù l u t©m tíi c¸c hå
® îc bμn luËn bëi Imboden vμ Wuest vμ bëi Hostetler, vμ nã ® îc bμn luËn
réng r·i trong nh÷ng cuèn kh¸c nh lμ s¸ch cña Brutsaert (1982).
Mét khÝa c¹nh cña nghiªn cøu c©n b»ng n¨ng l îng mμ hiÕm khi ® îc xem xÐt
®Õn lμ n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn n íc ngÇm; ®a sè c¸c nghiªn cøu tr -
íc ®©y cho r»ng n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn gi¸ng thñy vμ tÇng n íc
mÆt. N íc ngÇm cã thÓ lμ mét thμnh phÇn chÝnh trong c¸n c©n n íc cña nh÷ng
hå kÝn. Mét vÝ dô vÒ ¶nh h ëng cña n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn n íc
ngÇm tíi sù bay h¬i tõ mét hå kÝn trong mét khÝ hËu «n hßa ® îc giíi thiÖu bëi
Sturrock cïng céng sù (1992).
Nh÷ng yÕu tè trong c©n b»ng n¨ng l îng, bao gåm dßng n¨ng l îng liªn quan
víi n íc ngÇm, ®· ® îc x¸c ®Þnh râ cho hå Williams, mét hå kÝn nhá (40 ha) ë
trung t©m phÝa b¾c Minnesata, víi chu kú më n íc lμ 5 n¨m. N íc ngÇm chiÕm
h¬n 50% l îng n íc hμng n¨m tíi hå vμ h¬n 50% tæn thÊt n íc hμng n¨m tõ
hå. Tuy nhiªn, v× n íc ngÇm trong khÝ hËu nμy th× kh¸ l¹nh (xÊp xØ 70C), nã
®ãng gãp nhá nhÊt l îng nhiÖt n¨ng ® îc nhËp vμo hå. N íc hå ngÊm tíi tÇng
n íc ngÇm th× chØ Êm vμo 1 hoÆc 2 th¸ng mïa hÌ; bëi vËy, n¨ng l îng nhiÖt tèi
thiÓu bÞ tæn thÊt cho n íc ngÇm. Toμn bé ¶nh h ëng cña tæn thÊt n íc cho sù
bèc h¬i ë hå Williams ® îc tÝnh to¸n bëi n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn
n íc ngÇm nhá h¬n 1%.
HÇu hÕt c¸c nghiªn cøu c¸n c©n n íc, bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p
thùc nghiÖm, bëi v× nh÷ng chi phÝ thao t¸c cho viÖc x¸c ®Þnh sù bèc h¬i b»ng
ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng lín. Cã Ýt nhÊt 30 ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm
®· ® îc sö dông hoÆc ®Ò x íng cho viÖc x¸c ®Þnh bèc tho¸t h¬i n íc, rÊt nhiÒu
trong sè ®ã ®· ® îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh bèc h¬i bÒ mÆt n íc. Nh÷ng ph ¬ng
ph¸p nμy yªu cÇu ph¹m vi sè liÖu réng. VÝ dô, mét sè ph ¬ng ph¸p biÕn thÓ
cña c¸ch tiÕp cËn c©n b»ng n¨ng l îng, yªu cÇu sè liÖu tõ nhiÒu c¶m kÕ hay
®Çu dß, trong khi nh÷ng ph ¬ng ph¸p kh¸c yªu cÇu sè liÖu tõ mét c¶m kÕ hay
®Çu dß ®¬n gi¶n nh mét ®Çu dß nhiÖt ®é.
MÆc dï mét sè nghiªn cøu ®· so s¸nh nhiÒu ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm kh¸c
nhau trong viÖc x¸c ®Þnh bèc h¬i thùc vËt (vÝ dô nh Tanner 1967; McGuiness
vμ Bordne 1972), c¸c nghiªn cøu so s¸nh nh÷ng ph ¬ng tr×nh ® îc chän cho
viÖc sö dông trªn nh÷ng bÒ mÆt n íc tho¸ng th× cã Ýt h¬n (vÝ dô, Harbeck cïng
céng sù 1958; Brutsaert 1982; Warnala vμ Pochop 1988). Nghiªn cøu c©n b»ng
n¨ng l îng cña hå Williams, Minnesota, ®ßi hái sö dông nhiÒu c¶m kÕ hay ®Çu
dß. Bëi vËy, râ rμng cã thÓ ®¸nh gi¸ mét sè ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm x¸c ®Þnh
sù bay h¬i dùa vμo nh÷ng gi¸ trÞ ®· x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng
l îng.
62 http://www.ebook.edu.vn
- B¶ng 2.1. C¸c ph ¬ng ph¸p ® sö dông ®Ó so s¸nh l îng bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c ph ¬ng
ph¸p thùc nghiÖm víi l îng bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p ng©n qòy n¨ng l îng cho hå
Williams, Minnesota.
Ph ¬ng ph¸p Tμi liÖu tham kh¶o
Brutsaert-Stricker Brutsaert vμ Stricker (1979)
DeBruin DeBruin (1978)
DeBruin-Keijman DeBruin vμ Keijman (1979)
Hamon Hamon (1961)
Jenson vμ Haise McGuinness vμ Bordne (1972)
Makkink McGuinness vμ Bordne (1972)
Khèi l îng di chuyÓn Harbeck vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1958)
Papadakis McGuinness vμ Bordne (1972)
Penman Jensen vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1974)
Priestley-Taylor Stewart vμ Rouse (1976)
Stephens vμ Stewart McGuinness vμ Bordne (1972)
B¶ng 2.2: Tæng kÕt thèng kª vÒ sù chªnh lÖch trong l îng bèc h¬i tõng th¸ng cho hå Williams,
Minnesota
Ph ¬ng ph¸p MÆt ®Êt C¸c chuÈn mùc
Trung SD Trung SD Trung SD Trung SD
b×nh b×nh b×nh b×nh
Jenson vμ Haise 0.00 1.80 -0.33 1.83 0.10 1.95
Penman -0.03 0.80 -0.79 0.82 -0.87 0.83
Khèi l îng di chuyÓn -0.10 1.27 -4.64 1.76 -6.26 2.09 -5.20 2.23
DeBruin-Keijman 0.16 0.90 0.08 0.91
Makkink -0.35 1.58 -0.46 1.56 -0.14 1.76
Priestley-Taylor 0.42 0.96 0.30 0.96
Papadakis -0.43 1.21 2.13 1.35 1.49 1.19
Hamon 0.77 1.65 0.46 1.70 0.85 1.79
DeBruin 0.86 1.78 -4.22 2.05 -5.27 2.28 -4.28 2.22
Stephens vμ Stewart -1.30 1.32 -1.57 1.33 -1.10 1.50
Brutsaert-Stricker 2.17 1.27 2.22 1.27 2.09 1.25
e0 ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ; To, nhiÖt ®é n íc mÆt; Ta, nhiÖt ®é kh«ng khÝ.
a
e0 t¹i T0 lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é n íc mÆt cña hå.
b
e0 t¹i Ta lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o t¹i nhiÖt ®é kh«ng khÝ
M êi mét ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh sù bay h¬i ®· ® îc ®¸nh gi¸
trong nghiªn cøu hå Williams (Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1995). C¸c ph ¬ng
ph¸p tham kh¶o lμ d¹ng cña nh÷ng ph ¬ng tr×nh sö dông ® îc liÖt kª trong
b¶ng 2.1. Cã nh÷ng sù so s¸nh c¸c gi¸ trÞ bèc h¬i mÆt n íc th¸ng cña 22 th¸ng
trong thêi kú 5 n¨m. Nh÷ng th¸ng mμ hå bÞ b¨ng tuyÕt bao phñ (th¸ng 6-7 mçi
n¨m), xem nh nh÷ng th¸ng mμ kh«ng cã bé sè liÖu ®Çy ®ñ, ®· bÞ lo¹i trõ trong
sù so s¸nh. Sè liÖu tõ ba tr¹m khÝ hËu ®· ® îc sö dông trong nghiªn cøu: mét
tr¹m ë trung t©m cña hå, mét tr¹m mÆt ®Êt c¸ch bê hå kho¶ng gÇn 100 m vμ
mét tr¹m kh¸c thuéc m¹ng l íi n«ng nghiÖp ë vÞ trÝ c¸ch 60 km vÒ phÝa nam
63 http://www.ebook.edu.vn
- cña hå. Tãm t¾t thèng kª vÒ nh÷ng sù so s¸nh ® îc chØ ra trong b¶ng 2.2.
