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 tốn trực tiếp chuẩn dịng chảy năm theo tài liệu quan trắc có cơ sở từ phương pháp thống kê cho nên nó khơng phản ánh được q trình hình thành dịng chảy và các nhân tố ảnh hưởng
đến dòng chảy, mà chỉ xác định đại lượng của nó như là phản ánh một tập hợp.
Các phương pháp tính tốn 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 dịng 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 tốn chuẩn dịng chảy năm ở các vùng ít hoặc khơng có số liệu
đo đạc và cho phép đánh giá độ tin cậy của các phương pháp tính tốn 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 tốn.
4.6.1. Ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu
Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực sơng ngịi cho một hệ kín Y = X - Z thì dịng 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 sơng ngịi
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 dịng chảy sơng ngịi, ngồi 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 dịng chảy sơng ngịi. Các yếu tố khác tác động đến dòng chảy sơng ngịi 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 khơng thể áp dụng cho những đặc trưng khác của dòng chảy. Nếu thời kỳ tính tốn càng ngắn thì ảnh hưởng của các nhân tố khác lên giá trị trung bình của dịng chảy càng thể hiện rõ nét. Thí dụ như dịng 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 khơng khép kín thì những kết luận trên cũng khơng 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 trị quan trọng bậc nhất trong sự hình thành dịng chảy sơng ngịi, đẩy tính địa đới vào vai trò thứ yếu.
4.6.2. Ảnh hưởng của diện tích lưu vực đến chuẩn dịng chảy năm
Theo kích thước lưu vực sơng ngịi được phân chia thành các loại: lớn, trung bình và nhỏ. Từ quan
điểm hình thành chế độ nước của các con sơng thì sự phân loại như vậy trở nên khơng xác định.
K.P. Voskrexenski đưa ra phân loại sơng ngịi theo các dấu hiệu thủy văn. Theo quan điểm xác định chuẩn dịng 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 sơng ngịi, 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, dịng chảy trung bình nhiều năm khơng chỉ phụ thuộc vào diện tích lưu vực mà cịn chịu ảnh hưởng của các nhân tố phi địa đới và tác động của sản xuất nơng nghiệp;
chúng xác định sự phân bố dịng 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 dịng 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 dịng chảy nước mặt và diện tích lưu vực cho thấy dịng chảy mặt khơng phụ thuộc vào diện tích lưu vực. Hình 4.3 b) là quan hệ giữa chuẩn dịng 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 dịng chảy ngầm cũng khơng 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
44
Theo quan điểm trên thì diện tích lưu vực nằm trong khoảng 0 < F < F1 và F > F2 là hệ lưu vực kín, cịn F1 < F < F2 là lưu vực hở, có nghĩa là có sự gia tăng nguồn nước từ ngồi vào hệ thống.
Tuy nhiên khó xác định chính xác một cách định lượng ảnh hưởng của diện tích lưu vực đối với chuẩn dịng 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 dịng 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 dịng 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 khơng
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 sơng ngịi.
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 dịng chảy càng lớn và tổn thất dịng chảy mặt càng ít.
Ảnh hưởng trực tiếp của địa hình đến dịng chảy trung bình nhiều năm thấy rất rõ với những lưu vực
bé, nơi sông ngịi được ni dưỡng bởi phần chủ yếu là nguồn nước mặt, cịn nước ngầm chiếm một tỷ lệ khơng 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 dịng chảy năm. Qua ví dụ trên cũng chứng tỏ khi xét yếu tố địa hình ảnh hưởng tới dịng chảy, cần phân tích kỹ các yếu tố khí hậu có quan hệ chặt chẽ với chúng trong sự hình
thành dịng chảy.
Một thành tố quan trọng của địa hình là độ cao lưu vực cũng ảnh hưởng khơng nhỏ đến sự hình thành dịng chảy và đặc trưng cơ bản nhất của nó là chuẩn dịng chảy năm. Ta biết rằng nhiệt độ khơng khí giảm dần theo độ cao và do vậy càng lên cao điều kiện ngưng tụ các khối khơng 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 khơng 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 dịng chảy năm
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 tốn các đặc trưng dịng chảy năm cho các vùng địa hình khác nhau trên lưu vực khi cần xác định chính xác chuẩn dịng 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 khơng 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 khơng những với khí hậu mà cả dịng 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 hố 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 q 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 trị 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 khơng tham gia vào q trình tạo dòng chảy dẫn đến
giảm chuẩn dòng chảy năm.
Vậy đất với các tính chất lý hố khác nhau trên lưu vực, tuỳ theo mức độ, có ảnh hưởng đến chuẩn
dịng chảy năm thơng 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 sơng ngịi là một vấn đề
ln ln 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 tốn 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 dịng chảy nói chung. Một số khác xét riêng sơng lớn, sơng 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 sơng ngịi thể hiện qua hai hướng: Nhờ rừng
nên độ nhám bề mặt lưu vực tăng ngăn dịng 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 dịng chảy mặt nói chung khơng 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 sơng ngịi 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 dịng 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 dịng chảy năm có thể sử dụng hệ số tương đối: