1990. Được xuất bản dưới sự cho phép của NXB IAHS)
7.8.2Các dòng chảy kiệt
Vấn đề dòng chảy cực hạn khác đó là những vấn đề các dòng chảy thấp, dòng chảy kiệt. ở đây cần có kỹ thuật biến đổi cân bằng nước, phương pháp kỹ thuật cao mới giải quyết được. Những dòng chảy thấp không những giảm bớt lượng nước sẵn có để cung cấp mà còn dẫn tới sự giảm chất lượng nước, liên quan đến khả năng pha loãng và khả năng tái biến đổi lại theo vùng của những dòng chảy và những dòng sông bị giảm bớt lượng nước. Điều này dẫn tới sự giảm cảnh quan thẩm mỹ của đoạn lòng dẫn bị tác động của ô nhiễm nước. Tuy nhiên trái ngược với những dòng chảy lũ các nhà thuỷ văn đã phát triển những phương pháp tính toán thích hợp để đánh giá các đặc trưng dòng chảy thấp hoặc thậm chí để tiêu chuẩn hóa những việc xác định dòng chảy thấp.
Những cách xác định dòng chảy kiệt
Xác định dòng chảy thấp không giống xác định dòng chảy lũ cực đại. Dòng chảy nhỏ nhất có thể được kéo dài và có thể bằng 0 đặc biệt ở trong hầu hết các lưu vực nhỏ và nhiều lưu vực lớn hơn. Ví dụ, lưu vực sông Darling diện tích 570 000 km2 ở Menindee, dòng chảy bằng 0 xuất hiện thường xuyên. Tần số xuất hiện của những dòng chảy bằng 0 là chỉ số cần thiết hơn để xác định những điều kiện sản sinh dòng chảy thấp. Trong thực tế tất cả các dòng sông, các bài toán liên quan đến các dòng chảy thấp là xác định thời kỳ lặp lại dòng chảy bằng 0 và cần xác định khoảng thời gian của một lưu lượng dòng chảy thấp đã cho được kéo dài để có được dòng chảy bằng 0. Những nhà thủy văn học quan tâm chủ yếu về với việc xác định những lưu lượng dòng chảy thấp tới hạn đã chọn và việc xác định khoảng thời gian và tần số của tình trạng dòng chảy thấp.
Pirt và Douglas (1982) đã chú ý một số các điều kiện để xác định được dòng chảy thấp. Một là dòng chảy thấp nhất từng trải qua, một điều kiện mà được tiếp cận gần gũi qua nhiều miền phía nam và trung tâm nước Anh vào cuối mùa hè năm 1976 và một số năm khác đặc biệt là giữa năm 1988 và 1992. Hai là sự đo lường dòng chảy thấp và thông thường hơn. Các nhà thủy văn quan niệm khi lưu lượng dòng chảy trong sông nhỏ hơn lưu lượng bình quân ngày với tần suất 95% là dòng chảy thấp và nó được đánh dấu trên biểu đồ tại điểm 95% trên đường cong duy trì lưu lượng thời gian dòng chảy. Và khoảng thời gian duy trì lưu lượng thấp là 18 ngày.
Trái ngược với những dòng chảy cao, các dòng chảy thấp chiếm giữ phần thấp hơn của đường cong nước rút (đường duy trì lưu lượng) lượng trữ liên tục hoặc gần như liên tục thấp hơn cho một lưu vực dòng sông (Ví dụ Demuth và Schreiber, 1994; Moore, 1997). Những dòng chảy thấp, đối chiếu với thời gian 18 ngày được kéo dài thì khoảng thời gian dòng chảy hàng ngày duy trì thực tế ít thích hợp. Khoảng thời gian thích hợp hơn là một khoảng thời kỳ dòng chảy của bảy ngày hoặc mười ngày. Vì vậy trong các phương trình báo cáo nghiên cứu dòng chảy thấp của Viện Thủy văn học (IH, 1980) đã đề nghị dùng dòng chảy 10 ngày thấp để đánh giá Q95(10), tức là 95% của dòng chảy 10 ngày.