64 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 2.3 a,b: Chªnh lÖch gi÷a gi¸ trÞ bèc h¬i ® îc tÝnh b»ng ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng vμ c¸c
gi¸ trÞ ® îc tÝnh to¸n b»ng c¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm cho hå Williams, Minnesota, 1982-1986.
Nh÷ng ph ¬ng ph¸p cÇn cho m¹ng l íi bøc x¹ cã thÓ kh«ng sö dông khi sö
dông d÷ liÖu Staples. Duy nhÊt ph ¬ng ph¸p cÇn ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ (e0)
®· sö dông tÝnh to¸n e0 t¹i Ta trong vÞ trÝ cña e0 t¹i T0. Gi¸ trÞ (cm) ® îc x¸c
®Þnh bëi c©n b»ng n¨ng l îng vμ bëi 11 ph ¬ng ph¸p kinh nghiÖm sö dông sè
liÖu tõ ba tr¹m khÝ hËu kh¸c nhau. Sè liÖu ® îc quan tr¾c tõ tr¹m ë gi÷a hå,
tr¹m mÆt ®Êt c¸ch hå 100m, vμ tr¹m khÝ hËu t¹i Staples, Minnesota, c¸ch 60
km vÒ phÝa nam cña hå.
Dùa vμo gi¸ trÞ trung b×nh vμ ®é lÖch chuÈn cña sù chªnh lÖch bay h¬i hμng
th¸ng, c¸c ph ¬ng ph¸p Perman, DeBruin-Keijman, vμ Priestley-Taylor cho
c¸c gi¸ trÞ gÇn nhÊt víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng. Gi¸ trÞ trung b×nh cña
chªnh lÖch hμng th¸ng th× nhá h¬n 0.5 cm, vμ ®é lÖch chuÈn cña chªnh lÖch
hμng th¸ng nhá h¬n 1.0 cm cho c¶ ba ph ¬ng ph¸p khi sö dông sè liÖu cña
tr¹m ë gi÷a hå.
H¬n n÷a, sù bèc h¬i x¸c ®Þnh theo ba ph ¬ng ph¸p nμy sö dông sè liÖu cña
tr¹m mÆt ®Êt còng cho c¸c gi¸ trÞ gÇn víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng
(H×nh 2.3a). Nh÷ng lo¹i sè liÖu chung mμ ba ph ¬ng ph¸p nμy yªu cÇu lμ nhiÖt
®é kh«ng khÝ, bøc x¹ thùc vμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é trong hå gi÷a c¸c lÇn kh¶o
65 http://www.ebook.edu.vn
- s¸t. Bëi vËy, sö dông nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy yªu cÇu nh÷ng dông cô ® îc
®Þnh vÞ ë hå, vμ vÞ trÝ ®ã ® îc t¹o ra ®Ó kiÓm tra c¸c dông cô vμ ®Ó tiÕn hμnh
c¸c kh¶o s¸t nhiÖt.
Sè liÖu lμ tõ c¸c tr¹m khÝ hËu dùa trªn mét tr¹m gi÷a hå, ë trªn mÆt ®Êt c¸ch
hå 100m vμ t¹i mét tr¹m khÝ hËu t¹i Staples, Minnesota, c¸ch 60km vÒ phÝa
nam cña hå. C¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm mμ cho kÕt qu¶ phï hîp nhÊt víi
c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng lμ DeBruin-Keijman, Priestley-Taylor, vμ
Penman. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p cßn l¹Ýit phï hîp nhÊt, ®Æc biÖt lμ nÕu sè liÖu
kh«ng ph¶i lμ cña tr¹m gi÷a hå, lμ b truyÒn khèi l îng vμ DeBruin. e0 t¹i T0
lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é cña n íc mÆt; e0 t¹i Ta lμ ¸p suÊt h¬i
n íc b·o t¹i nhiÖt ®é kh«ng khÝ; raft lμ sè liÖu cña tr¹m gi÷a hå; land lμ sè liÖu
cña tr¹m mÆt ®Êt c¸ch hå 100m; Staples lμ sè liÖu cña tr¹m khÝ hËu ë Staptes
Minnesota, c¸ch 60km vÒ phÝa nam cña hå. (cña Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c
1995).
Nh÷ng ph ¬ng ph¸p so s¸nh c¸c gi¸ trÞ thuËn lîi tèi thiÓu víi c¸c gi¸ trÞ c©n
b»ng n¨ng l îng khi sö dông sè liÖu tõ tr¹m mÆt ®Êt lμ khèi l îng di chuyÓn
vμ ph ¬ng ph¸p Debruin (H×nh 3b). C¶ hai ph ¬ng ph¸p nμy coi tèc ®é giã nh
mét thμnh phÇn næi bËt trong ph ¬ng tr×nh. (MÆc dï tèc ®é giã ® îc sö dông
trong ph ¬ng ph¸p Penman, ®ã lμ yÕu tè thø hai sau yÕu tè bøc x¹ thùc). HÖ sè
khèi l îng di chuyÓn ® îc lÊy dùa vμo c©n b»ng n¨ng l îng sö dông sè liÖu tõ
tr¹m gi÷a hå, bëi vËy, sù chªnh lÖch trung b×nh cña nh÷ng gi¸ trÞ c©n b»ng
n¨ng l îng sö dông sè liÖu tõ tr¹m gi÷a hå chØ -0.10 cm, nh ng ®é lÖch chuÈn
th× lín (1.27 cm). Tuy nhiªn, khi sè liÖu giã cña tr¹m mÆt ®Êt ® îc thay thÕ cho
sè liÖu giã cña tr¹m gi÷a hå, ph ¬ng ph¸p tá ra lμ kh«ng tho¶ m·n. Sè liÖu tèc
®é giã cña hå Williams chØ ra r»ng tèc ®é giã ghi ® îc t¹i tr¹m mÆt ®Êt th«ng
th êng nhá h¬n tèc ®é giã ghi ® îc t¹i tr¹m ë trung t©m cña hå lμ 20-40%.
Nh÷ng kÕt qu¶ nμy cho thÊy r»ng c¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh sù
bay h¬i mμ yªu cÇu sö dông sè liÖu giã chØ tháa m·n khi tèc ®é giã ® îc ®o t¹i
mét tr¹m ë trung t©m cña hå.
MÆc dï c¸c nhμ khÝ hËu häc ®· quan t©m vÒ tÝnh chÊt vËt lý cña sù bèc h¬i qua
nhiÒu n¨m, nh ng thμnh phÇn nμy cña sù c©n b»ng n íc hå ®· kh«ng nhËn
® îc sù chó ý cña c¸c nhμ nghiªn cøu vÒ hå tØ lÖ víi sù quan träng cña nã.
C«ng viÖc ®¸ng kÓ h¬n nhiÒu lμ ®¸nh gi¸ c¸c hÖ sè, c¸c h»ng sè, c¸c gi¶ thiÕt,
trang bÞ m¸y mãc, vμ thiÕt kÕ vÞ trÝ phÇn tö nh¹y cho nhiÒu ph ¬ng ph¸p x¸c
®Þnh sù bèc h¬i. Nh÷ng sù ®¸nh gi¸ cÇn ® îc tiÕn hμnh cho c¸c hå n»m trong
mét m«i tr êng ®Þa lý vμ khÝ hËu ®a d¹ng, réng lín.
2.2. Sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi n íc mÆt
N íc mÆt lμ thμnh phÇn duy nhÊt cña hÖ thèng thñy v¨n nãi chung, ® îc x¸c
®Þnh cÈn thËn víi sù chó ý tíi thø nguyªn vËt lý cña nã. H¬n 100 n¨m nghiªn
cøu ®· dÉn ®Õn mét sù hiÓu biÕt vËt lý cña dßng ch¶y trong lßng dÉn hë vμ sù
ph¸t triÓn cña nh÷ng cÊu tróc ®o ®¹c nh c¸c ®Ëp trμn vμ m¸ng dÉn n íc. Khi
66 http://www.ebook.edu.vn
- x©y dùng nh÷ng cÊu tróc nμy mét c¸ch hîp lý cã thÓ ®o l u l îng víi sai sè xÊp
xØ 5% gi¸ trÞ thùc. Bëi vËy, nÕu c¸c ®Ëp trμn hoÆc c¸c m¸ng dÉn n íc cã thÓ sö
dông ®Ó ®o ®¹c chÝnh x¸c dßng ch¶y t¹i ®iÓm mμ chóng vμo hoÆc ra khái hå,
nh÷ng phÐp ®o l u l îng nμy sÏ lμ nh÷ng gi¸ trÞ chÝnh x¸c nhÊt cho sù c©n
b»ng n íc. Nh÷ng tμi liÖu h íng dÉn ®Ó lùa chän vμ thiÕt kÕ c¸c ®Ëp trμn vμ
c¸c m¸ng dÉn n íc ® îc x©y dùng bëi nh÷ng c¬ quan nh Nha KhÝ t îng vμ
Thêi tiÕt Mü (1975).
Tuy nhiªn, nÕu nh÷ng dßng ch¶y lín th êng kh«ng sö dông tíi phÐp ®o bëi c¸c
®Ëp trμn hoÆc c¸c m¸ng dÉn n íc, chóng th êng cÇn ® îc ®o ®¹c b»ng c¸ch sö
dông mét ®ång hå ®o dßng ch¶y, mét dông cô tù ghi ®o qu¸ tr×nh, mét quan hÖ
l u l îng - mùc n íc hoÆc b»ng c¸ch sö dông ph ¬ng ph¸p chÊt chØ thÞ mμu.
§Ó sö dông ®ång hå ®o dßng ch¶y, dông cô tù ghi ®o qu¸ tr×nh, vμ quan hÖ qu¸
tr×nh l u l îng, ph¶i nhËn thøc r»ng vËn tèc cña dßng n íc bªn trong nh÷ng
lßng dÉn hë kh«ng ph¶i lμ ®ång nhÊt. § êng ph©n bè vËn tèc cña c¸c dßng ch¶y
nh×n chung cã d¹ng parab«n, phÇn lín bëi v× ma s¸t ë ®¸y lßng dÉn. L u l îng
® îc tÝnh to¸n nh lμ tÝch cña vËn tèc trung b×nh theo thêi gian vμ diÖn tÝch
mÆt c¾t ngang. Bëi vËy, ®Ó ®o l u l îng chÝnh x¸c ph¶i lμm nh÷ng phÐp ®o cho
nhiÒu vËn tèc riªng lÎ kh¾p c¶ mÆt c¾t ngang ®Ó x¸c ®Þnh vËn tèc trung b×nh,
vμ ®o chÝnh x¸c mÆt c¾t ngang cña lßng ch¶y. Sai sè trong phÐp ®o l u l îng
liªn quan ®Õn sè l îng c¸c phÐp ®o vËn tèc riªng lÎ vμ ® îc th¶o luËn bëi
Carter (1973).
Chóng ta cã c«ng nghÖ ®Ó theo dâi liªn tôc qu¸ tr×nh n íc mét c¸ch chÝnh x¸c.
Sù th¸ch thøc ®Ó thu ® îc sè liÖu liªn tôc cña qu¸ tr×nh lμ sù b¶o tr× thÝch hîp
hÖ thèng ®o ®¹c vμ sù ph©n tÝch cña nh÷ng nh©n tè ¶nh h ëng tíi qu¸ tr×nh ®ã
nh b¨ng vμ nh÷ng nguyªn nh©n kh¸c cña viÖc x©y ®Ëp. §Ó n©ng cao chÊt
l îng quan hÖ l u l îng - mùc n íc, cÇn thiÕt ph¶i ®o ®¹c c¸c cÊp l u l îng ë
mét ph¹m vi réng. RÊt nhiÒu nh©n tè ¶nh h ëng tíi dßng ch¶y t¹i vÞ trÝ ®o ®¹c
cÇn ® îc xem xÐt nh sù bÊt æn ®Þnh cña lßng dÉn hoÆc sù thay ®æi ®é dèc mÆt
n íc liªn quan ®Õn sù t¨ng vμ gi¶m cña qu¸ tr×nh sãng lò (Dickenson 1967).
Nh÷ng ph ¬ng ph¸p ®o ®¹c vμ tÝnh to¸n dßng ch¶y cã thÓ tham kh¶o ë Rantz
cïng céng sù (1982).
Nh÷ng n¬i khã ®o ®¹c dßng ch¶y v× nh÷ng ®iÒu kiÖn vÞ trÝ, nh÷ng kü thuËt
dïng chÊt chØ thÞ mμu, cã thÓ lμ thay thÕ duy nhÊt, ®Ó ®o l u l îng dßng ch¶y.
MÆc dï l u l îng dßng ch¶y cã thÓ ® îc ®o ®¹c kh¸ chÝnh x¸c b»ng nh÷ng
ph ¬ng ph¸p dïng chÊt chØ thÞ mμu, nh ng ph ¬ng ph¸p nμy kh«ng ph¶i lμ
thÝch hîp cho viÖc theo dâi l u l îng liªn tôc. Ph ¬ng ph¸p nμy dùa vμo
nguyªn lý cña thêi gian dÞch chuyÓn, vμ nã ® îc sö dông cã hiÖu qu¶ nhÊt víi
nh÷ng dßng ch¶y mμ bÞ x¸o trén tèt nh nh÷ng dßng ch¶y ®i qua khe nói. Ph -
¬ng ph¸p nμy ® îc giíi thiÖu trong mét tμi liÖu cña Wilson (1968) vÒ sù kiÕn
®Þnh vμ øng dông cña nã.
MÆc dï dßng ch¶y s«ng ngßi ®Õn vμ ®i khái c¸c hå cã thÓ ® îc ®o ®¹c chÝnh x¸c
cho môc ®Ých cña viÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc, hiÓu biÕt nh÷ng gi¸ trÞ dßng
67 http://www.ebook.edu.vn
- ch¶y vμo vμ ra kh«ng tÊt yÕu dÉn tíi sù am hiÓu vÒ c¬ chÕ t ¬ng t¸c gi÷a hå víi
l u vùc cña nã. §Ó hiÓu kü l ìng vÊn ®Ò mét hå vËn hμnh nh thÕ nμo cÇn ph¶i
hiÓu nh÷ng ®Æc tr ng dßng ch¶y vμ l u vùc cña nã. Sù hiÓu biÕt nh vËy ®Æc
biÖt cÇn cho m« h×nh dù b¸o dßng ch¶y vμ vËn chuyÓn chÊt hßa tan. NhiÒu m«
h×nh l u vùc ®· ® îc ph¸t triÓn, biÕn ®æi tõ nh÷ng m« h×nh tham sè tËp trung
(Blackie vμ Eeles 1985). HÇu hÕt c¸c m« h×nh l u vùc gièng nhau ë chç lμ
chóng xem xÐt tÊt c¶ c¸c thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n t ¬ng t¸c bªn
trong l u vùc. Nh vËy, ngoμi viÖc xem xÐt tÊt c¶ c¸c nh©n tè thñy v¨n ¶nh
h ëng tíi c©n b»ng n íc cña hå, còng ph¶i xem xÐt tíi sù bèc tho¸t h¬i tõ
th îng l u hå.
