Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 5: Dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

134
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dòng chảy mặt là một phần của giáng thủy, nó tồn tại trong suốt thời gian mưa cũng như ngay sau khi có một cơn mưa và sau cùng xuất hiện như là dòng chảy trong mạng lưới sông suối của một lựu vực. Mời các bạn cùng tìm hiểu kĩ hơn qua bài giảng dưới đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 5: Dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển

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