Chương 4. CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM
4.6. ẢNH HƯỞNG CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN TỚI CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM
Các phương pháp tính toán gián tiếp xuất hiện trên cơ sở nghiên cứu khoa học và khái quát hoá tài liệu trên các qui luật địa đới, phi địa đới cũng như tác động của con người tới dòng chảy. Các đặc trưng dòng chảy, gồm cả chuẩn dòng chảy năm là kết quả tác động tương hỗ của nhiều quá trình vật lý phức tạp diễn ra trên lưu vực. Các đặc trưng định tính và định lượng được xác định bởi hàng loạt các yếu tố đặc thù cho vùng địa lý hay lưu vực, chúng tác động lên quá trình hình thành dòng chảy trong mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Cho nên việc nghiên cứu các nhân tố địa lý tự nhiên riêng biệt có một ý nghĩa lớn về cả lý thuyết lẫn thực tiễn. Các nghiên cứu này cho phép tính toán chuẩn dòng chảy năm ở các vùng ít hoặc không có số liệu đo đạc và cho phép đánh giá độ tin cậy của các phương pháp tính toán gián tiếp.
Vấn đề đánh giá định tính và định lượng ảnh hưởng của từng nhân tố đến các thành phần dòng chảy bằng phương pháp cân bằng nước là phổ biến hơn cả, bởi nó có thể áp dụng cho mọi lãnh thổ, mọi thời kỳ tính toán.
4.6.1. Ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu
Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực sông ngòi cho một hệ kín Y = X - Z thì dòng chảy năm trung bình là hàm của các yếu tố khí hậu: mưa và bốc hơi hay nói cách khác là hàm của các yếu tố khí tượng thủy văn phản ánh cán cân nhiệt ẩm của cảnh quan địa lý vùng đang nghiên cứu.
1 N g u yễn Văn T uần , N g u yễn T hị N g a , N g u yễn T hị P hươn g L o a n v à N g u yễn T h a n h Sơn , T h uỷ văn đại cươn g , Tập I , N X B K H & K T , H à Nội , 1 9 9 1
Kết luận lần đầu tiên đã được Voekov A.I. đưa ra vào đầu thế kỷ thứ XVIII rằng dòng chảy sông ngòi là sản phẩm của khí hậu.
Về mức độ ảnh hưởng của khí hậu theo nghiên cứu của Oldelkop E.M. thì nó là thành phần ảnh hưởng chủ yếu đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi, ngoài yếu tố khí hậu thì các thành phần tác động khác chỉ chiếm cỡ ±15-20%.
Những nghiên cứu về sau càng chứng tỏ rằng chỉ có các nhân tố khí hậu mới tác động trực tiếp đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Các yếu tố khác tác động đến dòng chảy sông ngòi đều không ảnh hưởng trực tiếp mà đều thông qua các yếu tố khí hậu là mưa và bốc hơi v.v..
Tuy nhiên những kết luận đúng với dòng chảy trung bình nhiều năm không thể áp dụng cho những đặc trưng khác của dòng chảy. Nếu thời kỳ tính toán càng ngắn thì ảnh hưởng của các nhân tố khác lên giá trị trung bình của dòng chảy càng thể hiện rõ nét. Thí dụ như dòng chảy cực đại tại một thời điểm chịu ảnh hưởng trực tiếp của mưa và nền ẩm của đất đai trước khi mưa; hoặc sự phân phối nước trong năm chịu ảnh hưởng của sự phân bố mưa trong năm cùng với độ ngấm nước và tích tụ do ao hồ, điền trũng gây nên.
Đối với những lưu vực không khép kín thì những kết luận trên cũng không được tường minh do tính chất các lưu vực đó nhận nguồn nuôi dưỡng chủ yếu là nước trên bề mặt và chỉ bổ sung một phần nước ngầm, khi đó thì các yếu tố như độ sâu tầng nước ngầm có thể đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong sự hình thành dòng chảy sông ngòi, đẩy tính địa đới vào vai trò thứ yếu.
4.6.2. Ảnh hưởng của diện tích lưu vực đến chuẩn dòng chảy năm
Theo kích thước lưu vực sông ngòi được phân chia thành các loại: lớn, trung bình và nhỏ. Từ quan điểm hình thành chế độ nước của các con sông thì sự phân loại như vậy trở nên không xác định.
K.P. Voskrexenski đưa ra phân loại sông ngòi theo các dấu hiệu thủy văn. Theo quan điểm xác định chuẩn dòng chảy năm từ phân loại này thì lưu vực được chia thành các loại kín, hở và hệ trung gian được đặc trưng bởi độ chia cắt các tầng nước ngầm.
Chỉ tiêu gián tiếp của độ phân cắt sông ngòi, độ sâu và độ rộng tầng nước ngầm, tỷ lệ giữa nước mặt và nước ngầm trong một điều kiện nhất định nào đó là diện tích lưu vực. Tuy nhiên mối phụ thuộc của các yếu tố kể trên vào diện tích lưu vực trong các vùng địa lý khác nhau rất khác nhau và nó chịu ảnh hưởng của các biến đổi có tính địa đới của các yếu tố khí hậu, độ sâu nước ngầm và các yếu tố khác. Ngoài ra thậm chí trên một vùng cảnh quan địa lý, dòng chảy trung bình nhiều năm không chỉ phụ thuộc vào diện tích lưu vực mà còn chịu ảnh hưởng của các nhân tố phi địa đới và tác động của sản xuất nông nghiệp;
chúng xác định sự phân bố dòng chảy từ mưa ra các thành phần nước mặt và nước ngầm chi phối đến lượng nước ngầm và khả năng bốc hơi. Những yếu tố đó sẽ lần lượt được xét đến, hiện tại phân tích quan hệ giữa chuẩn dòng chảy năm với diện tích lưu vực.
Ta có thể xây dựng quan hệ Y = f(F) cho ở H. 4.3.
Trên hình 4.3 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chuẩn dòng chảy và diện tích lưu vực. Hình 4.3 a) là quan hệ giữa chuẩn dòng chảy nước mặt và diện tích lưu vực cho thấy dòng chảy mặt không phụ thuộc vào diện tích lưu vực. Hình 4.3 b) là quan hệ giữa chuẩn dòng chảy ngầm với diện tích lưu vực, trên đồ thị cho thấy tại khoảng giá trị diện tích từ 0 → F1 (lưu vực cắt tầng nước ngầm thứ nhất) dòng chảy ngầm bằng 0, từ F1→F2 dòng chảy ngầm tăng tỷ lệ thuận với diện tích lưu vực. Tại giá trị F2 (diện tích lưu vực đã khống chế hết tầng nước ngầm) thì dù diện tích lưu vực tăng dòng chảy ngầm cũng không tăng. Như vậy dòng chảy chỉ phụ thuộc vào diện tích lưu vực trong khoảng F1→ F2 trong tầng nước ngầm thứ nhất và khi đạt đến tầng ngầm thứ hai thì hình ảnh trên sẽ được lặp lại.
44
Theo quan điểm trên thì diện tích lưu vực nằm trong khoảng 0 < F < F1 và F > F2 là hệ lưu vực kín, còn F1 < F < F2 là lưu vực hở, có nghĩa là có sự gia tăng nguồn nước từ ngoài vào hệ thống.
Tuy nhiên khó xác định chính xác một cách định lượng ảnh hưởng của diện tích lưu vực đối với chuẩn dòng chảy năm do có khó khăn khi xác định độ sâu tầng nước ngầm (vì nó phụ thuộc rất lớn vào sự biến đổi lượng nước qua các năm).
4.6.3. Ảnh hưởng của địa hình đến chuẩn dòng chảy năm
Địa hình lưu vực được kết hợp bởi các dạng vỏ bề mặt trái đất, cao độ lưu vực và mức độ chia cắt, dàn trải của nó, độ uốn khúc và vị trí các sườn, độ dốc các dòng chảy và điền trũng v.v... Do vậy khi nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình đến từng thành phần riêng của dòng chảy, kể cả chuẩn dòng chảy năm, cũng không thể tách rời các yếu tố địa hình trên được. Cần phải tính rằng địa hình với các đặc trưng khí hậu có liên quan mật thiết với nhau trong việc tạo nên sản phẩm là dòng chảy sông ngòi.
Thật vậy, với cùng một điều kiện, quá trình thấm ở các lưu vực miền đồng bằng sẽ lớn hơn so với vùng đồi núi. Lưu vực càng dốc thì hệ số dòng chảy càng lớn và tổn thất dòng chảy mặt càng ít.
Ảnh hưởng trực tiếp của địa hình đến dòng chảy trung bình nhiều năm thấy rất rõ với những lưu vực bé, nơi sông ngòi được nuôi dưỡng bởi phần chủ yếu là nguồn nước mặt, còn nước ngầm chiếm một tỷ lệ không đáng kể.
Trong các lưu vực lớn và trung bình ảnh hưởng của địa hình quan sát thấy rõ ở sự bố trí các sườn so với hướng truyền ẩm do gió mang đến lưu vực. Ở các sườn đón gió lượng mưa tăng lên do đó tạo ra nguồn nước dồi dào dẫn đến kết quả tăng chuẩn dòng chảy năm. Ngược lại tại các sườn khuất gió do thiếu nguồn ẩm nên ít mưa và dẫn đến giảm lượng dòng chảy năm. Qua ví dụ trên cũng chứng tỏ khi xét yếu tố địa hình ảnh hưởng tới dòng chảy, cần phân tích kỹ các yếu tố khí hậu có quan hệ chặt chẽ với chúng trong sự hình thành dòng chảy.
Một thành tố quan trọng của địa hình là độ cao lưu vực cũng ảnh hưởng không nhỏ đến sự hình thành dòng chảy và đặc trưng cơ bản nhất của nó là chuẩn dòng chảy năm. Ta biết rằng nhiệt độ không khí giảm dần theo độ cao và do vậy càng lên cao điều kiện ngưng tụ các khối không khí chứa ẩm càng tăng, vì thế lượng mưa tăng và kéo theo sự tăng dòng chảy. Mặt khác do sự tăng độ cao nhiệt độ không khí hạ thấp nên
F F
F
Y Y Y
Ym
Y m
0 0 0
a) b) c)
F2 F1 F2
F1
Hình 4.3. Sơ đồ quan hệ diện tích lưu vực và chuẩn dòng chảy năm a) dòng chảy mặt b) dòng chảy ngầm, c) dòng chảy tổng cộng
lượng bốc hơi cũng giảm. Mưa tăng, bốc hơi giảm đều dẫn đến sự tăng dòng chảy và chuẩn dòng chảy năm tăng theo độ cao địa hình.
Với số liệu quan trắc tốt có thể sử dụng quan hệ M = f(H) để tính toán các đặc trưng dòng chảy năm cho các vùng địa hình khác nhau trên lưu vực khi cần xác định chính xác chuẩn dòng chảy năm nhằm loại trừ các yếu tố ngẫu nhiên.
4.6.4. Ảnh hưởng của địa chất thổ nhưỡng tới chuẩn dòng chảy năm
Ảnh hưởng của điều kiện địa chất tới chuẩn dòng chảy năm thể hiện ở các khía cạnh sau: 1) Thế nằm và độ sâu của tầng nước ngầm trong lưu vực được qui định bởi các tầng đất đá không thấm nước; 2) Vị trí của karst trên lưu vực: karst nhận hay cấp nước.
Ảnh hưởng của điều kiện thổ nhưỡng tới chuẩn dòng chảy năm được hiểu như sau. Theo bản đồ thổ nhưỡng thế giới thì đất đai phân bố cũng tuân theo qui luật địa đới. Một trong các yếu tố quan trọng nhất thành tạo đất đai là khí hậu. Các điều kiện khí hậu ảnh hưởng đến tính chất và cường độ phong hoá, sinh hoá, độ ẩm và chế độ nước trong đất. Vì thế cùng với sự tác động của các yếu tố khác, đất đai là sản phẩm của địa cảnh quan và có mối quan hệ chặt chẽ không những với khí hậu mà cả dòng chảy trung bình.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của đất đai đến chuẩn dòng chảy năm, tức là bàn đến các tính chất thấm và chứa nước của đất được xác định bởi các tính chất cơ lý và cơ hoá của đất, cấu trúc của nó và phương pháp xử lý.
Phụ thuộc vào các yếu tố trên, độ ẩm của đất có thể thay đổi trong một phạm vi lớn. Kích thước hạt càng lớn, mật độ càng nhỏ và độ thẩm thấu càng cao.Ví dụ cường độ thấm trên cát và cát pha gấp 5- 10 lần cường độ thấm ở sét và á sét. Điều này dẫn đến giảm hệ số dòng chảy và chuẩn dòng chảy năm.
Độ ngậm nước của đất cũng ảnh hưởng đến chế độ nước. Do khả năng của đất có thể giữ được một lượng nước trong tầng hoạt động, nước này có thể tham gia vào quá trình bốc hơi hay bổ sung vào nước ngầm. Đất càng có độ ngậm nước cao thì càng làm giảm hệ số dòng chảy và chuẩn dòng chảy năm.