Những đặc trưng về thời gian của dòng chảy thay thế Q95(10) có thể được sử dụng nhiều hơn là những đặc trưng dòng chảy thấp với khoảng thời gian 18 ngày để
xác định những điều kiện dòng chảy thấp. Những Báo cáo nghiên cứu dòng chảy thấp sử dụng dòng chảy 10 ngày nhỏ nhất trung bình hàng năm được ký hiệu là MAM(10) và đã được đo đạc hữu ích hơn và rõ ràng hơn (Pirt và Douglas, 1982; Pirt và Simpson, 1982). NAM(10) là điều kiện được xác định bởi Hindley (1973). Dòng chảy trong thời tiết khô hạn (DWF), tức là dòng chảy 7 ngày nhỏ nhất trung bình hàng năm cũng là một tiêu chuẩn để xác định dòng chảy thấp. Dòng chảy này xấp xỉ của tuần khô nhất trung bình trong mùa hè và được vượt hơn từ 89 đến 93% của thời gian trong năm và phụ thuộc vào kiểu lưu vực (Pirt và Douglas, 1982). ở Hoa kỳ dòng chảy 7 ngày mà thời kỳ trở lại 10 năm (Q7, 10) và là chỉ số dòng chảy thấp được sử dụng rộng rãi nhất (ASCE-TASK, 1980). Một số phân tích khác đã dựa vào những dòng chảy rất cực hạn, dòng chảy 7 ngày và thời gian xuất hiện lại là 20 năm (Q7, 20). Nhưng rất ít trạm đo đạc được để tính toán (Q7, 20) dòng chảy thấp cực hạn và số liệu đo đạc được có thể có những sai số đo đạc lớn (Pirt, 1983). Loganathan và những người khác (1985) đã đánh giá nhiều phương pháp phân tích tần số được áp dụng cho số liệu dòng chảy thấp cho những sông suối ở Virginia, USA, và Gottschalk và những người khác (1997) đã mô tả một cách tiếp cận thú vị trong đó sự phân tích sự biến đổi của đường duy trì lưu lượng và được sử dụng để mô tả những hàm phân phối dòng chảy thấp.
Những sơ đồ dòng chảy dư
Trong mùa lũ và kiệt, các dòng chảy thấp có thể bị ảnh hưởng đáng kể do tự nhiên hay bởi hoạt động con người, đặc biệt là lưu lượng của những nhánh sông lòng dẫn dòng và sự rút nước ra từ những lòng dẫn dòng cho những mục đích cung cấp nước. Trong cả hai trường hợp nước được bổ sung hay bị rút có thể đại diện một phần trăm rất lớn của dòng chảy tự nhiên và bởi vậy phải được tính đến cẩn thận khi phân tích số liệu dòng chảy thấp và không được bỏ sót kiến thức về các quá trình dòng chảy thấp tự nhiên. Lloyd (1968) đã đề nghị dùng sơ đồ dòng chảy dư như một phương pháp đồ thị đơn giản của việc tính toán cho sự can thiệp nhân tạo với những dòng chảy thấp, và kỹ thuật đó sau này cũng được biện hộ bởi Pirt (Pirt và Douglas, 1982; Pirt, 1983).
Một sơ đồ dòng chảy dư (RFD) phân ra dòng chảy ở bất kỳ điểm nào trong những thành phần nhân tạo và tự nhiên của nó. Trong Hình 7.29 đã chỉ ra khoảng cách miền hạ lưu được thấy trên trục tung và dòng chảy trên trục hoành. Dòng chảy tự nhiên được thấy ở bên trái của trục tung và thành phần dòng chảy nhân tạo ở bên phải và dòng chảy toàn bộ được biểu diễn bởi khoảng cách giữa các đường thẳng tự nhiên và nhân tạo, ví dụ A'A’’. Nếu đường thẳng nhân tạo cắt ngang qua trục trung tâm điều này nói lên rằng toàn bộ dòng chảy tại điểm đó là ít hơn hơn dòng chảy tự nhiên, trong đó thiếu sự can thiệp của con người. Như vậy trong ví dụ theo giả thuyết đưa vào Hình 7.29 dòng sông gồm có dòng tự nhiên chỉ trong đoạn 1 và 2, với một sông nhánh tự nhiên nhập vào đoạn 2. Thành phần nhân tạo đầu tiên được đưa vào đoạn 3, có lẽ đại diện nhánh sông công nghiệp hoặc nước được bổ sung từ một kho chứa. Trong đoạn 4 là nước được lấy ra để cho cung cấp đến mức hết toàn bộ dòng chảy và giảm bớt dòng chảy tự nhiên ở dưới mức cho phép khai thác tài nguyên nước. Một sông nhánh chính nhập vào đoạn 5 và vì nó chứa đựng những thành phần dòng chảy cả tự nhiên lẫn nhân tạo và là cả hai mặt của sơ đồ dòng chảy dư bị ảnh hưởng. Sông nhánh khác nhập vào đoạn sông 6, nhưng trong trường hợp này sự lấy nước đã xảy ra từ sông nhánh như được chỉ báo bởi thành phần nhân tạo đã bị giảm, và cuối
cùng bên trong đoạn sông 7 có một sự tăng đáng kể trong dòng chảy nhân tạo trong dòng chảy chính.
Một sơ đồ dòng chảy dư có thể được xây dựng cho bất kỳ điều kiện dòng chảy đã chọn nào, ví dụ Q7,2.33 hoặc Q7,10, và sau đó được sử dụng như là cơ sở để điều tra thủy văn học dòng chảy thấp, đặc biệt là dưới dạng những điều khiển lưu vực. Cho ví dụ, phần tới bên trái của trục trung tâm chỉ đại diện dòng chảy tự nhiên của chính dòng chủ lưu và những sông nhánh của nó. Bởi vậy, nó có thể được chia cắt sự thêm dòng chảy vào mạng lưới để làm tăng dòng chảy tự nhiên giữa bất kỳ hai điểm nào trên dòng chính và được xác định bởi diện tích lưu vực đóng góp vào dòng chính và như vậy nó giúp tính toán năng suất dòng chảy tự nhiên trên một đơn vị diện tích hay hệ số dòng chảy tự nhiên. Điều này được thực hiện trên bán lưu vực sông Severn Trent bởi Pirt và Simpson (1982) và những hệ số được vẽ bản đồ như trên Hình 7.30. Sử dụng thông tin địa hình và địa lý có liên quan sau đó có thể để chèn thêm những hệ số dòng chảy cho những lưu vực không được đo đạc và dùng để đánh giá trị số dòng chảy thấp đầu tiên Q7,2.33 cho bất kỳ điểm nào không được đo đạc mà chỉ dựa vào sự hiểu biết về diện tích lưu vực.
