- Trang Chủ
- Địa Lý
- Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 5: Dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển
Xem mẫu
- Ch−¬ng 5
Dßng ch¶y mÆt, tÝch tr÷ vµ vËn chuyÓn
5.1 C¸c tiÕp cËn m« h×nh l−u vùc s«ng ...................................................284
5.2 Kh¸i niÖm ho¸ c¸c thµnh phÇn .........................................................286
5.3 Sù ph¸t triÓn biÓu ®å thñy v¨n quan niÖm ......................................292
5.4 ThuyÕt dßng ch¶y mÆt.......................................................................301
5.5 Dßng ch¶y trµn tr¹ng th¸i æn ®Þnh ...................................................315
5.6 M« pháng dßng ch¶y mÆt víi c¸c m« h×nh
th«ng sè tËp trung ...................................................................................330
5.7 C¸c m« h×nh liªn kÕt ........................................................................349
5.8 M« h×nh l−u vùc th«ng sè ph©n phèi dßng ch¶y bÒ mÆt ..................357
5.9 Lùa chän c¸c thµnh phÇn theo c¸c mèi quan hÖ
vµ theo c¸c m« h×nh. ................................................................................360
5.10 Tµi liÖu tham kh¶o ..........................................................................364
281
- 282
- Dßng ch¶y mÆt, tÝch tr÷ vµ vËn chuyÓn
T¸c gi¶:
LF. Huggins, Head, Khoa Kü thuËt N«ng nghiÖp, tr−êng §¹i häc
Purdue, West Lafayette, IN
J.R. Burney, Head, Khoa Kü thuËt N«ng nghiÖp, tr−êng §¹i häc
Kü thuËt cña Nova Scotia, Halifax, N.S.
Dßng ch¶y mÆt lµ mét phÇn cña gi¸ng thñy, nã tån t¹i trong suèt thêi
gian m−a còng nh− ngay sau khi cã mét c¬n m−a, vµ sau cïng xuÊt hiÖn nh− lµ
dßng ch¶y trong m¹ng l−íi s«ng suèi cña mét l−u vùc. Nh÷ng dßng ch¶y ®ã cã
thÓ b¾t nguån tõ sù chuyÓn ®éng trùc tiÕp cña n−íc trªn mÆt ®Êt khi l−îng
gi¸ng thñy v−ît qu¸ giíi h¹n thÊm, hoÆc nã cã thÓ b¾t nguån tõ sù xuÊt hiÖn
cña n−íc trong ®Êt vµo c¸c ®−êng tho¸t n−íc. Vµ trong ch−¬ng nµy sÏ tr×nh bµy
c¸c ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng c¸c qu¸ tr×nh vËt lý nãi trªn.
§Ó lùa chän mét ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ mét thµnh phÇn bÊt kú trong
sè c¸c thµnh phÇn thñy v¨n cña m« h×nh l−u vùc, ®iÒu nµy lµ quan träng ph¶i
thÊy ®−îc r»ng chóng ta kh«ng thÓ m« h×nh ho¸ ®−îc nÕu chØ dùa trªn b¶n
chÊt vËt lý cña mét thµnh phÇn nµo ®ã. Nh− ®· ®Ò cËp ë phÇn ®Çu ch−¬ng nµy,
mäi c«ng viÖc m« h×nh ho¸, ®Æc biÖt lµ viÖc m« h×nh ho¸ c¸c qu¸ tr×nh liªn quan
®Õn nhiÒu yÕu tè phøc t¹p nh− c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n trªn l−u vùc, ®Òu lµ c¸c
qu¸ tr×nh gÇn ®óng ë c¸c møc ®é kh¸c nhau so víi thùc tÕ. Khi quyÕt ®Þnh xem
phÐp xÊp xØ gÇn ®óng nµo lµ phï hîp, cã nghÜa lµ chÝnh x¸c nhÊt ®èi víi kÕt
qu¶ cã thÓ tÝnh ra, th× cÇn ph¶i chän lùa mét cÊu tróc chung cho m« h×nh l−u
vùc hoµn chØnh.
283
- 5.1 c¸c TiÕp cËn m« h×nh l−u vùc s«ng
Mét ph©n lo¹i ®Çy ®ñ c¸c m« h×nh l−u vùc s«ng ®· ®−îc tr×nh bµy trong
ch−¬ng 1, vµ môc ®Ých cña ch−¬ng nµy lµ chØ xem xÐt mét phÇn nhá trong toµn
bé hÖ thèng c¸c m« h×nh nãi trªn.
§iÒu ®Çu tiªn vµ lµ ®iÒu quan träng nhÊt ®ã lµ sù ph©n lo¹i th−êng dùa
trªn c¬ së cña m« h×nh sö dông ph−¬ng ph¸p hµm chuyÓn ho¸ nµo hoÆc xÊp xØ
theo mét hiÖn t−îng nµo, vÝ dô nh− m« h×nh “hép ®en”. §Çu tiªn ng−êi ta cè
g¾ng ®Þnh l−îng ho¸ c¸c thµnh phÇn qu¸ tr×nh vËt lý riªng lÎ. Sau ®ã th× gi¶i
quyÕt c¸c khã kh¨n khi m« t¶ vµi qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c phøc t¹p b»ng c¸ch xem
l−u vùc nh− lµ mét thùc thÓ ®¬n lÎ mµ chØ chuyÓn ho¸ c¸c ®Çu vµo (nh− lµ
l−îng m−a) thµnh ®Çu ra (dßng ch¶y) theo mét hµm to¸n häc chung nµo ®ã mµ
kh«ng trùc tiÕp m« t¶ c¸c thµnh phÇn trong c¸c qu¸ tr×nh vËt lý (Amorocho vµ
Orlob, 1961).
Ng−êi ta dùa vµo c¸c thêi ®o¹n cã sè liÖu ®o ®¹c m−a - dßng ch¶y ®Ó t×m
ra mét hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ho¸ vµ tèi −u ho¸ c¸c gi¸ trÞ th«ng sè trong
hÖ ph−¬ng tr×nh to¸n häc ®ã. MÆc dÇu phÐp xÊp xØ nµy cung cÊp mét vµi c«ng
dông h÷u hiÖu, ®Æc biÖt cho c¸c l−u vùc lín, th× ng−êi ta kh«ng tiÕp tôc ®Çu t−
nghiªn cøu vµo nã n÷a do nã kh«ng ®ßi hái c¸c quan hÖ tr÷ l−îng bÒ mÆt - dßng
ch¶y t−¬ng øng vµ còng bëi v× nã cã mét vµi h¹n chÕ nhÊt ®Þnh nh−: phô thuéc
vµo nh÷ng h¹n chÕ cña sè liÖu l−îng m−a - dßng ch¶y, phô thuéc vµo nh÷ng
®Æc ®iÓm gièng nhau gi÷a c¸c ®iÒu kiÖn qu¸ khø vµ t−¬ng lai trong l−u vùc
®ang xÐt vµ v× vËy, kh«ng thÓ ®¸nh gi¸ ®−îc c¸c ¶nh h−ëng cña sù thay ®æi c¸c
nh©n tè chÝnh trªn bÒ mÆt.
§¸ng tiÕc lµ viÖc lo¹i bá c¸c m« h×nh hµm chuyÓn ho¸ tõ nh÷ng xem xÐt
thªm vÉn ®Ó l¹i mét phæ réng cña c¸c tiÕp cËn m« h×nh mµ ph¶i ®−îc xem xÐt
kü tr−íc khi lùa chän mét quan hÖ thµnh phÇn thÝch hîp. PhÇn phæ cßn l¹i bÞ
giíi h¹n bëi mét ®Çu bëi c¸c c¸ch tiÕp cËn m« h×nh ho¸ vµ t¹i ®Çu kia bëi c¸c
m« h×nh ph©n bè.
M« h×nh tham sè tËp trung lµ mét trong nh÷ng cè g¾ng ®Ó ®¸nh gi¸ c¸c
t¸c ®éng cña sù thay ®æi theo kh«ng gian cña c¸c tham sè c¬ b¶n b»ng c¸ch sö
dông mét thñ tôc ®Ó tÝnh to¸n “c¸c gi¸ trÞ hiÖu qu¶" cho toµn bé vïng. Thñ tôc
284
- hay ®−îc sö dông réng r·i nhÊt lµ thñ tôc trung b×nh diÖn tÝch träng sè. Víi
c¸ch tiÕp cËn nµy, ng−êi dùng m« h×nh cè g¾ng ®Ó kÕt hîp, cã nghÜa lµ gép tÊt
c¶ nh÷ng ¶nh h−ëng kh«ng ®ång nhÊt theo kh«ng gian vµo nh÷ng gi¸ trÞ hÖ sè
to¸n häc t−¬ng ®−¬ng theo c¸c ®iÓm. PhÐp xÊp xØ nµy ®−îc t×m thÊy dùa trªn
quy t¾c cña phÐp lÊy vi ph©n trung b×nh. Nguyªn lý c¬ b¶n ®ã ®−îc ph¸t biÓu
nh− sau. §èi víi bÊt cø mèi t−¬ng quan hµm liªn tôc nµo mµ kh¶ vi trªn mét
kho¶ng cho tr−íc th× cã thÓ thay thÕ hµm t−¬ng quan ®ã b»ng mét gi¸ trÞ t−¬ng
®−¬ng hoÆc gi¸ trÞ trung b×nh. Do ®ã, lîi thÕ chÝnh cña m« h×nh th«ng sè tËp
trung so víi m« h×nh ph©n bè chÝnh lµ hiÖu qu¶ tÝnh to¸n.
