Chương 9. Dự báo ảnh hưởng của những biến đổi
9.1. Dự báo tác động của thay đổi sử dụng đất
Tất cả các lưu vực đều có một lịch sử riêng. Một số lịch sử này trải qua một thời gian dài như sự phát triển đất do cày cấy, trầm tích do băng tan từ cuối kỷ băng hà, hay sự phong hoá đá ong do ảnh hưởng của thời tiết qua giai đoạn dài. Một vài thay
đổi đáng kể gần đây hơn do hoạt động của con người như: quá trình đô thị hoá, chặt phá rừng, trồng rừng, chứa hay công trình chấn giữ tích đọng, ảnh hưởng của những
đám cháy tự nhiên hay việc lắp đặt hệ thống tưới tiêu đồng ruộng. Cả biến đổi tự nhiên và con người trong sử dụng đất đã làm ảnh hưởng đến lưu vực trong quá khứ và tiếp tục đến cả ngày nay. Có những thay đổi có thể được ghi chép lại nhưng cũng có những thay đổi thì không (một lưu vực thí nghiệm ở Vương Quốc Anh đã được khảo sát, sau khi lắp đặt các thiết bị, thung lũng thượng lưu đã tiêu thoát bằng hệ thống thuỷ nông cũ được xây dựng từ những phiến đá mỏng, ước tính đã hơn 100 năm).
Trong hầu hết những lưu vực có đo đạc, những lưu vực chắc chắn lớn hơn, những thay
đổi diễn ra trong suốt thời kỳ của các tư liệu lịch sử. Tuy nhiên những phân tích thuỷ văn học (ví dụ như phân tích tần suất lũ) thường không cố gắng để tính toán những
ảnh hưởng của sự thay đổi như thế. Tại sao lại như vậy? Chủ yếu là rất khó tìm ra những thay đổi trong tư liệu lịch sử về biến đổi tự nhiên từ năm này sang năm khác, từ trận mưa này đến trận mưa khác trong phản ứng của thuỷ văn, nhất là những nơi
có sự thay đổi chỉ diễn ra từ từ.
Kỹ thuật phân tích những ảnh hưởng của biến đổi sử dụng đất trong các phản ứng thuỷ văn mô hình hoá là rất nhiều trong các giai đoạn trước đây. Dự báo những ảnh hưởng của sự thay đổi tương lai (và kiểm chứng các dự báo này) đã bắt đầu thậm chí là khó khăn. Trong phần còn lại của chương này chúng ta sẽ xem xét một số nghiên cứu lựa chọn để mô tả trạng thái của kỹ thuật trong khu vực quan trọng này, trong phạm vi những gì chúng ta đã học về bản chất của quá trình mô hình hoá và sự bất
định dự báo.
9.1.1. Sự phá rừng và trồng lại rừng
Vai trò của rừng trong việc kiểm soát nguồn nước và đỉnh thuỷ đồ đã được tranh luận nhiều trong thuỷ văn học. Đó là một nguồn động lực lớn bên cạnh nhiều thí nghiệm lưu vực, đáng chú ý ở Coweeta của Mỹ (Swank và Crossley 1988). Hubbard Brook (theo Likens và nnk 1977), chính sự nghiên cứu về luật Frank trong rừng Bowland ở Anh, đưa đến thiết lập Viện thuỷ văn Anh, và Plynlimon (xứ Wales) và muộn hơn là các lưu vực thí nghiệm ở Balquhidder (ở Scotland) (Calder 1990) và sự kiểm soát dài hạn của lưu vực cung cấp nước Melbourne ở Australia. Một tổng quan về nghiên cứu thuỷ văn rừng đã được xuất bản bởi McCulloch và Robinson (1993).