Những nhân tố ảnh hưởng tới dòng chảy thấp
Trong những thời hạn dài dòng chảy thấp được xác định bởi sự cân bằng giữa giáng thuỷ và bốc hơi và do đó đặc biệt dễ bị ảnh hưởng của sự xuất hiện liên tục những nhóm năm liên tiếp khô kiệt. Tuy nhiên, bên trong một lưu vực tồn tại những điều kiện khí hậu học cơ bản đồng nhất như sông Trent được chỉ ra trong Hình 7.30. Trong trường hợp điều kiện khí hậu có tính địa phương hơn trong điều khiển sự sản sinh dòng chảy thấp của lưu vực thì cần xác định chi tiết sự biến đổi của dòng chảy thấp. Tất yếu, cần nghiên cứu chi tiết dòng chảy thấp gồm có dòng chảy cơ bản, những nhân tố mặt đệm như đất và địa chất sẽ là các yếu tố quan trọng. Ví dụ, Hình 7.31 cho thấy chuỗi dòng chảy cực tiểu hàng năm của hai lưu vực không kích thước như nhau. Trong hình này cho thấy sự ảnh hưởng mạnh mẽ của địa chất được xác định rõ ràng, với lưu lượng dòng chảy ngầm ở lưu vực đá phấn góp phần quan trọng tạo dòng chảy thấp, thậm chí trong những điều kiện khô hạn tột bậc, trong khi mà những dòng chảy thấp từ lưu vực đất sét ở tốc độ cung cấp rất thấp khắp cả phạm vi lưu vực. Một sự trái ngược tương tự được cho thấy bởi những đường cong dòng chảy- thời gian trong Hình 7.32, chỉ ra rằng độ dốc của những đường cong liên quan đến điều kiện địa chất và thể hiện tiềm năng nhận lượng mưa mùa đông của đất. Pirt và Douglas (1982) và Pirt và Simpson (1982) đã phát triển những phương pháp để ngoại suy RFD/các phân tích hệ số dòng chảy, được bàn luận trong mục trước, để xác định những ảnh hưởng định lượng của các yếu tố địa lý đối với dòng chảy thấp.
Đáng ghi nhận rằng mặc dầu sơ đồ dòng chảy RFD và những bản đồ hệ số dòng chảy liên quan duy nhất đến một điều kiện sản sinh dòng chảy có tính lý thuyết, ví dụ xác định trị số dòng chảy thấp Q7,2.33, nhiều người thích dùng phép so sánh số liệu hơn thông tin thống kê để so sánh với các giá trị khác, ví dụ Q7,10 hoặc Q7,20. Điều này được thực hiện theo hai cách tiếp cận. Trong cách tiếp cận đầu tiên một họ các đường cong dòng chảy-thời gian tự nhiên được chuẩn hóa bởi việc phân chia tỷ trọng diện tích (km2) và lượng mưa hiệu quả trung bình hàng năm (m), và những sự biến đổi giữa tỷ trọng và lượng mưa trên lưu vực và đã tìm thấy phụ thuộc giữa dòng chảy thấp vào gần như toàn bộ điều kiện địa chất và đất của lưu vực. Các đường cong duy trì lưu lượng khác nhau sau đó được tính trung bình để cung cấp một tập hợp
những đường cong chính liên quan đến những kiểu đất và điều kiện địa lý. Đường cong này đặc biệt được sử dụng làm chỉ số đất để nghiên cứu lũ lụt NERC (NERC, 1975), như trong Hình 7.32 thích hợp cho các đá có chứa than. Những đường cong này có thể sau đó được sử dụng như những đường cong dòng chảy-thời gian cho những lưu vực không được đo đạc mà diện tích, lượng mưa hiệu quả, kiểu địa chất và đất đã được biết có tính đồng nhất. Các đường cong này được lựa chọn để tính toán dòng chảy thấp bằng cách nhân với một số các điểm trên đường cong giáng thủy hiệu quả với diện tích lưu vực, và cuối cùng dùng để điều chỉnh các kịch bản canh tác và nghiên cứu những ảnh hưởng của con người đến dòng chảy.
Trong cách tiếp cận thứ hai đã sử dụng nhiều sự phân tích sự triết giảm của đường cong duy trì và biến lưu vực và đã tạo ra một phương trình để dự đoán những lưu lượng khác nhau (Qdiff) có khả năng sinh ra trên một đơn vị diện tích lưu vực như (Q7,2.33) và (Q7,20), và như vậy độ dốc của đường cong tần suất dòng chảy có thể được chuẩn hóa và dùng cho những lưu vực không được đo đạc sau đó có thể được phát triển thành bản đồ các hệ số dòng chảy thấp (Hình 7.30) bằng việc nhân những hệ số dòng chảy thích hợp với diện tích lưu vực. Điều này đưa ra dòng chảy có thời gian lặp lại 2.33 năm mà sau đó được phác họa trên giấy tần suất Gumbel. Qdiff được tính toán bằng sử dụng phương trình được nêu ở trên và được trừ từ giá trị với thời kỳ lặp lại 2.33 năm để được giá trị (Q7,20) và được xác định tại vị trí tần suất 0.95 trên giấy Gumbel. Một đường thẳng vẽ qua hai điểm rồi cho phép phép nội suy dòng chảy 7 ngày có những thời kỳ lặp lại trung gian hoặc phép ngoại suy cho những thời kỳ lặp lại cao hơn. Ví dụ những biểu đồ như vậy được vẽ cho lưu vực Henmore Brook ở Ashbourne và dòng sông Sence ở Blaby được cho thấy trong Hình 7.33, cùng với những biểu đồ để so sánh với số liệu đo đạc. Những kết quả chỉ báo rằng những đư- ờng cong tần suất dòng chảy có thể cho đánh giá tốt dòng chảy thấp và các đường cong này có thể dùng cho những vị trí không có số liệu đo đạc miễn là những bản đồ hệ số dòng chảy DWF có sẵn (Pirt và Simpson, 1982).
Một cách tiếp cận thay thế cho nghiên cứu những đặc trưng dòng chảy thấp của những dòng sông ở Anh là sự phát triển của chỉ số dòng chảy cơ sở (BFI) (ví dụ Beran và Gustard, 1977). BFI là một chỉ số dòng chảy biểu thị cách sử dụng biểu đồ thủy văn có liên quan với địa chất lưu vực. Khi chỉ số BFI cao (gần bằng 1) phản ánh một chế độ dòng chảy cơ sở (dòng chảy ngầm) thống trị. Ngược lại khi chỉ số BFI thấp chỉ ra rằng một chế độ dòng chảy được thống trị bởi dòng chảy nhanh. Một bản đồ mạng lưới sông suối và bản đồ hệ số BFI cho nước Scotland, ở tỷ lệ 1:62 500, được dùng để đánh giá những thông tin thống kê dòng chảy thấp tại những vị trí không được đo đạc (IH, 1985). Hình 7.34 cho thấy rằng những vùng dòng chảy thấp ở Anh dùng để đánh giá dòng chảy thấp và được Q95(10) xác định từ những giá trị của BFI và hoặc giáng thuỷ trung bình hàng năm (SAAR) hoặc độ dài dòng chính (L.IH, 1980). Những mối quan hệ giữa loại đất và những tham số dòng chảy thấp, như BFI và MAM (10) của lãnh thổ được bàn luận cho vương quốc Anh và Châu Âu đã được soạn thảo bởi Gustard và những người khác (1992) và Gustard và Irving (1994).
Những dạng của dòng chảy thấp ở Anh
Tốc độ trung bình của dòng chảy của Nước Anh và Wales (Hình 7.22) minh họa sự biến thiên của dòng chảy để so sánh với dòng chảy của nhiều vùng bán hoang mạc và nó đã phản ánh một sự xen kẽ của những thời kỳ dài của dòng chảy thấp và cao. Trong thời gian gần đây đã xuất hiện những thời kỳ dòng chảy cực thấp dưới trung
bình xuất hiện kéo dài khoảng 25 năm bắt đầu từ năm 1885 và một khoảng thời gian ngắn hơn vào những năm 1930 và những năm 1940. Từ hai thời kỳ của dòng chảy thấp này đã xuất hiện ít hơn những thời kỳ ngắn. Tuy vậy nó đã gây ra nhiều tác động xấu.
Đặc biệt, sự khô hạn của năm 1975-76 là một tài liệu quý cung cấp cho những