H×nh 2.4: M« h×nh l u vùc cña c¬ quan kh¶o s¸t ®Þa chÊt Hoa Kú. (§ îc söa ®æi tõ Leavesley cïng
céng sù 1983)
Sù diÔn gi¶i to¸n häc cho nh÷ng qu¸ tr×nh bªn trong vμ gi÷a tÊt c¶ c¸c thμnh
phÇn cña nh÷ng m« h×nh l u vùc thay ®æi ®¸ng kÓ gi÷a c¸c m« h×nh. DiÔn to¸n
dßng ch¶y cã thÓ ® îc dùa vμo nh÷ng diÔn gi¶i vËt lý chi tiÕt cña dßng ch¶y,
hoÆc vËn tèc cña n íc chuyÓn ®éng bªn trong mét thμnh phÇn cã thÓ ® îc kiÓm
so¸t bëi nh÷ng ph ¬ng ph¸p ®iÒu chØnh vËn tèc ®¬n gi¶n. Nh÷ng sù t ¬ng
ph¶n nμy cã lÏ lμ hiÓn nhiªn nhÊt trong nh÷ng thμnh phÇn bÒ mÆt cña c¸c m«
h×nh (xem phÇn 2.3). MÆc dï nh÷ng m« h×nh m a - dßng ch¶y cã thÓ lμ rÊt
phøc t¹p vμ cÇn nhiÒu th«ng tin m« pháng mét c¸ch ®Çy ®ñ nh÷ng yÕu tè dßng
ch¶y, nh÷ng m« h×nh nμy ® îc sö dông réng r·i trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ
dßng ch¶y bÒ mÆt.
68 http://www.ebook.edu.vn
- Nh÷ng m« h×nh l u vùc còng thÝch hîp cho viÖc sö dông trùc tiÕp trªn c¸c hå.
Bëi viÖc sö dông mùc n íc hå nh biÕn phô thuéc, h¬n lμ l u l îng dßng ch¶y,
nh÷ng dao ®éng mùc n íc hå còng cã thÓ ® îc m« pháng. M« h×nh ® îc ph¸t
triÓn bëi Crowe vμ Schartz (1981) ®· ® îc sö dông ®Ó m« pháng nh÷ng dao
®éng mùc n íc cña mét sè hå ë vïng ®ång cá Cana®a. M« h×nh lμ t ¬ng ®èi ®Æc
biÖt v× phÇn bªn trong mμ nã nhÊn m¹nh tíi lμ n íc ngÇm, vμ còng v× nã xem
xÐt vËn chuyÓn chÊt hßa tan. Ngoμi ra, m« h×nh ®· ® îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸
¶nh h ëng cña sù thay ®æi khÝ hËu tíi mùc n íc vμ ®é mÆn cña n íc hå ë
Alberta, Canada (Crowe 1993). T ¬ng tù, m« h×nh l u vùc ®· x©y dùng cho
nghiªn cøu tÝch hîp axit ho¸ l u vùc vμ hå (ILWAS; Gherini vμ nh÷ng ng êi
kh¸c 1980) ®· ® îc sö dông trªn c¸c hå ë vïng nói Adirondack New York vμ
nh÷ng hå ®Þa tÇng b¨ng gi¸ ë phÝa b¾c Wisconsin.
2.3. Sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi n íc s¸t mÆt
Thμnh phÇn s¸t mÆt th êng kh«ng ph¶i lμ mét yÕu tè næi bËt cña sù c©n b»ng
n íc. §a sè c¸c hå nhËn: cho khÝ quyÓn vμ n íc mÆt nhiÒu n íc h¬n. Tuy
nhiªn, xÐt d íi gãc ®é vËn chuyÓn hãa häc, n íc s¸t mÆt cã thÓ lμ quan träng,
bëi v× nã lμ mét c¬ chÕ cña sù vËn chuyÓn c¸c hãa chÊt tíi vμ ra khái c¸c hå.
VËn chuyÓn hãa häc bëi tÇng n íc s¸t mÆt th«ng th êng cã vai trß lín ®èi víi
®Æc tÝnh hãa häc cña nh÷ng hå kÝn hoÆc nh÷ng hå mμ liªn quan víi c¸c dßng
ch¶y nhá. Nghiªn cøu cña nh÷ng hå trong ®Þa tÇng b¨ng gi¸ chØ ra r»ng ®Æc
tÝnh hãa häc ion chÝnh cña nhiÒu hå cã liªn quan tíi vÞ trÝ cña nã cÇn chó ý tíi
nh÷ng hÖ thèng dßng n íc ngÇm (LaBaugh 1988; Swanson vμ nh÷ng ng êi
kh¸c, 1988). Krabbenhoft vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1980) ®· chØ ra tÝnh h÷u hiÖu
cña viÖc sö dông nh÷ng chÊt ®ång vÞ m«i tr êng cña n íc ngÇm vμ n íc hå ®Ó
nhËn thøc râ h¬n sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå vμ n íc ngÇm trong ®Þa tÇng b¨ng
gi¸.
Trong ®a sè c¸c nghiªn cøu c©n b»ng n íc hå cã xÐt ®Õn n íc ngÇm, th«ng
l îng n íc ngÇm th êng ® îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o trùc tiÕp tõ dßng thÊm.
HÇu hÕt nh÷ng thiÕt bÞ th êng sö dông ®Ó ®o dßng thÊm trùc tiÕp lμ nh÷ng
®ång hå ®o thÊm vμ nh÷ng ¸p kÕ ®o thÊm nhá. Nh÷ng ®ång hå ®o thÊm lμ
nh÷ng hép ®¬n gi¶n, th«ng th êng lμ ®u«i cña thïng, ® îc chÌn vμo ®Ó bao
quanh mét phÇn cña ®¸y hå. Nh÷ng ®ång hå ®o cã mét chç më mμ ë t¹i ®ã mét
van vμ mét tói cã thÓ më réng chøa ®ùng mét thÓ tÝch n íc ®· biÕt ® îc g¾n
liÒn. VËn tèc thÊm ® îc ®o bëi viÖc ghi nhí bëi sù thay ®æi thÓ tÝch n íc vμo tói
qua mét kho¶ng thêi gian van ® îc ®Ó më (Lee 1977).
¸p kÕ nhá lμ ¸p kÕ ® êng kÝnh nhá ® îc chÌn vμo trong ®¸y hå. Nh÷ng thiÕt bÞ
® îc sö dông ®Ó ®o sù chªnh lÖch mùc thuû ¸p gi÷a n íc ngÇm bªn d íi hå vμ
mÆt hå b»ng viÖc sö dông ¸p kÕ. §iÒu nμy ® îc hoμn thμnh b»ng c¸ch g¾n mét
èng tõ mét bªn cña ¸p kÕ tíi bé phËn ®o ¸p kÕ vμ ®Ó cho c¸i èng kh¸c tõ phÝa
kh¸c cña ¸p kÕ ®Æt ë d íi mÆt hå. Nh÷ng thiÕt bÞ nμy ®o gradien thñy lùc;
chóng kh«ng ®o thÊm trùc tiÕp nh nh÷ng ®ång hå ®o thÊm. V× nh÷ng ¸p kÕ ®o
69 http://www.ebook.edu.vn
- thÕ n¨ng thñy lùc vμ mét ¸p kÕ lμ mét phÇn g¾n liÒn víi thiÕt bÞ, nh÷ng thiÕt
bÞ nμy nªn ® îc gäi lμ c¸c ¸p kÕ thÕ vÞ (Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1988).