Đây là một dẫn chứng tốt nơi mà cả mô hình dựa vào quá trình và các thông số hoá quy mô lưu vực có thể nhận thấy rất khó để dự báo sự ảnh hưởng của sự thay đổi vì bằng chứng từ nghiên cứu thực địa về tác động của sự phá rừng bị lẫn lộn. Trong một số lưu vực nghiên cứu sự phá rừng đã sinh ra lượng nước và đỉnh lũ cao hơn, trong một số khác nó sinh ra lưu lượng thấp hơn. Đây là sự ảnh hưởng của một số quá
trình tương tác, liên quan với sự chặt phá rừng và việc tái trồng rừng. Quá trình đốn gỗ luôn bao gồm việc xây dựng những con đường rừng và sự chuyển động của các máy móc nặng và các cây cối trên những con đường mòn với sự tác động hậu quả địa phương trong cấu trúc đất và sản sinh dòng chảy. Quá trình tái trồng rừng luôn bao gồm việc đào các hào thoát nước để làm tăng sự tiêu thoát nước của đất. Nó có thể làm tăng dòng chảy hoặc làm giảm độ ẩm ướt kỳ trước, làm giảm dòng chảy mặt. Trên thực tế, cả hai đều có thể xảy ra ở cùng một lưu vực, tuỳ thuộc vào cường độ của trận lũ và thời gian nó xảy ra. Sự tác động này sẽ tuỳ thuộc vào sự phát triển tiếp theo việc tái trồng rừng hay chặt phá rừng. Ví dụ như sức sống và các mật độ tái sinh của các cây bạch đàn núi ở các lưu vực cấp nước của Melbourne là ngoại lệ và là nguyên nhân gây ra một sự giảm sút nghiêm trọng trong tổng lượng nước tiếp theo sự tổn thất của cây gỗ ở các khu rừng trưởng thành (xem mục 9.2)
Những dự đoán như thế về tác động của việc chặt phá rừng hay việc tái trồng rừng có vẻ thích hợp trong việc liên kết với độ bất định nào đó. Trên thực tế, nhiều nghiên cứu mô hình hoá những tác động như vậy đã tập trung vào việc thay đổi bản thân thực vật và đã bỏ qua bất kỳ một sự thay đổi lệ thuộc nào trong các con đường rừng, cấu trúc đất hay các con mương dẫn nước. Phần lớn đều hoàn toàn làm các dự báo tất định mà không có bất kì một xem xét sự bất định nào trong việc ước lượng thông số cho điều kiện hiện thời và thay đổi. Có một ngoại lệ đối với điều này là
nghiên cứu của Binley và các nnk (1991). Trong một thông báo trước cho phương pháp GLUE ở mục 7.5, họ đã đánh giá độ bất định dự báo của mô hình Viện thuỷ văn phân bố (IHDM4, xem mục 5.4.3) trong một ứng dụng cho lưu vực Gwy ở thượng lưu của sông Wye ở Plynlimon, xứ Wales. Lưu vực này hiện đang ở dưới vùng đồng cỏ miền núi, nhưng đầu nguồn nước ngay liền đó của sông Severn đang là rừng. Do hạn chế của máy tính trong lúc nghiên cứu nên chỉ có thể tiến hành những mô phỏng trận mưa
đơn, điều này có nghĩa là ban đầu hoá của phân bố độ ẩm đất trong mỗi phân tử sườn dốc trước mỗi trận lũ là một điều hợp lý.
Hình 9.1. Các biên dự báo (dựa trên phương pháp Rosenblueth) mô phỏng cho lưu vực Plynlimon (3,9 Km2) sử dụng mô hình Viện thuỷ văn phân bố. (a). Mưa; (b). Sử dụng đất đồng cỏ hiện thời; (c). Cho cùng trận mưa với thông số rừng đã ước lượng. Xem Binley (1991). Tạo lại từ Nghiên cứu tài nguyên nước
27(6): 1253.1261; 1991, bản quyền Hội ĐịaVật lí Mỹ.