Cấu trúc của đất cũng đóng vai trò lớn trong chế độ thủy văn của đất. Đất có cấu trúc giữ ẩm tốt hơn và ẩm được giữ lại phần nhiều dưới dạng mao dẫn không tham gia vào quá trình tạo dòng chảy dẫn đến giảm chuẩn dòng chảy năm.
Vậy đất với các tính chất lý hoá khác nhau trên lưu vực, tuỳ theo mức độ, có ảnh hưởng đến chuẩn dòng chảy năm thông qua bốc hơi và thành tạo nước ngầm.
4.6.5. Ảnh hưởng của rừng và các dạng thảm thực vật đến chuẩn dòng chảy năm
Vấn đề ảnh hưởng của thảm thực vật, đặc biệt là rừng đối với chế độ nước sông ngòi là một vấn đề luôn luôn được đặt ra và có một ý nghĩa vô cùng to lớn về mặt lý thuyết cũng như thực tế.
Ngày nay vấn đề trồng rừng, khai thác rừng càng đáng quan tâm khi vấn đề ảnh hưởng của rừng đối với việc tính toán một số thành phần dòng chảy, về việc đánh giá lượng nước sông và lựa chọn sông tương tự v.v.. đang có nhiều phức tạp. Sự khó khăn trong việc đánh giá định lượng và định tính các ảnh hưởng đó đã nảy sinh nhiều mâu thuẫn trong nghiên cứu và trở thành đối tượng của nhiều cuộc tranh cãi. Các kết luận đưa ra vẫn còn nhiều mâu thuẫn. Một số nhà nghiên cứu chỉ xem xét một vài đặc trưng của dòng chảy và tổng thể dòng chảy nói chung. Một số khác xét riêng sông lớn, sông nhỏ và cả các sườn dốc có rừng trên các vùng đất, lãnh thổ địa lý khác nhau và các yếu tố khác nữa rồi khái quát kết quả để đi đến kết luận.
Nhưng tựu trung hiện nay có một vấn đề đã đạt được sự thống nhất tương đối là các đặc trưng dòng chảy (chuẩn dòng chảy năm, dòng chảy cực đại, dòng chảy cực tiểu, phân bố dòng chảy trong năm) giữa lưu vực lớn và lưu vực bé cần được phân biệt.
46
Ảnh hưởng của rừng và các dạng thực vật khác đến chế độ chung của dòng chảy và một số đặc trưng của nó có thể tóm gọn lại như sau:
- Thảm thực vật giữ lại một phần nước mưa và làm tăng tổn thất qua bốc hơi.
- Thảm thực vật hấp thụ nước từ đất và thoát hơi qua mặt lá gây tổn thất.
- Thảm thực vật, đặc biệt là rừng che phủ đất đai làm giảm độ nóng và làm giảm sự bốc hơi từ đất.
- Trong rừng chuẩn dòng chảy năm tăng lên.
- Thảm thực vật làm tăng độ nhám bề mặt lưu vực, làm giảm vận tốc dòng chảy mặt và làm tăng độ thấm.
- Thảm thực vật có khả năng thay đổi cấu trúc đất đai và các tính chất thủy lý của đất.
Ta xét đến một số chức năng của rừng trong vai trò đối với chuẩn dòng chảy năm.
Ảnh hưởng của rừng đến lượng mưa tạo nên dòng chảy sông ngòi thể hiện qua hai hướng: Nhờ rừng nên độ nhám bề mặt lưu vực tăng ngăn dòng vận chuyển khối khí theo chiều thẳng đứng và mưa ở rừng nhiều hơn so với khoảng trống trong cùng một điều kiện thành tạo.
Theo các nghiên cứu thực nghiệm thì có rừng lượng mưa tăng lên khoảng 20-25% so với khoảng trống cùng trong một điều kiện khí hậu, tuy nhiên lượng nước bị thân và lá cây giữ lại cũng chiếm khoảng 20- 25% nên dòng chảy mặt nói chung không tăng lên, nhưng dòng chảy ngầm tăng và giữ lại trong đất đai và là nguồn nước bổ sung cho lưu vực sông ngòi.
Thành phần tổn thất nước trên lưu vực sông ngòi có rừng lớn hơn khoảng trống do bốc hơi. Lượng tổn thất này chiếm khoảng 8-10%. Do rừng có hệ số ma sát lớn nên giảm vận tốc dòng chảy, trong thời gian đó nước có thể tăng thời gian thấm nên cũng dẫn tới việc giảm lượng nước mặt.