Mét sè nhμ nghiªn cøu ®· quan t©m tíi nh÷ng gi¸ trÞ cña thÊm ® îc x¸c ®Þnh
bëi nh÷ng ®ång hå ®o thÊm. VÝ dô, Lee (1977), Erickson (1981), vμ Belanger vμ
Montgomery (1992) thö nghiÖm víi sù chÝnh x¸c cña nh÷ng ®ång hå ®o thÊm
trong nh÷ng bÓ thÝ nghiÖm, n¬i mμ nh÷ng ®é dèc thñy ¸p vμ vËn tèc dßng ch¶y
cã thÓ ® îc kiÓm so¸t. Blanger vμ Montgomery ®· sö dông lÆp l¹i sè liÖu b»ng
c¸ch cã b¶y ®ång hå ®o còng nh ¸p kÕ nhá trong mét bÓ thÝ nghiÖm lín ®¬n
gi¶n. Shaw vμ Prepas (1990a) còng ®¸nh gi¸ nh÷ng ®ång hå ®o thÊm trong
nh÷ng nghiªn cøu lÜnh vùc réng lín.
Ngoμi nh÷ng lo¹i bÊt ®Þnh liªn quan ®Õn ®o ®¹c thùc tÕ cña thÊm, ph©n phèi
cña thÊm lμ ®ång nhÊt trong c¸c ®¸y hå. L îng thÊm thay ®æi theo kh«ng gian
trong ®¸y hå do c¸c trÇm tÝch bÊt ®ång nhÊt, qu¸ tr×nh tho¸t h¬i n íc tõ thùc
vËt gÇn bê, vμ sù bÊt ®ång nhÊt cña nh÷ng ® êng dßng n íc ngÇm n¬i mμ mÆt
n íc ngÇm dèc uèn cong gÆp bÒ mÆt hå b»ng ph¼ng. Ph©n phèi phi tuyÕn cña
thÊm ngang qua mét ®¸y hå ® îc chØ ra tõ nh÷ng nghiªn cøu lý thuyÕt
(McBride vμ Pfannkuch 1975; Pfannkuch vμ Winter 1984), tr íc hÕt ®· ® îc
sö dông quan s¸t ®ång hå ®o thÊm ë hå Sallie, Minnesota (Lee 1972).
Ph©n phèi bÊt ®ång nhÊt cña thÊm ®· ® îc quan s¸t t¹i nhiÒu hå kh¸c trong
nhiÒu kiÓu khÝ hËu vμ ®Þa lý thñy v¨n kh¸c nhau nh New England (Asbury
1990), Florida (Fellows vμ Brezonik 1980), Minnesota (Erickson 1981), Nevada
(Woessner vμ Sullivan 1984), Alberta (Shaw vμ b Prepas 1990b), Ontario (Lee
vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1980), New Zealand (John vμ Lock 1977), T©y Ban Nha
(Winter, d÷ liÖu kh«ng xuÊt b¶n), vμ thËm chÝ ë nh÷ng hå Great (Cherkauer vμ
McBride 1988).
Nh÷ng ®ång hå ®o thÊm vμ ¸p kÕ thÕ vÞ kh«ng gièng nh÷ng c¶m kÕ hoÆc ®Çu
dß kh¸c ®· sö dông ®Ó ®o mét dßng n íc t¹i biªn cña hå, nh nh÷ng dông cô
®o m a vμ ®o dßng ch¶y, bëi v× nãi chung chóng ® îc sö dông ®Ó tËp hîp
nh÷ng mÉu riªng biÖt trong kh«ng gian vμ thêi gian. Chóng cã sù bÊt lîi, so
s¸nh sù kh¸c nhau gi÷a hai c¸i, trong ®ã chóng ch a ® îc sö dông ®Ó theo dâi
liªn tôc.
Nh÷ng dông cô ®o m a tËp hîp nh÷ng mÉu riªng biÖt trong kh«ng gian, nh ng
chóng th êng ® îc nèi víi nh÷ng m¸y tù ghi ®Ó cã thÓ tËp hîp nh÷ng mÉu liªn
tôc theo thêi gian. Nh÷ng dông cô ®o dßng ch¶y th× th êng sö dông ®Ó tËp hîp
nh÷ng b¶n ghi liªn tôc cña l u l îng. Sù thËt cña nh÷ng phÐp ®o kh¸c trùc
tiÕp cña dßng ch¶y, phÐp ®o trùc tiÕp cña thÊm kh«ng dÉn tíi viÖc hiÓu hå
t ¬ng t¸c víi c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n nh thÕ nμo mμ t¹o ra dßng ch¶y. Bëi vËy,
kh¶o s¸t nh÷ng qu¸ tr×nh thñy v¨n s¸t mÆt liªn quan ®Õn c¸c hå lμ h÷u Ých.
Thμnh phÇn s¸t mÆt cña hÖ thèng thñy v¨n th«ng th êng ® îc xö lý nh hai
hÖ thèng con, ®íi kh«ng b·o hßa vμ ®íi n íc ngÇm. §íi kh«ng b·o hßa th× ® îc
chia nhá thμnh ®íi thæ nh ìng vμ ®íi kh«ng b·o hßa gi÷a n íc thæ nh ìng vμ
n íc ngÇm (H×nh 2.5). Mét sè l îng nghiªn cøu ®¸ng kÓ vÒ n íc thæ nh ìng ®·
70 http://www.ebook.edu.vn
- ® îc nh÷ng nhμ khoa häc n«ng nghiÖp tiÕn hμnh vμ nh÷ng nhμ ®Þa chÊt thñy
v¨n tiÕn hμnh vÒ n íc ngÇm. Tuy nhiªn, sù hiÓu biÕt vÒ vËn ®éng cña n íc qua
chuçi liªn tôc líp s¸t mÆt ®Çy ®ñ, vμ sù t ¬ng t¸c cña n íc s¸t mÆt víi nh÷ng
®Æc tÝnh bÒ mÆt n íc, nh dßng ch¶y, hå, vμ nh÷ng vïng ®Çm lÇy th× cã h¹n.
H×nh 2.5: C¸c ®íi n íc s¸t mÆt liÒn kÒ víi tÇng n íc mÆt.
H×nh 2.6a-e: C¸c kh¸i niÖm cña s¶n phÈm dßng ch¶y tõ c¸c s ên dèc. a: dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt qua
toμn bé mÆt ®åi vμ kh«ng cã dßng ngÇm; b: dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt ë tr©n ®åi vμ kh«ng cã dßng
ngÇm; c: dßng ch¶y trªn mÆt ë tr©n ®åi khi vÞ trÝ kÕt thóc cña n íc ngÇm lé ra khái mÆt ®Êt; d: dßng lò
s¸t mÆt; e: dßng ch¶y phøc t¹p trong ®íi kh«ng b o hßa lμ kÕt qu¶ cña tÝnh thÊm kh¸c nhau cña c¸c
tÇng ®Êt vμ hoμn toμn kh«ng cã dßng ch¶y mÆt. P lμ gi¸ng thñy; Pc lμ gi¸ng thñy trong lßng dÉn; f lμ
sù thÊm; of lμ dßng ch¶y mÆt; rf lμ dßng ch¶y trë l¹i; if lμ dßng phèi hîp; ï lμ dßng ch¶y trong ®íi
kh«ng b o hßa; wt lμ mùc n íc ngÇm. (x¸c ®Þnh tõ Beven 1986)
Nghiªn cøu vÒ c¸c ®íi s¸t mÆt kh¸c nhau cña c¸c nhμ khoa häc tõ nh÷ng
nguyªn lý kh¸c nhau ®· dÉn ®Õn mét sè kh¸i niÖm liªn quan tíi nh÷ng c¬ chÕ
cña dßng n íc qua líp s¸t mÆt, ® îc tr×nh bμy trong h×nh 2.6. Nh÷ng sù kh¸c
nhau c¬ b¶n trong kh¸i niÖm liªn quan tíi sù ph©n vïng cña n íc gi÷a dßng
71 http://www.ebook.edu.vn
- ch¶y trªn mÆt, dßng ch¶y trong ®íi kh«ng b·o hßa, vμ dßng ch¶y ngÇm. Nh÷ng
kh¸i niÖm vμ nh÷ng ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå vμ n íc
ngÇm ® îc giíi thiÖu ë ®©y ¸p dông t ¬ng ® ¬ng nhau cho bÊt kú lo¹i h×nh bÒ
mÆt n íc nμo, miÔn chóng lμ nh÷ng dßng ch¶y, hå, hoÆc nh÷ng vïng ®Çm lÇy
Nh÷ng nghiªn cøu cña hÖ thèng s¸t mÆt ®èi víi vÊn ®Ò vÒ hå ®· ® îc tiÕn triÓn
däc theo hai khung nhËn thøc tæng qu¸t:
(1) thñy v¨n häc l u vùc, nh ® îc sö dông trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ m a -
dßng ch¶y, vμ
(2) thñy v¨n häc n íc ngÇm.
Kh¸i niÖm thñy v¨n häc l u vùc, ®«i khi ® îc viÖn dÉn nh thñy v¨n häc s ên
dèc, ®· ® îc sö dông ®èi víi vÊn ®Ò vÒ hå bëi chØ mét sè Ýt nh÷ng nhμ khoa häc
nh Crowe vμ Schwartz (1981) vμ Gherini vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1985). Tuy
nhiªn, khi quan t©m tíi nh÷ng mèi liªn kÕt gi÷a n íc vμ chÊt hßa tan gi÷a c¸c
hå vμ c¸c l u vùc cña chóng t¨ng lªn, nh÷ng m« h×nh m« t¶ toμn bé nh÷ng qu¸
tr×nh l u vùc cã vÎ ® îc sö dông ngμy cμng t¨ng nh mét bé phËn cña nh÷ng
nghiªn cøu thñy v¨n häc hå. Kirkby (1985) ®· ® a ra mét tæng quan h÷u Ých vÒ
nh÷ng kh¸i niÖm cña thñy v¨n s ên dèc.
Mét sè c¸c nhμ thñy v¨n l u vùc ®· chØ ra r»ng ®a sè n íc trong líp s¸t mÆt
ch¶y qua nh÷ng lç hæng lín trong ®íi kh«ng b·o hßa. Sù thõa nhËn réng r·i
kh¸i niÖm nμy cña dßng ch¶y u tiªn trong ®íi kh«ng b·o hßa ® îc tiÕn hμnh
trong vïng s ên ®åi dèc bÞ rõng bao phñ. Germann vμ Beven (1985) sö dông lý
thuyÕt sãng ®éng häc ®Ó m« t¶ b»ng to¸n häc dßng ch¶y cña n íc s¸t mÆt qua
c¸c lç hæng vÜ m« ë c¸c s ên ®åi.
Thùc hμnh nghiªn cøu b»ng to¸n häc cña thμnh phÇn s¸t mÆt cña thñy v¨n häc
s ên dèc nh mét bé phËn cña nh÷ng m« h×nh m a - dßng ch¶y tham sè tËp
trung hoÆc ph©n phèi, hoÆc kÕt hîp c¶ hai. Blackie vμ Eeles (1985) cung cÊp
mét tæng quan vÒ nh÷ng m« h×nh l u vùc tham sè tËp trung, bao gåm lÞch sö
ph¸t triÓn cña chóng. Trong nh÷ng m« h×nh l u vùc nguyªn thñy, nh÷ng
thμnh phÇn s¸t mÆt ® îc xem xÐt nh nh÷ng ®¬n vÞ tËp trung ®¬n gi¶n qua
toμn bé l u vùc. Trong ®a sè c¸c nghiªn cøu hiÖn cã, l u vùc ® îc chia c¾t
thμnh nh÷ng ®¬n vÞ nhá nh c¸c l u vùc con hoÆc c¸c khèi ®¬n vÞ rêi r¹c, hoÆc
ph ¬ng n»m ngang hoÆc th¼ng ®øng, hoÆc c¶ hai.
Nh÷ng ®¬n vÞ nhá h¬n nμy sau ®ã ® îc xö lý b»ng ph ¬ng ph¸p tham sè tËp
trung. Mét vÝ dô vÒ mét m« h×nh l u vùc xö lý tÇng n íc s¸t mÆt b»ng c¸ch kÕt
hîp nμy lμ m« h×nh cña Leavesley vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1983), ®· ® îc bμn
luËn tr íc ®ã (H×nh 2.4). KÌm theo lμ sù m« t¶ ng¾n gän nh÷ng thμnh phÇn
s¸t mÆt cña m« h×nh cho thÊy trong h×nh 2.4.
Dßng ch¶y ë ®íi kh«ng b·o hßa (® îc xem nh dßng ch¶y s¸t mÆt bëi Leavesley
vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1983) ® îc xÐt nh lμ sù chuyÓn ®éng t ¬ng ®èi nhanh
cña n íc tõ ®íi kh«ng b·o hßa ®Õn lßng dÉn. Dßng ch¶y xuÊt hiÖn trong suèt
qu¸ tr×nh m a vμ tuyÕt tan còng nh thêi ®o¹n sau cña nã. Dßng ch¶y ®Õn kho
72 http://www.ebook.edu.vn
- n íc kh«ng b·o hßa xuÊt hiÖn khi ®íi thæ nh ìng cã kh¶ n¨ng gi÷ n íc cùc ®¹i
bÞ v ît qu¸, vμ l îng v ît tr÷ nμy lín h¬n tèc ®é håi quy tõ ®íi kh«ng b·o hßa
®Õn kho chøa n íc ngÇm, cã nghÜa lμ, sù chªnh lÖch gi÷a l îng v ît tr÷ nμy vμ
tèc ®é håi quy lμ dßng ch¶y vμo kho n íc kh«ng b·o hßa.
L u l îng tõ kho n íc s¸t mÆt hoÆc ®i tíi ®íi n íc ngÇm n«ng, hoÆc di chuyÓn
däc s ên dèc trong nh÷ng líp ®Êt máng tõ ®iÓm thÊm ®Õn ®iÓm nhËp vμo mét
con s«ng hoÆc suèi phÝa trªn mùc n íc ngÇm. C¸c hÖ sè cña thÓ tÝch tr÷ n íc
vμ cña diÔn to¸n dßng ch¶y ph¶i ® îc x¸c ®Þnh cho mçi kho chøa ®íi kh«ng b·o
hßa. L îng tr÷ ban ®Çu th êng ® îc íc l îng b»ng kh«ng. Nh÷ng gi¸ trÞ cña
hÖ sè diÔn to¸n th× ® îc tÝnh to¸n tõ sè liÖu dßng ch¶y lÞch sö. §èi víi tr êng
hîp tuyÕn tÝnh, hÖ sè diÔn to¸n ® îc ®¸nh gi¸ b»ng viÖc sö dông kü thuËt t¸ch
tõ ®å thÞ thñy v¨n nh Linsley vμ nh÷ng ng êi kh¸c ®· m« t¶ (1975).
HÖ thèng n íc ngÇm ® îc nhËn thøc nh mét kho chøa tuyÕn tÝnh vμ ® îc gi¶
thiÕt lμ nguån cña tÊt c¶ dßng ch¶y c¬ së. N íc cã thÓ di chuyÓn tíi kho n íc
ngÇm hoÆc tõ ®íi thæ nh ìng, hoÆc tõ kho chøa ®íi kh«ng b·o hßa, hoÆc c¶ hai.