Các thông số của các thành phần giữ lại và bốc thoát hơi nước Penman- Monteith
đã sẵn có từ các nghiên cứu thực địa độc lập và đã được cố định. Hiệu chỉnh mô hình bằng tay cho một số cơn mưa dưới các điều kiện hiện tại, giá trị trung bình cho một trong bốn thông số (độ dẫn thuỷ lực, độ rỗng, tiềm năng mao dẫn ban đầu của đất và
độ nhám dòng chảy tràn) được xác định cùng với một ma trận hiệp biến. Những giá trị này sau đó được sử dụng để tạo ra bộ thông số từ một sự phân bố chuẩn nhiều biến bên trong một thủ tục Monte-Carlo mô phỏng các trận mưa “kiểm chứng” khác, bao gồm những trận mưa lớn nhất được ghi lại. Giới hạn dự báo đã thoả mãn dòng chảy quan trắc cho các trận mưa được “kiểm chứng” này (hình 9.1.b)
Phần tiếp theo của sự nghiên cứu là để ước lượng sự thay đổi của lưu lượng hy vọng như là kết quả của sự thay đổi lớp phủ rừng cây tùng bách. Các thông số của sự
giữ lại và sự bốc thoát hơi nước của rừng trước đây đã chỉ ra việc tái tạo số liệu đo ở quy mô bãi thực nghiệm trong lưu vực Severn là thoả mãn. Một bộ thông số thực vật mới do đó cũng được giả thiết đã biết mà không có sự bất định. Không có sự biến đổi nào được giả thiết trong các giá trị trung bình và phương sai của thông số độ dẫn thuỷ lực, độ rỗng và độ nhám dòng chảy tràn. Điều này được biết từ sự đo đạc thực địa, tuy nhiên mức độ ẩm đất kỳ trước mỗi trận mưa dưới đất rừng nói chung khô hơn dưới
đồng cỏ. Một sự thay đổi cố định trong tiềm năng mao dẫn ban đầu trung bình do đó
đã được chấp nhận trong khi giữ phương sai và hiệp biến giống nhau như trong điều kiện hiện tại. Kết quả của sự mô phỏng cho cùng một trận mưa được chỉ ra ở hình 9.1(b). Tính bất định trong dòng chảy dự báo cho các lưu vực rừng là cao nhưng sự khác nhau trong sự phân bố của các đỉnh dự báo được chỉ ra là có ý nghĩa thống kê.
Tuy nhiên, lặp lại sự phân tích mà không thay đổi điều kiện ban đầu không rút ra sự khác nhau quan trọng giữa dự báo của rừng và đồng cỏ.
Một loạt các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của các điều kiện ban đầu trong các mô hình phân bố dựa vào quá trình có thể bền vững trong một thời gian xem xét đáng kể. Do vậy trong bất kì đánh giá nào các ảnh hưởng của sự thay đổi, sự chú ý lớn dành cho việc giải thích kết quả của thời kỳ mô phỏng ngắn. May thay, sự hạn chế của máy tính hiện nay đang ít đi và dạng nghiên cứu này có thể được lặp lại sử dụng thời kỳ mô phỏng dài hơn để cực tiểu hoá ảnh hưởng của các điều kiện ban đầu đến các kết quả trong khi vẫn tạo nên một sự đánh giá thực của độ bất định dự báo.
9.1.2 ảnh hưởng của hoả hoạn
Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến sự sản sinh dòng chảy là hoả hoạn,
đặc biệt nơi mà tỷ lệ lớn lưu vực bị ảnh hưởng. ảnh hưởng đến dòng chảy lưu vực nói chung dễ dàng phát hiện ra hơn và trong một số trường hợp kéo dài hàng chục năm.
Nhiều nghiên cứu thực địa đã chứng minh rằng lửa làm hạ thấp cường độ thấm và làm tăng hệ số dòng chảy mặt, ít nhất ngay trong giai đoạn sau khi cháy (ví dụ Cerda 1998). Cháy làm giảm sự bảo vệ bề mặt kết quả từ sự mất đi lớp phủ thực vật và sẽ hướng đến làm tăng xu hướng không thấm nước hoặc tính không ưa nước của mặt đất (Soto và Diaz-Fierros 1998). Một đám cháy lan rộng ở lưu vực Rimbaud (nơi được mô
hình hoá bởi Parkin và nnk 1996 sử dụng mô hình SHE cho giai đoạn trước khi cháy xem trường hợp nghiên cứu ở mục 5.4), có ảnh hưởng trong việc tăng đỉnh lũ đáng kể trong giai đoạn tiếp theo (theo Lavabre 1993). Dự đoán về tác động của cháy đến dòng chảy mặt ở lưu vực cấp nước Melbourne đã được xem xét trong trường hợp nghiên cứu ở mục 9.2.