N¨ng l−îng
M−a 75mm
Bèc tho¸t h¬i 55mm
Dßng ch¶y
ThÊm
§« thÞ
Dßng ch¶y ngÇm
C«ng nghiÖp
N−íc ngÇm
L−u l−îng dßng ch¶y20mm
H×nh 5.1. Chu kú thuû v¨n trªn l−u vùc s«ng tù nhiªn.
C¸c tiÕp cËn m« h×nh tham sè ph©n bè lµ mét trong nh÷ng cè g¾ng ®Ó
kÕt hîp, møc ®é cã thÓ thùc hµnh, c¸c sè liÖu cã liªn quan ®Õn sù ph©n bè theo
kh«ng gian cña c¸c biÕn ®æi tham sè cïng víi c¸c thuËt to¸n ®Ó ®¸nh gi¸ ¶nh
h−ëng cña ph©n bè ®ã tíi qu¸ tr×nh tÝnh to¸n. C¸ch tiÕp cËn thuÇn tóy ph©n bè
sÏ cÇn ph¶i ph¸t triÓn m¹nh c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n tõng phÇn cho mäi
thµnh phÇn thñy v¨n vµ x¸c ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn biªn ¸p dông cho mçi ph−¬ng
tr×nh. Do ®ã, tÊt c¶ c¸c c¸ch tiÕp cËn m« h×nh theo kiÓu ph©n bè sö dông c¸c
phÐp xÊp xØ víi c¸c biÕn kh«ng gian còng cã thÓ ®−îc gäi mét c¸ch hîp ph¸p lµ
c¸c xÊp xØ tËp trung. Bëi vËy khi sö dông c¸ch ph©n lo¹i nµy chóng ta míi chØ
285
- ph©n lo¹i ®−îc møc ®é chø ch−a biÓu thÞ ®−îc sù kh¸c nhau gi÷a c¸c vÊn ®Ò lý
thuyÕt c¬ b¶n.
Mét lo¹t c¸c m« h×nh ®· m« t¶ tÊt c¶ c¸c møc ®é kÕt hîp cña hai ph−¬ng
ph¸p xÊp xØ ®ã. Tuy nhiªn, møc ®é thÝch hîp cña ph©n tÝch ph©n bè ®ßi hái c¸c
liªn hÖ kh¸c nhau c¬ b¶n. C¸c vÊn ®Ò tiÕp theo trong ch−¬ng nµy ®−îc ph¸t
triÓn b»ng c¸ch kÕt hîp c¸c yªu cÇu dùng m« h×nh ph©n bè ng−îc l¹i nh− lµ hÖ
c¸c ph−¬ng ph¸p vi ph©n c¬ b¶n.
§iÓm quan träng cña ch−¬ng nµy lµ viÖc ®Þnh l−îng dßng ch¶y xuÊt hiÖn
tõ mét sù kiÖn thñy v¨n x¸c ®Þnh h¬n lµ m« h×nh ho¸ "dßng ch¶y liªn tôc" mµ
th−êng ®−îc lùa chän h¬n do nh÷ng quan t©m chÝnh ®Õn −íc l−îng s¶n l−îng
n−íc thay v× c¸c biÓu ®å dßng ch¶y - m−a. Lùa chän ®iÒu nµy v× c¸c m« h×nh ®·
®Þnh h−íng sù kiÖn cung cÊp mét ý nghÜa trùc tiÕp cu¶ viÖc m« pháng liªn tôc.
Nh÷ng m« pháng liªn tôc cã thÓ nhËn ®−îc b»ng c¸ch x¸c ®Þnh mét tËp sè liÖu
gi¸ng thñy ®Çu vµo liªn tôc, mÆc dï th«ng th−êng kh«ng cã lîi cho hiÖu qu¶
tÝnh to¸n.
5.2 kh¸i niÖm ho¸ c¸c Thµnh phÇn
V× cÇn thiÕt gi÷ l¹i mét hÖ thèng quan ®iÓm khi lùa chän c¸c thµnh phÇn
m« h×nh, lµ ®iÒu mong muèn ®Ó b¾t ®Çu viÖc th¶o luËn m« h×nh ho¸ dßng ch¶y
b»ng c¸ch m« t¶ mang tÝnh kh¸i niÖm tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh thµnh phÇn mµ sau
®ã ph¶i ®−îc m« h×nh ho¸ víi c¸c mèi t−¬ng quan to¸n häc. MÆc dÇu ®· ®Ò cËp
®Õn trong c¸c ch−¬ng kh¸c, th× sù th¶o luËn nµy nh»m môc ®Ých chØ ra møc ®é
t−¬ng t¸c gi÷a c¸c qu¸ tr×nh thµnh phÇn vµ ®Ó biÓu diÔn t¹i sao chóng ta cÇn
chän cÊu tróc chung cña m« h×nh tr−íc khi lùa chän c¸c ph−¬ng ph¸p ®Þnh
l−îng thµnh phÇn bªn trong nã. H¬n n÷a, sù th¶o luËn nµy phôc vô cho viÖc
thiÕt lËp mét cÊu tróc c¸c tµi liÖu tham kh¶o tõ ®ã c¸c ph−¬ng ph¸p m« h×nh
ho¸ ®Çy ®ñ t−¬ng øng ®· ®Ò nghÞ cã thÓ ®−îc quan tr¾c, hay chØ lµ c¸c mèi
t−¬ng quan x¸c ®Þnh tÝnh to¸n tèt nh− thÕ nµo ®èi víi viÖc thiÕt lËp cho c¸c c¬
chÕ trùc gi¸c mµ ®−îc biÕt lµ cã mét vai trß trong dßng ch¶y mÆt.
H×nh 5.1. m« t¶ chu tr×nh thuû v¨n trªn mét l−u vùc s«ng tù nhiªn. Nã
tr×nh bµy kh¸i qu¸t hÖ thèng mµ chóng ta lu«n lu«n ph¶i ®Ó ý khi x©y dùng m«
h×nh. C¸c thµnh phÇn thñy v¨n ®−îc quan t©m ®Æc biÖt ®ã bao gåm: sù chÆn
286
- n−íc, sù gi÷ n−íc bÒ mÆt, thÊm vµ dßng ch¶y mÆt. Thµnh phÇn m−a ®−îc gi¶
®Þnh lµ mét sè liÖu ®−a vµo x¸c ®Þnh, trong khi qu¸ tr×nh xãi mßn vµ vËn
chuyÓn c¸c chÊt ho¸ häc lµ n»m ngoµi ph¹m vi ch−¬ng nµy. Sù bèc tho¸t h¬i
®−îc gi¶ thiÕt lµ chØ t¸c ®éng ®Õn c¸c ®iÒu kiÖn Èm ë tr−íc thêi ®iÓm m−a b¾t
®Çu. Trong nh÷ng t×nh huèng mµ m« h×nh kÕt qu¶ ®Þnh h−íng sù kiÖn ®−îc sö
dông ®Ó m« pháng dßng ch¶y liªn tôc, nh÷ng mèi quan hÖ ph¶i ®−îc ®−a vµo
®Ó m« pháng liªn tôc qu¸ tr×nh bèc tho¸t h¬i.
Nªn hiÓu râ tõ h×nh 5.1. r»ng mçi thµnh phÇn lµ phô thuéc lÉn nhau mµ
sù phô thuéc ®ã sÏ quy ®Þnh sè liÖu ®−a vµo cña nã. Sù phô thuéc lÉn nhau nµy
thËm chÝ nªn hiÓu râ h¬n nhê vµo sù kiÓm tra c¸c tham sè mµ cã thÓ ®−îc gi¶
thiÕt ®Ó kiÓm so¸t c¸c qu¸ tr×nh thµnh phÇn.
5.2.1 Sù ch¾n n−íc
Sù ch¾n n−íc lµ l−îng gi¸ng thñy ®äng l¹i trªn t¸n thùc vËt vµ sau ®ã
bay h¬i trë l¹i khÝ quyÓn. Bèn nh©n tè ®Çu tiªn ¶nh h−ëng tíi l−îng n−íc bÞ
®äng l¹i trªn t¸n c©y lµ: loµi thùc vËt, giai ®o¹n sinh tr−ëng cña thùc vËt, mïa
trong n¨m vµ tèc ®é giã.