Cung cÊp cho n íc ngÇm tõ ®íi thæ nh ìng x¶y ra chØ khi kh¶ n¨ng tÝch tr÷ bÞ
v ît qu¸, vμ bÞ h¹n chÕ bëi mét tèc ®é håi quy cùc ®¹i ngμy. L îng håi quy cho
n íc ngÇm tõ kho chøa s¸t mÆt x¶y ra hμng ngμy bëi n íc s½n cã trong kho
chøa s¸t mÆt. Bëi vËy, sö dông n¹p l¹i tõ kho chøa s¸t mÆt mét c¸ch u ®·i
th«ng qua n¹p l¹i ®ãng gãp tõ ®íi thæ nh ìng cã thÓ gi¶m dßng ch¶y s¸t mÆt
vμ t¨ng l îng ®ãng gãp cña dßng ch¶y ngÇm cho biÓu ®å thñy v¨n ® îc m«
pháng.
Mét vÝ dô cho c¸ch tiÕp cËn kh¸c ®Ó m« h×nh hãa dßng ch¶y s¸t mÆt lμ h íng
tiÕp cËn m« pháng BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch (Troendle 1985). Kh¸i niÖm BiÕn
sè - Nguån - DiÖn tÝch (Hewlett vμ Hibbert 1963) gi¶ thiÕt r»ng dßng ch¶y lò
s¸t mÆt lμ mét nguån chÝnh cña tÇng n íc mÆt. Kh¸i niÖm nμy cho r»ng thÓ
tÝch lín nhÊt cña l îng n íc s¸t mÆt di chuyÓn qua ®íi kh«ng b·o hßa, vμ n íc
ngÇm gÇn nh kh«ng quan träng.
Kh¸i niÖm BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch tr íc ®Êy ®· ® îc chÊp nhËn ®Ó ¸p dông
cho nh÷ng vïng nói bao phñ bëi rõng ë phÝa ®«ng Hoa Kú, vÒ sau nh÷ng kh¸i
niÖm nμy ®· ® îc sö dông ®Ó m« t¶ dßng n íc s¸t mÆt ë c¸c vïng víi c¸c ®iÒu
kiÖn kh¸c. H íng tiÕp cËn m« pháng BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch cã nhiÒu ®Æc
tr ng cña mét m« h×nh b·o hßa biÕn ®æi tham sè ph©n phèi hoμn chØnh. S ên
dèc ® îc chia c¾t thμnh nh÷ng khèi riªng biÖt, c¶ theo ph ¬ng n»m ngang vμ
ph ¬ng th¼ng ®øng, vμ n íc ® îc di chuyÓn gi÷a nh÷ng khèi theo ph ¬ng
tr×nh cña Richards (1931). M« h×nh BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch ®· ® îc ph¸t
triÓn bëi Troendle (1985) sau ®ã ® îc söa ®æi bëi P.Y.Bernier (Troendle 1985).
C¸c m« h×nh rêi r¸c ho¸ hoμn toμn m« pháng dßng ch¶y s¸t mÆt phôc vô thñy
v¨n häc l u vùc kh«ng ® îc nghiªn cøu réng r·i, bëi v× nh÷ng h¹n chÕ vÒ nhËn
thøc vμ h¹n chÕ vÒ kh¸i niÖm cña m«i tr êng s¸t mÆt cña s ên dèc. Tuy nhiªn,
tÝnh h÷u dông cña nh÷ng m« h×nh nh vËy ® îc chØ ra bëi Freeze (1972) vμ
Stephenson vμ Freeze (1974), vμ nh÷ng nhμ thñy v¨n häc l u vùc gia t¨ng sù
73 http://www.ebook.edu.vn
- ph¸t triÓn nh÷ng m« h×nh tham sè ph©n phèi. Beven (1985) th¶o luËn vÒ mét
vμi m« h×nh cïng víi viÖc tËp trung vμo m« h×nh ph©n bè cña ViÖn Thuû v¨n
Anh (IHDM).
C¸ch tiÕp cËn tham sè ph©n phèi ®Ó m« h×nh hãa vμ nghiªn cøu dßng ch¶y s¸t
mÆt theo quan ®iÓm thñy v¨n l u vùc thuéc kh¸i niÖm chÝnh thø hai dÉn ®Õn
khu«n khæ t×m hiÓu sù t ¬ng t¸c cña hå víi tÇng n íc s¸t mÆt, lμ n íc ngÇm.
NhiÒu th¶o luËn sau nμy cña n íc ngÇm liªn quan tíi nh÷ng nghiªn cøu cña
m« h×nh hãa n íc ngÇm, bëi v× nh÷ng m« h×nh n íc ngÇm riªng biÖt ®· ® îc
sö dông réng r·i trong viÖc nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi tÇng n íc
s¸t mÆt. §a sè c¸c h×nh d¹ng bÒ mÆt n íc cã mét giao diÖn réng lín thùc sù víi
hÖ thèng n íc ngÇm ë ®¸y cña chóng. Giao diÖn réng lín thùc sù kh¸c duy
nhÊt mμ bÒ mÆt n íc cã lμ víi khÝ quyÓn. Nãi chung kh«ng tån t¹i mét mÆt tiÕp
xóc gi÷a tÇng n íc mÆt vμ ®íi kh«ng b·o hßa; v× bÒ mÆt cña hÖ thèng n íc
ngÇm, mùc n íc ngÇm, tiÕp xóc víi tÇng n íc mÆt t¹i ® êng biªn (H×nh 2.5).
V× n íc ngÇm vμ n íc mÆt cã mét mÆt tiÕp xóc t ¬ng ®èi réng, t ¬ng t¸c cña
hai lo¹i n íc ®· ® îc quan t©m tõ h¬n 100 n¨m nay (Hall 1968). Tõ c«ng tr×nh
cña Boussinesq (1877) cho ®Õn gÇn ®©y, mèi t ¬ng t¸c gi÷a n íc mÆt vμ n íc
ngÇm ®· ® îc nghiªn cøu tõ h×nh ¶nh cña sù rót dßng ch¶y (Barnes 1939;
Knisel 1963; Rorabaugh 1964).
ViÖc ph©n tÝch sù rót ®i vÉn ® îc sö dông, nh thñ tôc m a - dßng ch¶y ® îc
Leavesley vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1983) chØ ra, nh÷ng nghiªn cøu cña hå Woods
vμ hå Panther, New York, ® îc thùc hiÖn bëi Murdrock vμ nh÷ng ng êi kh¸c
(1987), nghiªn cøu dßng ch¶y vμo hå Mirror, New Hampshire (Winter vμ
nh÷ng ng êi kh¸c 1989), vμ nh÷ng nghiªn cøu dßng ch¶y ë vïng phÝa ®«ng
Hoa Kú (Rutledge 1993). Sù ph©n tÝch rót n íc dùa vμo mét m« h×nh dßng
ch¶y mét chiÒu mμ yªu cÇu gi¶ thiÕt r»ng dßng ch¶y hoμn toμn ngÊm xuèng hÖ
thèng n íc ngÇm (H×nh 2.7).
C¸c gi¶ thiÕt kh¸c cÇn ®Ó chøng minh viÖc sö dông nh÷ng m« h×nh ®¬n gi¶n
hãa bËc cao nμy lμ ®óng bao gåm:
(1) M«i tr êng xèp ph¶i lμ ®ång nhÊt vμ ®¼ng h íng, vμ
(2) tÇng ngËm n íc ph¶i cã ®é dμy vμ h×nh d¹ng ®ång nhÊt tõ thuû vùc mÆt
®Õn vÞ trÝ ® êng ph©n t¸ch n íc ngÇm.
Sè liÖu duy nhÊt cÇn sö dông sù ph©n tÝch rót n íc lμ mét giai ®o¹n ®ñ dμi cña
b¶n ghi dßng ch¶y liªn tôc ®Ó x¸c ®Þnh ®é dèc rót n íc chÝnh x¸c.