9.1.3. Đô thị hoá
Đô thị hoá được biết là có ảnh hưởng quan trọng đến quan hệ lượng mưa-dòng chảy nhưng hầu như tất cả các mô hình chúng ta đã xem xét đến thời điểm này có rất ít sự tính toán rõ ràng diện tích đô thị trong dự báo mưa-dòng chảy. Điều này có thể luôn được bào chữa dựa trên cơ sở là diện tích đô thị chỉ là một phần nhỏ của diện tích lưu vực, nhưng diện tích đô thị nhỏ sẽ yêu cầu tính toán đặc biệt để tính đến sự thay
đổi trong thuỷ văn bởi con người. Dự đoán dòng chảy trong các vùng đô thị cho việc thiết kế hệ thống thoát nước trong một vùng là lĩnh vực của thuỷ văn với một tài liệu rộng lớn của riêng nó. Bất kì mô hình lượng mưa - dòng chảy đô thị nào cũng cần phải tính toán sự liên kết của diện tích thấm hoặc không thấm và lưới các kênh và bơm tiêu nước tự nhiên và nhân tạo. Có một số phần mềm thương mại sẵn có cho dự báo quan hệ mưa-dòng chảy trong các vùng đô thị bao gồm mô hình quản lý nước mưa US EPA (SWWM; Huber 1995), phần mềm MOUSE từ Viện thuỷ lực Đan Mạch, và WALLRUS từ trung tâm nghiên cứu nước và thuỷ lực ở Vương Quốc Anh. Những gói phần mềm này được thiết kế riêng để tính toán mạng xác định của các máy bơm và các kênh trong một lưu vực và diện tích đóng góp cho chúng. Nhìn chung chúng bao gồm thành phần mô hình chất lượng nước cũng như dự đoán dòng chảy mặt. Một gói mô hình phân bố chung khác như các mô hình sóng động học HEC-1 và KINEROS, có các thành phần có thể sử dụng để miêu tả hỗn hợp sự thấm nước hoặc không thấm nước của sử dụng đất trong các vùng đô thị (Feldman 1995 và Smith 1995 ).
Đáng lưu ý rằng tất cả các mô hình thuỷ văn đô thị đều dựa trên những ý tưởng truyền thống là phần chính của thuỷ đồ là do dòng chảy mặt. Điều này sẽ luôn là gần
đúng trong các vùng đô thị nơi mà tất cả các cơn mưa quan trọng nhất cho mục đích thiết kế trong lưu vực nhỏ là các trận mưa dông đối lưu mạnh và ngắn. Tuy nhiên,
đáng ghi nhớ rằng có nhiều bề mặt không thấm nước ở các vùng đô thị không được kết nối trực tiếp với các đường thoát hoặc các kênh nhiều hơn là điền trũng, và nhiều bề mặt thấm nước sẽ không sản sinh dòng chảy bề mặt, thậm chí cả với những trận mưa cường độ cao. Sự thấm như vậy vào dưới mặt nói chung bị coi như tổn thất từ mô hình và không được xem xét tiếp theo. Sự khó khăn của đặc trưng hoá tất cả các bề mặt và sự liên kết thoát nước khác nhau trong các vùng đô thị, cũng có thể thay đổi trong các
điều kiện lũ, không phải là nhiệm vụ tầm thường thậm chí trong việc thiết kế các hệ thống tiêu nước nhỏ. Tuy nhiên, quá trình của mô hình hoá đang trở nên đơn giản hơn vì nhiều hệ thống tiêu nước đô thị và sử dụng đất đang được đặc trưng hoá bên trong cơ sở dữ liệu GIS. Tuy nhiên Burges và các nnk (1998), vẫn cho rằng kiểm soát tiếp tục các lưu vực nhỏ để thay đổi các phần còn lại cần thiết để giải quyết một vài sự bất
định liên kết với dự báo tác động của sự phát triển đến thuỷ văn.