TÊt nhiªn lo¹i thùc vËt ph¸t triÓn trªn mét khu vùc sÏ cã mét ¶nh h−ëng
râ rÖt ®Õn l−îng n−íc mµ t¸n c©y cã thÓ gi÷ l¹i. Nh©n tè thø hai ¶nh h−ëng tíi
sù ch¾n n−íc lµ giai ®o¹n sinh tr−ëng cña thùc vËt t¹i thêi ®iÓm xem xÐt. ë
nh÷ng giai ®o¹n ®Çu vô mïa mµng, c©y trong cßn nhá thùc tÕ sÏ hÇu nh−
kh«ng cã l−îng n−íc ®äng trªn t¸n c©y, trong khi vµo giai ®o¹n ph¸t triÓn
muén h¬n th× mét l−îng quan träng cña gi¸ng thuû cã thÓ bÞ gi÷ l¹i trªn t¸n
c©y. Mïa trong n¨m cã t¸c ®éng ®¸ng kÓ tíi t¸n l¸ c©y cña c¸c lo¹i thùc vËt
nhÊt ®Þnh.
Nh©n tè thø 4, tèc ®é giã, lµ rÊt quan träng bëi hai lý do. Mét lµ, nã ¶nh
h−ëng ®Õn l−îng bay h¬i x¶y ra trªn mÆt l¸. Chóng ta cã thÓ ch¾c r»ng, v× ®iÒu
kiÖn Èm cao trong suèt qu¸ tr×nh m−a, th× sù bay h¬i cã thÓ lµ kh«ng ®¸ng kÓ.
Tuy nhiªn, trªn mét vïng bÒ mÆt réng lín thu hót mét sè t¸n thùc vËt dµy, vÝ
dô: rõng rËm, mét l−îng n−íc quan träng ®ã vÉn bÞ bay h¬i tõ c¸c bÒ mÆt nµy
trong suèt qu¸ tr×nh m−a. Khi tèc ®é giã t¨ng l−îng bay h¬i x¶y ra tõ nh÷ng bÒ
mÆt nµy t¨ng. Ngoµi ra tèc ®é giã cßn ¶nh h−ëng tíi c¬ chÕ chuyÓn ®éng cña
287
- th¶m thùc vËt. Khi tèc ®é giã t¨ng, nhiÔu ®éng trong kh«ng khÝ vµ sù chuyÓn
®éng cña kh«ng khÝ xuyªn qua c¸c t¸n c©y lµm rung chuyÓn c¸c l¸ c©y giò ra
mét l−îng n−íc nµo ®ã. Do vËy, t¸n c©y cã kh¶ n¨ng gi÷ mét thÓ tÝch n−íc ®äng
nhá h¬n khi tèc ®é giã t¨ng.
5.2.2 N−íc l−u trªn bÒ mÆt
§ã lµ n−íc ®· gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt ®Êt trong nh÷ng phÇn lâm cùc nhá.
Vµo giai ®o¹n cuèi cña qu¸ tr×nh m−a, l−îng n−íc nµy hoÆc lµ bay h¬i hoÆc
thÊm vµo mÆt ®Êt. Cã mét kh¶ n¨ng nhá cã thÓ x¶y ra lµ mét Ýt n−íc gi÷ l¹i
trªn bÒ mÆt sÏ trë thµnh dßng ch¶y mÆt vµ trong qu¸ tr×nh thÊm, nã trë thµnh
dßng ch¶y ngÇm khi nã chuyÓn ®éng xuyªn qua mÆt c¾t cña ®Êt. C¸c nh©n tè
quyÕt ®Þnh n−íc gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt lµ vi ®Þa h×nh vµ ®é dèc bÒ mÆt.
YÕu tè vËt lý chÝnh ¶nh h−ëng tíi ®é lín cña l−îng n−íc gi÷ l¹i trªn bÒ
mÆt lµ bÒ mÆt nhÊp nh« trªn quy m« nhá cña vïng nghiªn cøu vµ bÊt kú nh©n
tè nµo mµ cã liªn quan tíi sù nhÊp nh« trªn quy m« nhá ®ã. Ba yÕu tè quan
träng nhÊt mµ cã thÓ xem nh− mét chØ tiªu phô lµ: c¸c ho¹t ®éng trång trät,
mïa cña n¨m vµ c¸c thµnh phÇn xãi mßn. Ho¹t ®éng trång trät bao gåm c¶ c¸c
kü thuËt canh t¸c vµ chóng bÞ ¶nh h−ëng nh− thÕ nµo bëi sù ph¸t triÓn cña
c©y. Nh÷ng ho¹t ®éng canh t¸c nµy lµ theo mïa tù nhiªn; do ®ã, mïa trong
n¨m ¶nh h−ëng tíi l−îng n−íc duy tr× trªn bÒ mÆt. ¶nh h−ëng kh¸c lµ kiÓu xãi
mßn x¶y ra do nh÷ng c¬n m−a tr−íc vµ hoÆc kiÓu xãi mßn ®ã ®· bÞ thay ®æi
hoÆc ®· bÞ xãa mê bëi ho¹t ®éng canh t¸c.
Nh©n tè râ nÐt thø hai ®· ghi nhËn lµ ®é dèc trªn quy m« lín cña bÒ
mÆt. Khi ®é dèc trung b×nh cña bÒ mÆt t¨ng ®èi víi mét ®é nh¸m cho tr−íc th×
thÓ tÝch l−îng n−íc duy tr× trªn bÒ mÆt th−êng gi¶m. Th«ng th−êng, ®é dèc quy
m« lín lµ chiÕm vai trß thø yÕu so víi c¸c ®Æc ®iÓm nhÊp nh« trªn quy m« nhá.
5.2.3 L−îng n−íc gi÷ trªn bÒ mÆt
L−îng n−íc gi÷ trªn bÒ mÆt lµ n−íc t¹m thêi bÞ gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt,
l−îng n−íc nµy lµ ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó dßng ch¶y mÆt xuÊt hiÖn. Do ®ã, nã cã thÓ
®−îc xem xÐt mét c¸ch logic lµ mét phÇn trong tæng thÓ dßng ch¶y mÆt h¬n lµ
mét qu¸ tr×nh riªng biÖt. Tuy nhiªn, víi môc ®Ých ph©n biÖt râ rµng chóng ta
sÏ xem xÐt hai qu¸ tr×nh nµy mét c¸ch riªng biÖt. C¸c nh©n tè râ rµng nhÊt
288
- quyÕt ®Þnh l−îng n−íc gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt bao gåm: sù mÊp m« cña vi ®Þa h×nh
bÒ mÆt, th¶m thùc vËt, ®é dèc bÒ mÆt quy m« lín, ph©n bè l−îng m−a v−ît qu¸
vµ ®Þa h×nh chung cña l−u vùc.
§é mÊp m« vi ®Þa h×nh cña bÒ mÆt quy ®Þnh h×nh d¹ng mÆt c¾t ngang
cña “kªnh dÉn ” dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt, vËn chuyÓn n−íc mÆt ®Õn c¸c phô l−u
nhá vµ cuèi cïng ®æ vµo s«ng chÝnh. Do ®ã, bÊt kú yÕu tè nµo ®· liÖt kª vµo c¸c
yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh n−íc l−u trªn bÒ mÆt tÊt nhiªn còng sÏ ¶nh
h−ëng ®Õn kh¶ n¨ng gi÷ n−íc trªn bÒ mÆt. Th¶m thùc vËt còng ph¶i ®−îc tÝnh
®Õn bëi v× nã còng quyÕt ®Þnh c¸c ho¹t ®éng trång trät vµ do c¸c th©n c©y cã
thÓ t¸c ®éng ®Õn ®é nh¸m thñy v¨n trªn bÒ mÆt ®ã. §é dèc quy m« lín cña mÆt
®Êt còng ®ãng vai trß quan träng trong tæng l−îng n−íc cã thÓ ®−îc gi÷ l¹i trªn
bÒ mÆt. §é dèc trung b×nh cµng lín th× tèc ®é dßng ch¶y cµng cao vµ thÓ tÝch
n−íc gi÷ l¹i cµng Ýt.
§Þa h×nh chung cña l−u vùc lµ yÕu tè cuèi cïng. Nã ¶nh h−ëng tíi l−îng
n−íc gia nhËp vµo diÖn tÝch thµnh phÇn tõ nh÷ng vïng gÇn kÒ. Khi mµ dßng
ch¶y mÆt ®−îc cung cÊp n−íc bëi m−a vµ c¶ dßng ch¶y tõ c¸c vïng l©n cËn, th×
thÓ tÝch n−íc gi÷ l¹i sÏ l¹i cµng bÞ ¶nh h−ëng m¹nh mÏ bëi c¸c ®Æc ®iÓm ®Þa
h×nh chung cña l−u vùc.
¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh l−u vùc chung tíi mèi quan hÖ dßng ch¶y cã thÓ
cung cÊp mét minh häa cho quan ®iÓm tr−íc ®©y nghiªn cøu tÝnh cÇn thiÕt cña
viÖc ph¸t triÓn mét m« h×nh l−u vùc s«ng tõ mét ph¸c ho¹ cña hÖ thèng. Mèi
quan hÖ gi÷a tèc ®é vµ ®é s©u dßng ch¶y cã thÓ ®−îc ph¸t triÓn mµ chØ xem xÐt
nh÷ng vïng côc bé hay lµ “®iÓm”, c¸c tham sè, vÝ dô: ph−¬ng tr×nh cña
Manning. Tuy nhiªn, cÇn tÝnh ®Õn vÞ trÝ gÇn c¸c ®iÓm cao cña vïng tròng lín
trªn l−u vùc. Vµo giai ®o¹n ®Çu cña trËn m−a, tr−íc khi bÊt cø l−îng n−íc mÆt
nµo ®−îc tÝch luü trong c¸c vïng tròng, quan hÖ ®é s©u - dßng ch¶y t¹i ®iÓm cã
thÓ m« pháng chÝnh x¸c dßng ch¶y mÆt t¹i nh÷ng khu vùc th«ng qua diÖn tÝch
vïng tròng. NÕu m−a cã c−êng ®é vµ thêi gian m−a ®ñ lín ®Ó cã thÓ lµm ngËp
toµn bé vïng tròng, th× tèc ®é dßng ch¶y mÆt t¹i bÊt kú ®iÓm nµo trong ph¹m
vi vïng tròng sÏ kh«ng bÞ chi phèi bëi c¸c tÝnh chÊt côc bé cña nã; h¬n n÷a ®iÒu
kiÖn tho¸t n−íc cho toµn vïng tròng trë thµnh ®iÓm kiÓm so¸t dßng ch¶y. Do
289
- ®ã, c¸c ®Æc tÝnh ®Þa ph−¬ng ho¸ th−êng kh«ng thÓ ®−îc xem xÐt nÕu thiÕu tÝnh
to¸n ®Õn c¸c ®Æc tÝnh toµn cÇu.
5.2.4 ThÊm
§èi víi rÊt nhiÒu l−u vùc, l−îng n−íc thÊm lµ thµnh phÇn thñy v¨n
quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh h×nh d¸ng cña biÓu ®å dßng ch¶y tõ mét vïng cho
tr−íc. Nh÷ng nh©n tè quyÕt ®Þnh chñ yÕu lµ: lo¹i ®Êt, líp vá bÒ mÆt, mïa trong
n¨m, ®iÒu kiÖn Èm tiÒm n¨ng, biÓu ®å l−îng m−a hµng n¨m vµ ®iÒu kiÖn Èm
bªn d−íi bÒ mÆt.
Lo¹i ®Êt lµ mét nh©n tè c¬ b¶n ®Ó xem xÐt khi x©y dùng m« h×nh l−îng
thÊm Èm. Lo¹i ®Êt ®¬n gi¶n chØ lµ mét sù ph©n lo¹i ®−îc sö dông ®Ó ®Æc tÝnh
ho¸ c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña cña mét lo¹i ®Êt cho tr−íc nµo ®ã. NÕu viÖc ph©n
lo¹i ®−îc thùc hiÖn chÝnh x¸c th× nh÷ng lo¹i ®Êt cã ®Æc ®iÓm vËt lý t−¬ng tù
nhau sÏ ®−îc xÕp vµo vµo cïng nhãm tªn nh− nhau mµ kh«ng ®Ó ý ®Õn vÞ trÝ
®Þa lý cña nã. Vµ v× thÕ ®Êt trong cïng mét lo¹i th× ph¶i cã c¸c ®Æc tÝnh thÊm
n−íc t−¬ng tù nhau.
Nh©n tè thø hai ¶nh h−ëng ®Õn l−îng n−íc thÊm lµ ®Æc tÝnh cña líp vá
bÒ mÆt. Nh÷ng thÝ nghiÖm ®· minh häa ë vµi milimet ®Çu tiªn cña bÒ mÆt cã
¶nh h−ëng lín ®Õn tû lÖ thÊm cña n−íc. Vµ bÊt cø nh©n tè nµo mµ ¶nh h−ëng
tíi líp vá bÒ mÆt sÏ cã ¶nh h−ëng tíi qu¸ tr×nh thÊm. Ba nh©n tè quan träng
lµ: c¸c ho¹t ®äng trång trät, lo¹i thùc vËt (bëi v× nã b¶o vÖ bÒ mÆt ®Êt khái t¸c
®éng cña h¹t n−íc m−a) vµ c−êng ®é cña chÝnh c¬n m−a ®ã (bëi v× c−êng ®é
m−a cã liªn quan chÆt chÏ víi kÝch th−íc h¹t n−íc m−a r¬i xuèng). Th«ng
th−êng kÝch th−íc trung b×nh h¹t n−íc m−a cã xu h−íng t¨ng khi c−êng ®é
m−a t¨ng. Nh÷ng h¹t m−a lín h¬n sÏ cã n¨ng l−îng lín vµ sÏ g©y thiÖt h¹i
nhiÒu h¬n tíi cÊu tróc bÒ mÆt, v× vËy ¶nh h−ëng tíi líp vá bÒ mÆt cña ®Êt.
Mïa trong n¨m cã nh÷ng ¶nh h−ëng ®Æc thï tíi qu¸ tr×nh thÊm, kh«ng
chØ v× nã ¶nh h−ëng tíi th¶m thùc vËt mµ cßn bëi sù xuÊt hiÖn hay kh«ng xuÊt
hiÖn hiÖn t−îng ®ãng b¨ng bÒ mÆt lµ rÊt quan träng. Tuy nhiªn, vÉn cã thÓ
trong tr−êng hîp cã ®ãng b¨ng bÒ mÆt nh−ng vÉn xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh thÊm.
Tèc ®é thÊm nµy sÏ phô thuéc vµo b¶n chÊt cña hiÖn t−îng ®ãng b¨ng, ®é Èm
cña ®Êt vµo thêi ®iÓm ®ãng b¨ng, lo¹i ®Êt vµ nh÷ng yÕu tè kh¸c. DÜ nhiªn lµ
290
- hiÖn t−îng ®ãng b¨ng sÏ lµm gi¶m nhanh tèc ®é thÊm n−íc, nh−ng vÉn sÏ lu«n
lu«n xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh thÊm.
Tèc ®é thÊm cña n−íc vµo mÆt ®Êt phô thuéc lín vµo l−îng Èm hiÖn t¹i
cña ®Êt. V× vËy, c¸c ®iÒu kiÖn Èm thêi ®o¹n tr−íc, cã nghÜa lµ, l−îng Èm tån t¹i
vµo thêi gian b¾t ®Çu m−a, sÏ ¶nh h−ëng lín tíi tèc ®é thÊm trong suèt c¬n
m−a ®ã.
ChÝnh biÓu ®å thñy v¨n l−îng m−a hµng n¨m còng ¶nh h−ëng tíi nh÷ng
thuéc tÝnh thÊm. §Êt víi l−îng Èm ®Æc tr−ng th× cã kh¶ n¨ng ®Ó n−íc thÊm vµo
víi mét tØ lÖ nhÊt ®Þnh. §iÒu nµy muèn ¸m chØ kh¶ n¨ng thÊm n−íc cña nã.
Tuy nhiªn, cã thÓ ®−îc hiÓu r»ng tØ lÖ m−a t¹i thêi ®iÓm nµo ®ã lµ nhá h¬n kh¶
n¨ng thÊm n−íc cña ®Êt. Do ®ã, n−íc kh«ng thÓ thÊm vµo ®Êt nhanh h¬n tØ lÖ
n−íc mµ nã ®−îc cung cÊp. ThËm chÝ mét vïng ®Êt cã kh¶ n¨ng thÊm cao,
nh−ng thùc tÕ t¨ng ®é n−íc thÊm cã thÓ bÞ giíi h¹n bëi tØ lÖ n−íc m−a vµ dßng
ch¶y mÆt tõ c¸c vïng l©n cËn vµo vïng ®ang xÐt. V× vËy, víi c¸c ®Æc tÝnh thay
®æi cña l−îng n−íc cung cÊp v−ît qu¸ vµ kh«ng v−ît qu¸ tr÷ l−îng thÊm th×
viÖc dù b¸o ®−îc tû lÖ thÊm tøc thêi vµo trong ®Êt lµ mét ®iÒu hÕt søc khã
kh¨n.
Nh©n tè cuèi cïng ¶nh h−ëng tíi l−îng n−íc thÊm lµ l−îng Èm bªn d−íi
bÒ mÆt. Trong thùc tÕ, ®iÒu nµy ¸m chØ thµnh phÇn thñy v¨n cña dßng ng−îc
(interflow) h¬n lµ qu¸ tr×nh thÊm. Dßng ng−îc lµ sù t¸i xuÊt hiÖn cña l−îng Èm
tõ líp d−íi mÆt lªn líp mÆt, th−êng th× t¹i mét mùc thÊp h¬n so víi mùc mµ
n−íc thÊm vµo lßng ®Êt. Tuy nhiªn, cã thÓ gép chung dßng ng−îc nµy vµo dßng
thÊm b»ng c¸ch xem dßng ng−îc nh− lµ dßng thÊm ©m. NÕu chÊp nhËn kh¸i
niÖm nµy (th−êng ®−îc ¸p dông ®Ó ®¬n gi¶n ho¸ trong c¸c m« h×nh thùc tÕ), th×
sù ph©n bè l−îng Èm phÝa d−íi bÒ mÆt lµ t−¬ng ®èi quan träng trong viÖc dù
b¸o tèc ®é vµ l−îng n−íc quay trë l¹i mÆt ®Êt. §Þa chÊt cña c¸c tÇng d−íi mÆt
lµ mét nh©n tè quan träng quy ®Þnh dßng ng−îc.
5.2.5 Dßng ch¶y mÆt
§Ó dù b¸o ®−îc dßng ch¶y mÆt cÇn ph¶i ®¸nh gi¸ ®Þnh l−îng tÊt c¶ c¸c
thµnh phÇn ®· xÐt trªn ®©y. Th−êng th× nh÷ng thµnh phÇn kh¸c nµy ®−îc xem
®¬n gi¶n nh− lµ nh÷ng thµnh phÇn cña sè liÖu gi¸ng thñy ®Çu vµo.
291
- C¸c nh©n tè ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn tèc ®é n−íc ch¶y ra khái mét diÖn
tÝch c¬ b¶n lµ: ®é nh¸m thñy lùc cña bÒ mÆt - t¸c ®éng vi ®Þa h×nh, ®é dèc
chung cña bÒ mÆt (nh×n chung, bÒ mÆt cµng dèc th× n−íc ch¶y cµng nhanh) vµ
cuèi cïng lµ ®é s©u cña dßng ch¶y trong diÖn tÝch c¬ b¶n ®ã.
5.3 Sù ph¸t triÓn biÓu ®å thñy v¨n quan niÖm
TÊt c¶ c¸c thµnh phÇn thñy v¨n - c¸c qu¸ tr×nh vËt lý - x¶y ra trong
ph¹m vi mét l−u vùc s«ng trong suèt mét c¬n m−a, cïng víi c¸c tham sè quyÕt
®Þnh chÝnh cña chóng ®Òu ®· ®−îc x¸c ®Þnh. Tr−íc khi cè g¾ng ph¸t triÓn
nh÷ng mèi quan hÖ ®Þnh l−îng th× cÇn ph¶i cã mét kh¸i niÖm chÝnh x¸c vÒ
nh÷ng qu¸ tr×nh ®ã x¶y ra vµ t−¬ng t¸c lÉn nhau nh− thÕ nµo theo thêi gian kÓ
tõ khi mét sù kiÖn gi¸ng thñy b¾t ®Çu. Nh÷ng m« h×nh quan niÖm x¸c ®Þnh
®¬n gi¶n mét c¸ch ®Þnh tÝnh sù xuÊt hiÖn cña nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý ®ã ®−îc
tiªn ®o¸n lµ tån t¹i. Ph¶i thõa nhËn r»ng, cã mét b−íc nh¶y lín tõ m« h×nh
quan niÖm gåm c¸c nh©n tè ¶nh h−ëng tíi tr¹ng th¸i thuû v¨n ®· biÕt ®Õn giai
®o¹n thùc hiÖn yªu cÇu c¸c mèi quan hÖ ®Þnh l−îng vµ c¸c tham sè dù b¸o. Tuy
nhiªn, mét quan niÖm nhËn thøc ch¾c ch¾n vÒ ®èi t−îng m« pháng cña m«
h×nh lµ thiÕt yÕu ®Ó cung cÊp mét hÖ thèng quan ®iÓm ®Ó ®¸nh gi¸ sù thÝch hîp
cña c¸c m« h×nh ®Æc thï. PhÇn nµy cè g¾ng m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh liªn tôc theo
thêi gian x¶y ra trªn mét vïng c¬ b¶n (mét vµi mÐt vu«ng) trong ph¹m vi
®−êng ph©n n−íc gi¶ ®Þnh.
Nh− ®· nãi tõ tr−íc, kh«ng mét m« h×nh thñy v¨n nµo hiÖn nay ®ang
®−îc sö dông hoÆc ®Ò xuÊt lµ chÝnh x¸c; tÊt c¶ chóng ®Òu ®−a ra nh÷ng phÐp
xÊp xØ th« tõ rÊt nhiÒu qu¸ tr×nh vËt lý phøc t¹p cã liªn quan. V× chóng lµ
nh÷ng phÐp xÊp xØ, nªn ng−êi sö dông sÏ ph¶i quyÕt ®Þnh nh− thÕ nµo lµ m«
h×nh m« pháng phï hîp víi c¸c hiÖn t−îng thùc tÕ. Víi mét sù hiÓu biÕt tØ mØ
vµ mét tiªu chuÈn so s¸nh, th× cã thÓ ®−a ra sù lùa chän hîp lý mµ viÖc ph©n
tÝch lµ phï hîp nhÊt ®èi víi mét øng dông ®−a ra.
5.3.1 C¸c bÒ mÆt lý t−ëng
§iÒu g× x¶y ra khi m−a r¬i trªn mét vïng rÊt nhá, b»ng ph¼ng vµ hoµn
toµn kh«ng thÊm n−íc? H×nh 5.2 dù b¸o nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý nµy mµ x¶y ra
292
- vµ ph¶n øng biÕt tr−íc cña mét “thiÕt diÖn” cã ®é nh¸m thñy lùc ®ång nhÊt víi
diÖn tÝch bÒ mÆt lµ A.
§−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y
Tèc ®é m−a -i - inch/h
Dõng m−a
Tèc ®é dßng ch¶y
PhÇn nh½n trªn
diÖn tÝch bÒ mÆt
Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n:
Chó ý:
∂y ∂q
=i− V1 = V2 = thÓ tÝch gi÷ n−íc bÒ mÆt
∂t ∂x ThÓ tÝch dßng ch¶y mÆt tæng céng = i.A.Tr
q ( x ) = f ( y x , S , n, v ) trong ®ã: Tr = kho¶ng thêi gian m−a
H×nh 5.2 Dßng ch¶y tõ bÒ mÆt kh«ng thÊm
T×nh huèng ®Ò cËp ®Õn trªn h×nh 5.2 cã thÓ ®−îc ph©n tÝch chÝnh x¸c.
Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n ®Çu tiªn cho viÖc ph©n tÝch vÊn ®Ò nµy lµ ph−¬ng tr×nh
liªn tôc. Vµ ®Ó gi¶i ph−¬ng tr×nh vi ph©n ®ã cÇn ®−a vµo mét vµi th«ng tin. Mét
c¸ch c¬ b¶n th× cÇn ph¶i cã mèi quan hÖ hµm sè m« t¶ tèc ®é dßng ch¶y t¹i bÊt
kú mét ®iÓm nµo. Tèc ®é cã sÏ phô thuéc vµo ®é s©u cña dßng ch¶y t¹i mét
®iÓm, x, ®é dèc bÒ mÆt cña dßng ch¶y, ®Æc ®iÓm ®é nh¸m thñy lùc cña bÒ mÆt
vµ mét ®Æc tr−ng biÓu thÞ ®é nhít cña chÊt láng. Th«ng th−êng th× c¸c mèi
quan hÖ hµm sè nh− vËy lµ hµm l−u l−îng, ®iÒu kiÖn ban ®Çu vµ ®iÒu kiÖn
biªn.
Khi c¸ch tiÕp cËn trªn ®−îc ¸p dông vµo viÖc gi¶i ph−¬ng tr×nh vi ph©n
liªn tôc, th× nhËn ®−îc kÕt qu¶ nh− biÓu diÔn trªn ë phÇn bªn ph¶i cña h×nh
5.2. Trªn phÇn bªn tr¸i cña biÓu ®å, dßng ch¶y b¾t ®Çu t¹i thêi ®iÓm b»ng 0 vµ
t¨ng dÇn ®Õn tËn khi nã ®¹t tíi mét tû lÖ t¨ng gÇn nh− tuyÕn tÝnh. Cuèi cïng,
tèc ®é dßng ch¶y gÇn nh− tiÖm cËn víi tèc ®é c©n b»ng cña dßng ch¶y, Q, lµ tÝch
cña i - c−êng ®é m−a - víi diÖn tÝch cã m−a. Tèc ®é nµy tiÕp tôc kh«ng giíi h¹n
cho ®Õn khi tèc ®é m−a thay ®æi. NÕu m−a ngõng ®ét ngét, th× n−íc tÝch lòy
trªn bÒ mÆt h×nh thµnh dßng ch¶y vµ tèc ®é cña dßng ch¶y tõ vïng c¬ b¶n ®ã
gi¶m dÇn tíi 0.
293
- Hai ®Æc ®iÓm thªm vµo cña biÓu ®å dßng ch¶y lµ ®¸ng chó ý. §Çu tiªn lµ,
nh÷ng vïng cã ký hiÖu V1, V2 lµ cã diÖn tÝch b»ng nhau. Gi¶ sö kh«ng cã bèc
h¬i, th× do tÝnh liªn tôc th× tÊt c¶ l−îng n−íc m−a r¬i xuèng bÒ mÆt cuèi cïng
sÏ h×nh thµnh dßng ch¶y. Do ®ã, trong phÇn tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh ban ®Çu
cña biÓu ®å thñy v¨n khi tèc ®é dßng ch¶y t¨ng, n−íc r¬i trªn bÒ mÆt mµ ë ®ã
nã ch−a gÆp dßng tho¸t, ®−îc tÝch lòy nh− mét mµng tÝch n−íc. §©y lµ thÓ tÝch
n−íc bÞ gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt. Sau khi m−a dõng, thÓ tÝch tr÷ ®ã sÏ biÕn thµnh
dßng ch¶y. Tæng l−îng dßng ch¶y xuÊt hiÖn tõ thêi gian ngõng m−a cho ®Õn
khi bÒ mÆt trë nªn hoµn toµn kh«, gi¶ thiÕt lµ kh«ng cã ¶nh h−ëng cña søc
c¨ng bÒ mÆt hoÆc bay h¬i, ®óng b»ng thÓ tÝch n−íc chøa trªn bÒ mÆt h×nh
thµnh trong suèt ®o¹n ®Çu bÊt æn ®Þnh cña biÓu ®å. Do kÕt cÊu bÒ mÆt t−¬ng
®èi b»ng ph¼ng nªn l−îng n−íc duy tr× trªn bÒ mÆt cã thÓ bá qua.
