Dòng chảy bền vững (firm yield) được định nghĩa như là lượng dòng chảy lớn nhất hoặc lưu lượng dòng chảy lớn nhất luôn có tại một vị trí đã cho trên dòng chảy. Cụ thể hơn, Chow và những người khác (1988) định nghĩa dòng chảy bền vững của một hồ chứa như là tốc độ xả nước trung bình năm làm cho mực nước hồ chứa đạt mức thấp nhất cho phép chỉ một lần duy nhất trong thời khoảng hạn hán của số liệu quan trắc. Phương pháp được sử dụng nhiều nhất
để xác định dòng chảy bền vững của một con sông không được điều tiết là xây dựng đường cong lưu lượng — thời gian, nó là đồ thị của lượng xả, như là một hàm của phần trăm số lần lưu lượng bằng hoặc vượt. Ví dụ như trong hình 7.2.1 cho số liệu dòng chảy tháng trong bảng 7.2.1.
Đường cong lưu lượng — thời gian có thể được xây dựng cho một vị trí cho trước trên một con sông bằng cách sắp xếp các giá trị tốc độ dòng chảy quan trắc theo thứ tự độ lớn giảm dần. Từ đó ta có thể tính được phần trăm số lần bằng hoặc vượt cho mỗi độ lớn của lưu lượng. Sau đó, phần trăm số lần vượt được vẽ lên đồ thị theo lưu lượng để xác định quan hệ lưu lượng — thời gian. Dòng chảy bền vững là lưu lượng bằng và vượt tỉ lệ 100% số lần của một chuỗi số liệu lưu lượng lịch sử. Đường cong lưu lượng — thời gian được sử dụng để xác định nguồn cung cấp nước tiềm năng trong giai đoạn lập kế
hoạch và thiết kế của các dự án tài nguyên nước, đặc biệt là các nhà máy thủy
điện.
Phân tích đường cong lũy tích. Để tăng dòng chảy bền vững của một con sông không được điều tiết, các công trình ngăn nước mặt
được xây dựng để điều tiết con sông. Hai phương pháp, phân tích đường cong tích lũy và phân tích đỉnh (sequent-peak analysis), có thể được sử dụng để xây dựng quan hệ lượng trữ — dòng chảy cho các vị trí khác nhau dọc theo một dòng sông. Một đường cong tích lũy là đồ thị của hàm lũy tích lượng dòng chảy theo thời gian. Phân tích đường cong tích lũy được xây dựng lần đầu tiên bởi Ripple vào năm 1883. Phương pháp này sử dụng các chuỗi số liệu lịch sử hoặc các chuỗi số liệu tính toán của lưu lượng dòng chảy trong một khoảng thời gian, [0, T]. Phân tích giả sử rằng khoảng thời gian bao gồm cả thời kì tới hạn, thời kì mà dòng chảy đạt một giá
H×nh 7.2.1
Đường cong lưu lượng - thời gian của sông Little Weiser gần Indian Valley, Idaho (1966 -- 1970).
trị cực tiểu làm cho mực nước hồ chứa giảm nhiều nhất. Phân tích đường cong tích lũy có thể được thực hiện bằng các phương pháp đồ giải. Hai phương pháp
đồ giải được trình bày ở đây. Phương pháp đầu tiên là phương pháp Ripple nguyên thủy (như trong hình 7.2.2) trong đó các giá trị của luỹ tích dòng chảy
đến hồ theo thời gian trong bảng 7.2.1 được biểu diễn lên trên đồ thị.
Phương pháp Ripple thích hợp khi dòng xả là không đổi. Tuy nhiên trong các trường hợp dòng xả của hồ biến đổi, cũng dễ dàng tính được sự khác nhau giữa lũy tích các dòng chảy đến và lũy tích các dòng xả của hồ. Dung tích hiệu dụng cần thiết chính là độ chênh lệch nhiều nhất giữa hai loại dòng chảy trên. Tất nhiên là cách tiếp cận khác này cũng có thể sử dụng cho trường hợp dòng xả không đổi và nó có thể được thực hiện bằng đồ thị. Các phương pháp có thể áp dụng nhiều lần với các dòng xả khác nhau để nhận được đường cong lượng trữ — dòng chảy tại một vị trí hồ chứa cho trước.