74 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 2.7: N íc mÆt hoμn toμn thÊm xuèng hÖ thèng n íc ngÇm
Sù nghiªn cøu hiÖn thùc h¬n vÒ sù t ¬ng t¸c gi÷a n íc mÆt vμ n íc ngÇm ®ßi
hái sù ph©n tÝch tÊt ®Þnh c¸c hÖ thèng hai vμ ba chiÒu. Ngoμi ra, lo¹i ph©n tÝch
nμy ® îc dïng ®Ó ®¸nh gi¸ kh¸i niÖm cña dßng ch¶y n íc s¸t mÆt trªn c¸c
s ên dèc ®· ®Ò cËp tr íc ®ã còng nh tÝnh hîp lÖ vμ nh÷ng sù giíi h¹n cña sù
ph©n tÝch n íc rót. Ph ¬ng tr×nh th êng sö dông ®Ó m« t¶ dßng ch¶y ngÇm
cho c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng c©n b»ng trong m«i tr êng xèp bÊt ®ång nhÊt vμ dÞ
h íng (McDonald vμ Harbaugh 1984) lμ mét sù kÕt hîp cña ph ¬ng tr×nh liªn
tôc vμ ph ¬ng tr×nh Darcy:
h h h h
(1)
K XX K YY K zz W Ss
x x y y z z t
trong ®ã x, y vμ z lμ nh÷ng täa ®é §ecac liªn kÕt däc theo nh÷ng trôc chÝnh cña
c¸c hÖ sè dÉn thñy lùc KXX, KYY, KZZ; h lμ cét thÕ n¨ng; W lμ th«ng l îng thÓ
tÝch trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch, ®¹i diÖn cho nh÷ng nguån n íc thªm vμo hay mÊt
®i; Ss lμ l îng tr÷ ®Æc biÖt cña vËt chÊt xèp; vμ t lμ thêi gian.
Víi nh÷ng ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn ®Þnh, ph ¬ng tr×nh ® îc ®¬n gi¶n hãa bëi
viÖc kh«ng xÐt thμnh phÇn th«ng l îng, W, vμ ®Æt vÕ ph¶i cña ph ¬ng tr×nh
b»ng 0.
Toth (1963) t×m nghiÖm gi¶i tÝch cña ph ¬ng tr×nh (1) viÕt cho dßng ch¶y ngÇm
æn ®Þnh hai chiÒu theo ph ¬ng th¼ng ®øng. Sù ph©n tÝch nμy tËp trung vÒ viÖc
®¸nh gi¸ nh÷ng h×nh thÕ dßng ch¶y g©y ra bëi nh÷ng h×nh thÕ mùc n íc ngÇm
kh¸c nhau. Toth gi¶ thiÕt r»ng, m«i tr êng xèp lμ ®¼ng h íng vμ ®ång nhÊt
lμm cho c¸ch tiÕp cËn ph©n tÝch dÔ dμng. C¸c ®iÒu kiÖn biªnm kh«ng thÊm
® îc sö dông t¹i ®¸y vμ c¸c c¹nh khu vùc nghiªn cøu. § êng mùc n íc ngÇm
® îc m« pháng theo d¹ng sãng h×nh sin, mμ biªn ®é vμ ®é dèc toμn phÇn cña nã
® îc thay ®æi ®Ó t¹o ra c¸c ®é dèc vïng vμ cao ®é mùc n íc ®Þa ph ¬ng kh¸c
nhau.
Nh÷ng kÕt qu¶ cña nghiªn cøu nμy chØ ra lý thuyÕt vÒ sù hiÖn diÖn cña c¸c hÖ
thèng dßng ch¶y víi c¸c quy m« kh¸c nhau ®Þa ph ¬ng, trung gian, vïng (H×nh
2.8) vμ kÝch th íc kh¸c nhau, phô thuéc vμo h×nh thÕ cña mùc n íc ngÇm.
Nh÷ng khu vùc ch a ® îc dù ®Þnh nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña n íc ngÇm vμ
n íc mÆt, nh ng nh÷ng kh¸i niÖm ®· giíi thiÖu bëi Toth lμ sù thóc ®Èy nh÷ng
ng êi kh¸c nghiªn cøu sau nμy vÒ sù t ¬ng t¸c cña n íc ngÇm vμ n íc mÆt.
75 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 2.8: MÆt c¾t thñy v¨n cña mét thiÕt ®Æt hai chiÒu cã tÝnh gi¶ thiÕt thÓ hiÖn c¸c hÖ thèng dßng ch¶y
côc bé, trung b×nh, vμ khu vùc trong mét hå chøa n íc ngÇm. (§ îc x¸c ®Þnh bëi Toth 1963)
Lêi gi¶i sè cña ph ¬ng tr×nh (1) tá ra linh ho¹t h¬n lêi gi¶i gi¶i tÝch cña ph-
¬ng tr×nh dßng ch¶y n íc ngÇm cho nh÷ng nghiªn cøu cña hÖ thèng dßng
n íc ngÇm, bëi v× ®é xèp kh«ng ph¶i lμ ®ång nhÊt vμ ®¼ng h íng, vμ nh÷ng
®iÒu kiÖn biªn, kÓ c¶ h×nh d¹ng cña mÆt n íc ngÇm, cã thÓ lμ phøc t¹p (Freeze
vμ Witherspoon 1967). Bëi v× tÝnh linh ho¹t nμy, Winter (1976) sö dông ph ¬ng
ph¸p sè ®Ó nghiªn cøu lý thuyÕt vÒ hÖ thèng dßng n íc ngÇm liªn quan ®Õn c¸c
hå cho mét sè h×nh thÕ h×nh häc kh¸c nhau cña hå vμ mét sù ®a d¹ng réng vÒ
nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn cña hÖ thèng n íc ngÇm.
Nghiªn cøu nμy ®· ® îc thiÕt kÕ ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng kiÓu dßng ch¶y ngÇm vμ
nh÷ng mÉu thÊm ®¸y hå ® îc t¹o ra do sù kh¸c biÖt cña c¸c yÕu tè:
(1) h×nh häc cña hÖ thèng n íc ngÇm,
(2) ®é dÞ h íng, lμ tû sè gi÷a hÖ sè thñy lùc cña ph ¬ng ngang víi hÖ sè dÉn
thuû lùc cña ph ¬ng th¼ng ®øng, vμ lμ mét hμm cña h¹t ® îc ®Þnh h íng trong
®Êt ®¸,
(3) sù ph©n bè cña c¸c vïng cã ®é dÉn thuû lùc cao,
(4) h×nh thÕ mÆt n íc ngÇm, vμ
(5) ®é s©u cña hå.
C¸c ph©n tÝch ® îc tiÕn hμnh xÐt trong mÆt c¾t th¼ng ®øng hai chiÒu, v× vËy
chóng cã øng dông chØ cho nh÷ng hå th¼ng dμi ch¶y theo h íng vu«ng gãc víi
h íng dßng ngÇm. H¬n n÷a, nh÷ng sù m« pháng lμ cña ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn
®Þnh, cã nghÜa lμ, víi mét mÆt n íc ngÇm cè ®Þnh. § êng mùc n íc ngÇm ® îc
®Þnh h×nh sao cho hai ®Ønh thuû ¸p n»m ë hai bªn cña mÆt c¾t vμ ®Ønh nμy cao
h¬n ®Ønh kia. Kh«ng cã m« pháng nμo ® îc tiÕn hμnh cho tr êng hîp mùc n íc
ngÇm thÊp h¬n mùc n íc hå, bëi v× ®iÒu nμy râ rμng dÉn ®Õn sù thÊm ra khái
hå.
76 http://www.ebook.edu.vn
nguon tai.lieu . vn