Mức độ che phủ
Tuy vậy nếu xét một lưu vực kín thì lượng nước mưa tạo thành sẽ chuyển sang hoặc nước mặt, hoặc nước ngầm nên tựu trung chuẩn dòng chảy năm tại những khu vực có rừng là tăng lên. Lượng dòng chảy phụ thuộc vào độ che phủ và lượng mưa (H.4.4).
Để nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến chuẩn dòng chảy năm có thể sử dụng hệ số tương đối:
Hình 4.4. Mối phụ thuộc chuẩn dòng chảy năm vào độ che phủ lưu vực
v i
Y
K =Y (4.21)
với K - hệ số ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy, Y i - lớp nước trung bình nhiều năm của lưu vực, Y v - lớp nước trung bình nhiều năm của vùng.
4.6.6. Ảnh hưởng của hồ đến chuẩn dòng chảy năm
Ảnh hưởng của hồ biểu thị tương đối rõ đến việc giảm giá trị dòng chảy do tăng diện tích bốc hơi từ bề mặt nước, mà bốc hơi từ mặt nước lớn hơn bốc hơi từ bề mặt lưu vực.
Để xác định sự giảm chuẩn dòng chảy năm do hồ tại các vùng kém nghiên cứu từ bản đồ dòng chảy cần xét xem nếu trong khu vực tính toán ao hồ chiếm hơn 5% diện tích lưu vực thì có thể xác định theo công thức được rút ra từ phương trình cân bằng nước:
5 , 31
) ) (
1
1 ( h
h
f E f X
M
M −
+
−
= (4.22) với M1- chuẩn dòng chảy của sông có hồ tính toán (l/s.km2); M - chuẩn dòng chảy năm xác định theo bản đồ(l/s.km2); X-chuẩn mưa năm, mm; E - chuẩn bốc hơi từ mặt nước, fh - diện tích hồ so với diện tích lưu vực tính bằng %.
Trên lưu vực có hồ thì hồ đóng vai trò điều tiết dòng chảy. Vai trò này sẽ được trình bày chi tiết hơn khi bàn đến dòng chảy cực đại.
4.6.7. Ảnh hưởng của đầm lầy đến chuẩn dòng chảy năm
Ảnh hưởng của đầm lầy được phân biệt bởi sự khác nhau của các điều kiện địa lý tự nhiên, đặc trưng bởi các thành phần đi và đến của phương trình cân bằng nước.
Nhiệt độ thấp của bề mặt đầm lầy so với các khu vực đất đai xung quanh tạo thuận lợi cho ngưng tụ ẩm ở vùng trũng, và cây cỏ trên đầm lầy cũng phần nào làm tăng lượng ẩm do mưa so với vùng trống.
Đầm lầy và đất lầy có độ ẩm cao và do vậy bốc hơi cũng tăng. Mặt khác vận tốc gió trên đầm lầy giảm nên sự bốc hơi cũng hạn chế. Do vậy ảnh hưởng của đầm lầy đến chuẩn dòng chảy năm có thể là dương hoặc âm tuỳ theo từng điều kịên cụ thể. Nó không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu mà cả các điều kiện vi khí hậu trong mối tương quan giữa các thành phần cán cân nước: mưa, ngưng tụ, bốc hơi.
Nói chung vùng thừa ẩm thì không quan sát thấy ảnh hưởng của đầm lầy tới chuẩn dòng chảy năm, còn tại các vùng thiếu ẩm thì đầm lầy làm giảm chút ít chuẩn dòng chảy năm.
4.6.8. Ảnh hưởng của các hoạt động kinh tế đến chuẩn dòng chảy năm
Theo mức độ sử dụng các biện pháp thủy lợi ta có thể chia các hoạt động kinh tế của con người thành 3 nhóm chính:
1) Hoạt động trên lòng sông nhằm điều hòa hay phân phối lại nguồn nước bằng cách xây dựng hồ chứa, xây đập hoặc chuyển dòng.
2) Thay đổi tương quan giữa các thành phần cán cân nước như tưới tiêu, khử mặn...
3) Hỗn hợp do việc điều tiết dòng chảy vì nhiều mục đích khác nhau.
Hồ chứa đảm bảo điều tiết sự phân phối không đồng đều của dòng chảy để phục vụ kinh tế dân sinh.
Việc tưới tiêu thường làm tăng hoặc giảm dòng chảy ngầm, việc chuyển dòng làm tăng lượng nước ở lưu vực này kéo theo sự giảm lượng nước tại lưu vực khác.