Thuéc tÝnh thø hai cña biÓu ®å thñy v¨n ®¸ng chó ý cã liªn quan tíi tæng
thÓ tÝch dßng ch¶y. Nã t−¬ng ®−¬ng víi diÖn tÝch ë phÝa d−íi biÓu ®å dßng ch¶y.
Nã b»ng i x A (lµ tû lÖ dßng ch¶y, Q) x tæng thêi gian Tr, trong suèt thêi gian
m−a liªn tôc. §©y lµ mét hÖ qu¶ trùc tiÕp cña hÖ c¸c ®iÒu kiÖn liªn tôc, ®−îc
ph¸t biÓu lµ tæng thÓ tÝch dßng ch¶y cuèi cïng ph¶i b»ng tæng thÓ tÝch cña n−íc
m−a r¬i trªn bÒ mÆt.
Tr−êng hîp trªn ®©y chØ biÓu thÞ mét t×nh huèng ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu so
víi tr−êng hîp x¶y ra trªn mét l−u vùc tù nhiªn. ChØ mét vµi øng dông, nh−
mét b·i ®ç xe lµ vÝ dô t−¬ng tù nh− tr−êng hîp ®· xem xÐt trªn ®©y. V× thÕ cÇn
ph¶i nghiªn cøu c¸c tr¹ng th¸i phøc t¹p h¬n ®Ó cã thÓ hiÓu c¸c qu¸ tr×nh x¶y
ra trong l−u vùc canh t¸c n«ng nghiÖp vµ thu ®−îc m« h×nh lý thuyÕt thùc tÕ
h¬n.
5.3.2 C¸c vïng n«ng nghiÖp c¬ b¶n
H×nh 5.3. BiÓu diÔn mét s¬ ®å tæng hîp cña mét tr¹ng th¸i vËt lý tiªu
biÓu h¬n cña l−u vùc s«ng tù nhiªn. M« h×nh lý thuyÕt ph¸t triÓn d−íi ®©y cè
g¾ng m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý ®ã cã thÓ x¶y ra khi cã m−a r¬i trªn mét vïng
nh− vËy.
VÉn cÇn ph¶i ®Æt mét vµi giíi h¹n chÆt chÏ trong mét m« h×nh quan
niÖm ®Ó ph¸t triÓn. KÝch th−íc vïng ®−îc gi¶ thiÕt lµ rÊt nhá, phÇn lín lµ vµi
294
- m2, chÝnh x¸c h¬n lµ mét vïng ®ñ nhá ®Ó trªn thùc tÕ nã lµ mét vïng ®ång nhÊt
vÒ lo¹i ®Êt. H¬n n÷a, nã ®−îc gi¶ ®Þnh lµ th¶m thùc vËt ®Òu vµ bÒ mÆt Ýt thay
®æi. §iÒu nµy kh«ng cã nghÜa lµ mét ®iÓm nµo ®ã trong thùc tÕ ph¶i cã ®é dèc
kh«ng ®æi nh−ng cÇn cã bÒ mÆt phï hîp víi ®é dèc chung cña vïng c¬ b¶n. Bëi
v× vïng cã kÝch th−íc nhá nªn cã thÓ gi¶ thiÕt hîp lý r»ng sù ph©n bè vïng
gi¸ng thñy ®ång nhÊt trong suèt mét c¬n m−a tù nhiªn.
H×nh 5.3 MÆt c¾t cña vïng tù nhiªn c¬ b¶n
XÐt mét tr¹ng th¸i t−¬ng tù víi mét tr¹ng th¸i tr−íc hai thêi ®iÓm b»ng
0, l−îng m−a ®−îc cung cÊp cho vïng c¬ b¶n. Ngay khi m−a ®−îc cung cÊp cho
vïng c¬ b¶n. Ngay khi m−a b¾t ®Çu r¬i, th¶m thùc vËt ®ang ph¸t triÓn ë vïng
sÏ ng¨n c¶n mét Ýt n−íc kh«ng cho thÊm xuèng d−íi ®Êt. Qu¸ tr×nh vËt lý nµy
cã hµm ý nh− l−îng n−íc bÞ ch¾n. NÕu vïng kh«ng cã t¸n c©y bao phñ toµn bé
th× ngay lËp tøc mét phÇn n−íc m−a sÏ ®¹t tíi bÒ mÆt. Mét khi n−íc m−a r¬i
®Õn mÆt ®Êt th× mét phÇn b¾t ®Çu thÊm vµo mÆt ®Êt trong khi phÇn cßn l¹i b¾t
®Çu ch¶y xuèng nh÷ng chç tròng nhá hoÆc nh÷ng vïng nhÊp nh« rÊt nhá trªn
bÒ mÆt gå ghÒ. Ngay khi c¸c nhu cÇu ®· kÕt hîp d−íi vïng tròng tÝch n−íc
®−îc lµm ®Çy, tháa m·n sù ch¾n n−íc, vµ tiÕp tôc ®ßi hái cho sù thÊm ®−îc
v−ît qu¸ th× n−íc b¾t ®Çu tÝch lòy trong ®iÒu kiÖn bÒ mÆt gi÷ n−íc vµ dßng
ch¶y b¾t ®Çu.
C¸c chÊm nhá ®en trªn h×nh 5.3 ®−îc dïng ®Ó m« t¶ c¸c ®iÒu kiÖn mËt
®é ®Êt. ChÝnh nh÷ng kho¶ng trèng gi÷a c¸c ®iÓm ®ã biÓu thÞ cµng dµy hoÆc
295
- chÆt th× ®Æc ®iÓm thÊm n−íc cña ®Êt cµng dµy hoÆc chÆt th× ®Æc ®iÓm thÊm
n−íc cña ®Êt cµng bÞ giíi h¹n. H×nh 5.3. t−¬ng øng víi mét tr¹ng th¸i trong ®ã
mét líp ®· ®−îc ph¸t triÓn ®Õn mét môc nµo ®ã phÝa d−íi mÆt ®Êt. Líp nµy lµ
dµy vµ h¹n chÕ sù thÊm vµ chuyÓn ®éng cña n−íc ngÇm qua ®Êt h¬n lµ líp phÝa
trªn. Mét trong nh÷ng ®iÒu nµy cã thÓ x¶y ra trong tr¹ng th¸i nh− vËy, ®ã lµ
th−êng thÊy ë c¸c vïng ®ång b»ng chñ yÕu ®Ó canh t¸c vµ cµy bõa lµ mét phÐp
rót gän quan träng trong tr¹ng th¸i thÊm æn ®Þnh. H¬n n÷a, mét phÇn cña
n−íc di chuyÓn vµo mÆt ®Êt lµ cã thÓ chuyÓn ®éng ngang còng nh− th¼ng ®øng
xuèng d−íi vµ cã thÓ, t¹i mét sè ®é cao thÊp h¬n trong l−u vùc, l¹i xuÊt khi hßa
vµo nhau h¬n trªn bÒ mÆt cña mÆt ®Êt ®Ó l¹i trë thµnh dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt.
L−îng ch¾n
Tèc ®é m−a - i
ThÊm
Tèc ®é trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch
N−íc bÞ chÆn trªn mÆt
N−íc gi÷ l¹i trªn mÆt
Dßng ch¶y
Thêi gian
H×nh 5.4 Ph¶n håi thuû lùc cña vïng tù nhiªn c¬ b¶n
BiÓu ®å tæng hîp cña tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn thñy v¨n ®ã lµ mét hµm cña
thêi gian ®· ®o biÓu diÔn trong h×nh 5.4. BiÓu ®å hoµn toµn ®óng nµy cè g¾ng
m« t¶ sinh ®éng c¸c thµnh phÇn t−¬ng t¸c khi chóng thay ®æi theo thêi gian tõ
khi gi¸ng thñy b¾t ®Çu. Mét biÓu ®å th«ng th−êng ®−îc g¸n cho tèc ®é trªn mét
®¬n vÞ diÖn tÝch..
§ã cã thÓ lµ tèc ®é cña m−a, tèc ®é cña dßng ch¶y, tèc ®é thÊm hoÆc lµ
bÊt cø c¸i g×, khi nã ®−îc sö dông nh− mét quy m« tèc ®é ®èi víi tÊt c¶ c¸c qu¸
296
- tr×nh vËt lý. BiÓu ®å nµy cè g¾ng m« t¶ tèc ®é cña thµnh phÇn thñy v¨n ®Æc
tr−ng t¹i thêi ®iÓm kh¶o s¸t khi ®é cao cña vïng ®· ®Þnh râ bëi vïng t« ®Ëm
®Æc thï. Nãi c¸ch kh¸c, mçi thµnh phÇn, trõ m−a vµ dßng ch¶y tèc ®é mµ c¶
hai ®−îc gîi ý (®èi xøng - x, sö dông mét ®−êng c¬ së cã thÓ thay ®æi cho tung
®é cña nã).
Tr−íc hÕt xÐt l−îng n−íc bÞ gi÷ l¹i. X - trôc hoµnh (®èi xøng x) lµ ®−êng
c¬ së cña nã vµ tèc ®é t¹i ®ã n−íc ®−îc gi÷ l¹i t¹i bÊt k× thêi ®iÓm nµo ®−îc m«
t¶ ®¬n gi¶n nh− tung ®é cña vïng ®· che phñ t−¬ng øng. T¹i thêi ®iÓm b»ng 0
mét tØ lÖ phÇn tr¨m nµo ®ã cña tØ lÖ mµ m−a ®ang cung cÊp ®−îc hiÓu nh− lµ
l−îng n−íc bÞ gi÷ l¹i. Nh×n chung tØ lÖ ban ®Çu cã ®Ó −íc l−îng b»ng c¸ch nh©n
tØ lÖ m−a víi phÇn tr¨m t¸n thùc vËt bao phñ bÒ mÆt tøc lµ vïng ®· che phñ
cña t¸n c©y. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ, nÕu 50% diÖn tÝch ®−îc bao phñ bëi sù nh« ra
th¼ng ®øng cña t¸n c©y, th× xÊp xØ mét nöa l−îng m−a ®−îc sö dông lóc ®Çu
tháa m·n l−îng n−íc tÝch lòy. Th«ng th−êng, tØ lÖ cña ph©n tÝch ra nµy sÏ gi¶m
nhanh bëi v× toµn bé nhu cÇu gi÷ n−íc cña c¸c th¶m thùc vËt th−êng lµ nhá;
mét Ýt trong 0,25% min → xÊp xØ b»ng 1,5mm l−îng gi¸ng thñy cã thÓ ®−îc
mong chê nh− lµ tæng kh¶ n¨ng gi÷ n−íc cña th¶m thùc vËt n«ng nghiÖp.
L−îng m−a kh«ng ®−îc sö dông ®Ó ®¸p øng l−îng n−íc gi÷ l¹i t¹i thêi
®iÓm b»ng 0 ®−îc tËn dông tiÕp ®Ó ®¸p øng c¸c nhu cÇu thÊm n−íc kh¶ n¨ng.
H×nh 5.4 ®· ®−îc vÏ) víi sù gi¶ ®Þnh r»ng kh¶ n¨ng thÊm cña ®Êt lµ lín h¬n tØ
lÖ n−íc m−a cung cÊp cho vïng trõ ®i tØ lÖ mµ n−íc ®ang bÞ gi÷ l¹i. §iÒu nµy
®−îc biÓu thÞ b»ng c¸ch chó ý r»ng diÖn tÝch ®· che phñ t−¬ng øng ®¹t tØ lÖ
thÝch hîp cña l−îng m−a. §iÒu nµy cã nghÜa lµ t¹i t b»ng 0 l−îng m−a cung cÊp
®−îc tËn dông hoµn toµn tháa m·n hai yªu cÇu: phÇn n−íc gi÷ l¹i vµ mét phÇn
nhu cÇu thÊm kh¶ n¨ng. §é cao thùc cña diÖn tÝch ®· t« ®Ëm duy nhÊt trªn
biÓu ®å (cao h¬n ®é cao gi÷a ®Ønh cña vïng t« ®Ëm vµ ®èi xøng x) ®−a ra tØ lÖ
n−íc thÊm vµo ®Êt.
Khi thêi gian t¨ng lªn mét ®iÒu kiÖn ®−îc ®¹t tíi t¹i ®ã c¸c nhu cÇu phèi
hîp d−íi sù gi÷ n−íc vµ kh¶ n¨ng thÊm ®Òu nhí h¬n tØ lÖ mµ ë ®ã m−a ®ang
cung cÊp cho vïng. Cïng lóc ®ã, mét ®iÓm xuÊt ph¸t cã thÓ ®−îc hoµn thµnh
theo h−íng phï hîp víi c¸c nhu cÇu tÝch lòy n−íc gi÷ l¹i trªn bÒ mÆt. N−íc
297
- kh«ng cÇn thiÕt cho c¸c nhu cÇu thÊm vµ gi÷ l¹i sÏ b¾t ®Çu ch¶y xuèng c¸c
vïng tròng nhá.
DÞch chuyÓn xa h¬n theo trôc thêi gian, ®−êng th¼ng ®øng ®· ®¸nh dÊu
chÊm cã thÓ ®−îc chó ý tíi. Vµo lóc nµy c¸c nhu cÇu gi÷ n−íc c¬ b¶n gi¶m tíi 0.
MÆc dï, mét tØ lÖ rÊt nhá cña phÇn n−íc gi÷ l¹i t¸ch ra do sù bay h¬i cã thÓ
®−îc biÓu diÔn, nã ®−îc xem nh− kh«ng ®¸ng kÓ trong phÐp so s¸nh c¸c tØ lÖ
cña l−îng m−a, l−îng thÊm v.v… Khi ®ã t−¬ng øng v× ®−êng th¼ng ®øng chÊm
®Çu tiªn trªn b¶n ®å, c¸c nhu cÇu cña kh¶ n¨ng thÊm vµ tÝch lòy n−íc trªn bÒ
mÆt lµ gi¶m vµ tiÕn tíi b»ng tØ lÖ cña l−îng m−a thÝch hîp. §©y lµ thêi ®iÓm
®Çu tiªn n−íc cã ch½n cho sù tÝch lòy duy tr× trªn bÒ mÆt vµ lµ ®Çu trªn dßng
ch¶y xuÊt hiÖn trªn diÖn tÝch vïng.
VÉn tiÕp tôc theo trôc thêi gian, kh¶ n¨ng thÊm tiÕp tôc gi¶m theo thêi
gian. §iÒu nµy lµ phï hîp víi l−îng thÊm thùc nghiÖm vµo hÇu hÕt c¸c lo¹i
®Êt. Kh¶ n¨ng thÊm cña ®Êt lµ rÊt cao. Khi m−a ®−îc cung cÊp vµ h¬i Èm
chuyÓn vµo mÆt c¾t d−íi kh¶ n¨ng thÊm cã xu h−íng gi¶m theo thêi gian cho
®Õn, nÕu m−a tiÕp tôc víi mét tØ lÖ v−ît qu¸ kh¶ n¨ng thÊm, th× tØ lÖ n−íc thÊm
vµo mÆt ®Êt cuèi cïng trë lªn vµ phÇn cßn l¹i t−¬ng ®èi æn ®Þnh.
§ã lµ tr¹ng th¸i ®· ph¸c häa trong h×nh 5.4. Tèc ®é thÊm vµo trong ®Êt
®−îc biÓu diÔn t¨ng liªn tôc cho ®Õn khi ®¹t tíi ®−êng th¼ng chÊm thø hai.
Khi ®ã n¨ng suÊt thÊm ®¹t tíi gi¸ trÞ b»ng h»ng sè. Trong khi n¨ng suÊt
thÊm gi¶m, th× tæng l−îng n−íc m−a t¨ng lªn trë thµnh d− thõa ®Ó ®¸p øng
nhu cÇu chøa n−íc cña bÒ mÆt vµ tèc ®é dßng ch¶y tiÕp tôc t¨ng.
Khi nhu cÇu chøa n−íc bÒ mÆt lµ th−êng xuyªn ®−îc tháa m·n vµ khi
kh¶ n¨ng thÊm gi¶m ®Õn tèc ®é kh«ng ®æi, th× tèc ®é dßng ch¶y t¨ng dÉn ®Õn
khi nhu cÇu thÊm kh¶ n¨ng vµ tèc ®é dßng ch¶y trë nªn æn ®Þnh, t¹i thêi ®iÓm
t−¬ng øng víi ®−êng chÊm th¼ng ®øng thø 2 ®· biÓu diÔn trong h×nh 5.4. §iÒu
nµy còng t−¬ng ®−¬ng víi thêi ®iÓm mµ ë ®ã c¸c nhu cÇu chøa n−íc bÒ mÆt
gi¶m → 0
NÕu m−a tiÕp tôc v−ît ra xa ®iÓm nµy víi mét tèc ®é kh«ng ®æi nh−
trong h×nh 5.4 th× dßng ch¶y sÏ liªn tôc víi tèc ®é kh«ng ®æi b»ng tèc ®é m−a, I
trõ ®i tèc ®é n−íc thÊm vµo mÆt ®Êt. Tèc ®é nµy ®−îc ký hiÖu lµ fi. Do ®ã, sù
298
- kh¸c nhau trong tèc ®é cña m−a t−¬ng øng vµ tr¹ng th¸i æn ®Þnh tèc ®é dßng
ch¶y còng b»ng fe. Tèc ®é cña m−a trõ tèc ®é cña tÊt c¶ c¸c phÇn t¸ch ®−îc
®−a ra mét trong c¸c ph©n tÝch thñy v¨n, nã cã nghÜa nh− lµ tØ lÖ l−îng m−a
v−ît qu¸ giíi h¹n. T−¬ng tù, tæng thÓ tÝch dßng ch¶y tõ mét c¬n m−a th−êng
®−îc hiÓu ®¬n gi¶n nh− lµ l−îng m−a v−ît qu¸ giíi h¹n.