9.1.4. Tiêu thoát trong nông nghiệp
Sự nghiên cứu của các hệ thống tiêu nước thực địa nhân tạo và các con mương trong các mô hình thuỷ văn là một vấn đề tương tự, mặc dù các ghi chép về các đường tiêu nước được lắp đặt trong quá khứ ở nơi nào, khi nào và như thế nào có thể không luôn luôn sẵn có cho các nhà mô hình hoá. Tiêu thoát nước có một sự ảnh hưởng trong thuỷ văn, mặt khác những người nông dân, các nhà làm ruộng và một số khác sẽ không quan tâm đến chúng. Tuy nhiên, những điều còn lại đó là một vài phân tích như tiêu thoát có thể có những ảnh hưởng như thế nào đến độ lớn của các đỉnh mưa.
Hai đường lối tranh luận luôn luôn xuất hiện. Đường lối đầu cho rằng vì tiêu thoát cung cấp con đường bổ sung tương đối hiệu quả cho việc loại bỏ dòng chảy. Chúng sẽ có khuynh hướng làm tăng thêm độ lớn của các đỉnh mưa. Đường lối thứ hai cho rằng tiêu thoát có xu hướng tiêu hao đất giữa các đợt mưa, sẽ có sẵn lượng trữ trước trận
mưa nhiều hơn và làm sản sinh dòng chảy ít hơn, sao cho bất chấp bất kì hiệu ứng tăng nào của dòng chảy, sản sinh dòng chảy ít hơn sẽ đưa đến đỉnh thuỷ đồ thấp hơn.
Sự phân tích các ghi chép dòng chảy từ lưu vực thí nghiệm tiêu nước và không tiêu nước đã chỉ ra cả 2 dạng của dáng điệu, thậm chí ở trong cùng một lưu vực, dưới các điều kiện khác nhau (xem tổng quan của Robinson 1986), Robinson đã chỉ ra rằng sự tiêu nước của những đất sét nặng có thể dẫn đến sự giảm đỉnh lũ bằng sự thiếu hụt kỳ trước nói chung là cao hơn, trong khi sự tiêu nước của đất thấm nhiều hơn có xu hướng tăng nhanh dòng chảy sát mặt, đưa đến đỉnh lũ cao hơn. Do đó mô hình hoá các
ảnh hưởng của sự tiêu nước ở quy mô lưu vực sẽ không đơn giản, đặc biệt nơi mà thậm chí với mô hình phân bố dựa trên quá trình, khoảng cách của tiêu nước nền đá hoặc các đê chắn sóng có thể nhỏ hơn nhiều so với quy mô lưới của mô hình. Do đó, một số thông số hoá của sự ảnh hưởng của quy mô nhỏ hơn lưới sẽ thực sự cần thiết. Ví dụ thông số hoá đã được xem xét bởi Dunn và Mackay (1996), Kim và Delleur (1997) và Karvonen và nnk (1999). Mô hình MIKE SHE hiện nay có một thành phần để miêu tả
ảnh hưởng của sự tiêu nước thực địa trong việc dự đoán dòng chảy như một hàm tuyến tính của mực nước ngầm địa phương trên một cao trình mốc tiêu nước nào đó (theo Al- Khudhairy 1999 )
Hình 9.2. Sự thay đổi lượng nước lưu vực theo cháy rừng với giới hạn dự đoán xấp xỉ cho sự tái sinh cây tần bì núi ở lưu vực Graceburn, Australia (Kuczera 1987). In lại từ Tạp chí thuỷ văn 211; 69-85, xuất bản
(1987) víi sù cho phÐp tõ Elsevier Science.