Các giả thiết gắn liền với phương pháp đường cong tích lũy là tổng lượng dòng xả trong khoảng thời gian phân tích không vượt quá tổng lượng dòng chảy
đến. Trong phân tích đường cong tích lũy, dãy tới hạn của các lưu lượng có thể xảy ra ở điểm cuối của số liệu dòng chảy quan trắc. Khi điều này xảy ra, khoảng phân tích được nhân đôi từ [0, T] thành [0, 2T] với dòng chảy đến lặp lại các giá trị của nó trong thời khoảng thứ hai, và trong các tiến trình phân tích. Nếu tổng dòng xả vượt quá tổng dòng chảy đến trong khoảng số liệu quan trắc lịch sử, thì phân tích đường cong tích lũy không xác định được một dung tích hồ chứa cụ thể.
Bảng 7.2.1
Lưu lượng tháng của sông Little Weiser gần Indian Valley, Idaho, cho các năm thủy văn 1966 -- 1970,
t Năm Tháng Lưu lượng (AF)
QFt
(AF)
1 1965 10 742 742
2 11 1,060 1,802
3 12 1,000 2,802
4 1966 1 1,500 3,302
5 2 1,080 4,382
6 3 6,460 10,842
7 4 10,000 20,842
8 5 13,080 33,922
9 6 4,910 38,832
10 7 981 39,813
11 8 283 40,096
12 9 322 40,398
13 10 404 40,822
14 11 787 41,609
15 12 2,100 43,709
16 1967 1 4,410 48,119
17 2 2,750 50,869
18 3 3,370 54,239
19 4 5,170 59,409
20 5 19,680 79,089
21 6 19,630 98,719
22 7 3,590 102,309
23 8 710 103,019
24 9 518 103,537
25 10 924 104,461
26 11 1,020 105,481
27 12 874 106,355
28 1 1,020 107,375
29 1968 2 8,640 116,015
PHân tích đỉnh. Phương pháp đỉnh tính toán tổng lũy tích của dòng chảy đến QFt trừ đi dòng xả của hồ chứa Rt, đó là,∑tut = ∑t(QFt ∑ Rt), cho mọi khoảng thời gian t thuộc thời khoảng phân tích [0, T]. Để giải quyết vấn
đề này bằng đồ thị, tổng lũy tích của ut được vẽ đồ thị theo thời gian t. Lượng trữ ứng với mỗi thời khoảng là sự chênh lệch theo trục thẳng đứng giữa đỉnh thứ nhất và điểm thấp trước dãy đỉnh. Phương pháp có hai giả thiết giống như
hai giả thiết của phân tích đường cong tích lũy.
Về phương diện đại số, phương pháp đỉnh có thể thực hiện bằng cách sử dụng phương trình đệ quy sau,
1, 0,
t t t
t
R QF K
K
Nếu dương
cho các trường hợp khác (7.2.1) trong đó Kt là lượng trữ cần thiết tại đầu thời khoảng t. Giá trị ban đầu của Kt tại t = 0 được gán bằng 0, Nói chung, phương pháp sử dụng phương trình (7.2.1) được áp dụng lặp đi lặp lại nhiều lần, cho hai lần độ dài của khoảng thời gian tính toán để giải thích cho khả năng chuỗi lưu lượng tới hạn có ở
đoạn cuối của số liệu dòng chảy quan trắc. Giá trị cực đại đã tính được của Kt là dung tích hiệu dụng của hồ chứa, ứng với chuỗi dòng chảy và các dòng xả
®ang xÐt.
Trong thực tế, ngoài các dòng chảy đến, các thành phần thủy văn, giáng thủy, lượng bốc hơi và thấm cũng quyết định dung tích của một hồ chứa.
Giáng thủy rơi trực tiếp trên bề mặt hồ chứa đóng góp vào lượng trữ. Bốc hơi và thấm dẫn đến tổn thất nước của lượng trữ hiệu dụng của hồ chứa. Phụ thuộc vào vị trí và các điều kiện địa chất của vị trí hồ chứa, tổng tổn thất của bốc hơi và thấm là một tác động quan trọng tới cân bằng khối lượng của hệ thống hồ chứa. Bỏ qua các yếu tố này sẽ dẫn đến đánh giá quá cao trữ lượng nước và, bởi vậy, đánh giá không đúng mức lượng trữ cần thiết của hồ để có được dòng xả mong muốn. Trong các vùng đất khô cằn và bán khô cằn, ví dụ như miền tây nam nước Mỹ, lượng nước tổn thất bởi bốc hơi có thể lớn tới mức đủ để làm giảm bớt đáng kể những tác động có lợi của nước trữ.
Lượng nước tổn thất bởi bốc hơi và thấm là một hàm của lượng trữ, diện tích mặt thoáng, và các yếu tố địa chất và khí hậu, dòng chảy đến thực của một hồ chứa cần được hiệu chỉnh và sử dụng trong các phương pháp đường cong lượng trữ và phương pháp đỉnh. Dòng chảy đến hồ chứa hiệu chỉnh QFta trong thời khoảng t có thể được tính như sau
QFta = QFt + PPt - EVt - SPt (7.2.2) trong đó PPt là lượng giáng thủy rơi trên mặt hồ chứa, EVt là lượng bốc hơi, và SPt là tổn thất do thấm trong thời khoảng t. Các yếu tố trong vế phải của phương trình (7.2.2) phụ thuộc vào lượng trữ và diện tích bề mặt hồ chứa trong thời khoảng t, và các yếu tố này, tới lượt nó, lại là một hàm của các thành phần thủy văn này.
BảNG 7.2.1 tiếp theo
t Năm Tháng Lưu lượng (AF)
QFt
(AF)
30 3 6,370 122,385
31 4 6,720 129,105
32 5 13,290 142,395
33 6 9,290 151,685
34 7 1,540 153,225
35 8 915 154,140
36 9 506 154,646
37 10 886 155,532
38 11 3,040 158,572
39 12 2,990 161,562
40 1969 1 8,170 169,732
41 2 2,800 172,532
42 3 4,590 177,122
43 4 21,960 199,082
44 5 30,790 229,872
45 6 14,320 244,192
46 7 2,370 246,562
47 8 709 247,271
48 9 528 247,799
49 10 859 248,658
50 11 779 249,437
51 12 1,250 250,687
52 1970 1 11,750 262,437
53 2 5,410 267,849
54 3 5,560 273,407
55 4 5,610 279,017
56 5 24,330 303,347
57 6 32,870 336,217
58 7 7,280 343,497
59 8 1,150 344,647
60 9 916 345,563
H×nh 7.2.2
§êng cong tÝch lũy của sông Little Weiser gÇn Indian Valley, Idaho, dùa trên tổng lưu lượng tháng từ 1966- 1970,
Ví dụ 7.2.1. Giả sử rằng lượng tổn thất do bốc hơi bình quân tháng và giáng thủy của vài năm là như
sau:
Tháng 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9
EV
(AF) 270 275 280 350 470 450 400 350 370 330 300 290 PP
(AF) 3 5 5 10 30 50 100 150 70 10 2 3
Tổn thất do thấm là không đáng kể tại đây. Xác định dung tích hiệu dụng cần thiết để sản sinh một dòng chảy bền vững 2000 AF/tháng.
Lời giải. Tính toán bằng phương pháp đỉnh xét đến các thành phần thủy văn khác trong bảng 7.2.2. Từ cột (2) — (5) lần lượt chứa dữ liệu hàng tháng cần thiết: dòng xả, dòng nước mặt chảy đến, giáng thủy, và bốc hơi. Từ cột (3) — (5) được sử dụng để tính dòng chảy đến hiệu chỉnh theo phương trình (7.2.2).
Dòng chảy đến hiệu chỉnh cho từng tháng được sử dụng trong phương trình (7.2.1) để tính Kt. Dung tích hiệu dụng cần thiết là 8840 AF như đã chỉ ra trong bảng 7.2.2. Do có tổn thất do bốc hơi nên kết quả dung tích hiệu dụng cần thiết tăng lên. Cần phải chỉ ra rằng, trong ví dụ này, lượng giáng thủy tháng và lượng bốc hơi tháng là các hằng số và được giả sử rằng độc lập với lượng trữ. Trong thực tế, giá trị tháng của PPt và EVt là các hàm của lượng trữ, là giá trị cần xác định trong ví dụ này. Để giải thích chính xác cho các giá trị của PPt và EVt khi lượng trữ thay đổi, cần có một phương pháp thử sai
để xác định giá trị cần thiết Ka của dòng chảy bền vững cho trước.