C¸c ®iÒu kiÖn ®· duy tr× lµ t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n vµ Ýt ®−îc quan t©m vµo
thêi ®iÓm nµy, nh−ng phÇn phÝa cuèi cña biÓu ®å lµ cÇn quan t©m. Khi m−a
ngõng tèc ®é dßng ch¶y b¾t ®Çu gi¶m nhanh nh− ®· biÓu diÔn trong h×nh 5.4.
ChØ l−îng n−íc gi÷ l¹i, trªn bÒ mÆt vµ tÝch lòy lµ ®ñ ®Ó duy tr× cho dßng ch¶y
vµ quan tr¾c thÊm. Tèc ®é thÊm ®−îc gi¶m rÊt nhanh bëi v× qu¸ tr×nh nµy lµ
mét trong nh÷ng chuyÓn ®éng th¼ng ®øng ®Çu tiªn. Khi m−a kh«ng dµi trªn
toµn bé diÖn tÝch bÒ mÆt th× nã th−êng chØ lµm trµn 10-15% diÖn tÝch bÒ mÆt.
V× qu¸ tr×nh thÊm tiÕp tôc lµm ®Çy vïng chøa n−íc chØ trªn mét tØ lÖ % nhá
diÖn tÝch vïng, nªn tèc ®é trung b×nh rÊt nhanh trong suèt c¬n m−a. Dßng ch¶y
mÆt tiÕp tôc cho ®Õn khi thÓ tÝch n−íc tÝch lòy bÞ c¹n hÕt. Qu¸ tr×nh thÊm sÏ
tiÕp tôc cho ®Õn khi n−íc chøa trªn bÒ mÆt bÞ thÊm hoÆc bay h¬i hoµn toµn.
5.3.3 Xem xÐt quy m«
C¸c kh¸i niÖm ®−a ra bªn trªn ®· ®−îc ®Þnh nghÜa dù b¸o trªn c¬ së gi¶
®Þnh r»ng diÖn tÝch vïng tÝnh lµ rÊt nhá, vïng c¬ b¶n. Nh÷ng nh©n tè nµo cÇn
®−a thªm vµo ®Ó thiÕt lËp m« h×nh nÕu diÖn tÝch vïng ®−îc x¸c ®Þnh? §Çu tiªn,
nã ®−îc chØ ra r»ng, theo lý thuyÕt, kh«ng cã sù kh¸c nhau râ rµng trong c¸c
qu¸ tr×nh x¶y ra trªn mét m« h×nh nhá ®−îc lËp víi quy m« l−u vùc. Nãi c¸ch
kh¸c, m« h×nh lý thuyÕt ®· ph¸t triÓn trªn chØ ¸p dông cho c¸c l−u vùc nhá
còng nh− x¸c ®Þnh (chÝnh x¸c) cho c¸c l−u vùc lín. Sù kh¸c nhau gi÷a c¸c
ph−¬ng ph¸p ¸p dông cho c¸c ®−êng dÉn n−íc lín vµ nhá arise khi c¸c mèi
quan hÖ ®Þnh l−îng xÊp xØ ®−îc ®Ó ®Æc tr−ng cho c¸c ph−¬ng tr×nh vËt lý phøc
t¹p ®· ®−îc ®Þnh nghÜa.
Trong ph−¬ng tr×nh ph¸t triÓn c¸c ph−¬ng ph¸p xÊp xØ cho viÖc dùng
m« h×nh c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n. Mét vµi nh©n tè ¶nh h−ëng lín ®Õn c¸c l−u
vùc nhá cã thÓ trë nªn t−¬ng ®èi kh«ng quan träng khi kÝch th−íc l−u vùc t¨ng
cho c¸c l−u vùc lín cã thÓ t−¬ng ®èi kh«ng quan träng trong khi kÝch th−íc l−u
299
- vùc t¨ng. Ng−îc l¹i mét vµi nh©n tè ¶nh h−ëng lín trong c¸c quy ®Þnh dù b¸o
cho c¸c l−u vùc lín cã thÓ t−¬ng ®èi kh«ng quan träng ®èi víi viÖc dù b¸o trªn
c¸c vïng nhá h¬n. Khi c¸c ph−¬ng ph¸p dùng m« h×nh th−êng xuyªn lµ c¸c
phÐp xÊp xØ th«, th× ®é chÝnh x¸c víi bÊt k× m« h×nh nµo còng cã thÓ gi¶ sö lµ
mét chu tr×nh thñy v¨n kh«ng phô thuéc vµo kÝch th−íc l−u vùc mµ nã ®−îc ¸p
dông ë ®ã. C¸c nh©n tè lµ ®Æc biÖt quan träng cã thÓ lµm thay ®æi kÝch th−íc
l−u vùc bao gåm: sù ph©n bè gi¸ng thñy vïng, dßng kÕt hîp, vµ mÆt ®Êt phÝa
trªn chèng l¹i viÖc tÝnh dÉn n−íc cña kªnh.
TÊt nhiªn ¶nh h−ëng hay tÇm quan träng cña sù ph©n bè gi¸ng thñy
vïng sÏ cã xu h−íng t¨ng lªn khi kÝch th−íc l−u vùc t¨ng. Khi kÝch th−íc
®−êng dÉn n−íc trë nªn nhá h¬n th× cµng cã thÓ gi¶ thiÕt tèc ®é cña l−îng m−a
t−¬ng øng lµ ®ång nhÊt t¹i mét kho¶ng thêi gian ®Æc thï trªn toµn bé diÖn tÝch
vïng. Ng−îc l¹i, khi kÝch th−íc l−u vùc t¨ng, nã cã thÓ lµ quan träng, ®Ó nghÜ
vÒ ®−êng vËn chuyÓn cña mét c¬n m−a ®Æc thï ch¶y theo.
TÇm quan träng t−¬ng ®èi cña dßng kÕt hîp thay ®æi rÊt m¹nh khi kÝch
th−íc cña l−u vùc t¨ng. §èi víi nhiÒu l−u vùc nhá, c¸c vïng ®ång b»ng ®Æc thï
®· x¸c ®Þnh vÞ trÝ trong c¸c giíi h¹n trªn mÆt ®Êt cña mét l−u vùc lín, dßng kÕt
hîp lµ kh«ng ®¸ng kÓ. §èi víi c¸c l−u vùc réng nh©n tè dßng kÕt hîp cã thÓ lµ
nh©n tè gãp phÇn chñ yÕu, ®Æc biÖt nÕu cã liªn quan víi tæng thÓ tÝch dßng
ch¶y, h¬n lµ mét biÓu ®å m−a. TÇm quan träng cña dßng ch¶y còng cã xu
h−íng trë nªn lín h¬n trªn c¸c l−u vùc cã rõng h¬n trong vïng ®Êt thùc vËt
®ang ph¸t triÓn. §iÒu nµy th«ng th−êng ®−îc nghØ lµ ®Ó thu ®−îc kÕt qu¶ tõ
l−îng thÊm bÒ mÆt ®· lµm t¨ng kÕt hîp víi mét Ýt rõng mµ ë ®ã th−êng cho
phÐp tÊt c¶ m−a thÊm xuèng bÒ mÆt (Hewlett vµ Troendle, 1975).
C¸c ®iÒu kiÖn kªnh dÉn cã xu h−íng ¶nh h−ëng ®Õn c¸c phÐp tÝnh dßng
ch¶y mÆt cho c¸c l−u vùc s«ng. Khi kÝch th−íc cña l−u vùc t¨ng th× cÇn ph¶i sö
dông nghiªm ngÆt c¸c thñ ph¸p ®−êng lò ®Ó x¸c ®Þnh ®−êng ch¶y vµ tèc ®é
chuyÓn ®éng cña c¸c dßng ch¶y tõ c¸c l−u vùc nhá kh¸c nhau.
Ng−îc l¹i, mét vµi nh©n tè mµ c¸c nh©n tè quan träng ®èi víi c¸c l−u vùc
h¬n ®èi víi c¸c l−u vùc s«ng lµ: th¶m phñ thùc vËt, ®Þa h×nh bÒ mÆt nhá vµ sù
ph©n bè lo¹i ®Êt. VÝ dô sù thay ®æi cña th¶m phñ thùc vËt cã xu h−íng trë
thµnh trung b×nh vµ th−êng lµ tr«ng ®¸ng kÓ khi diÖn tÝch l−u vùc s«ng trë nªn
300
nguon tai.lieu . vn
