Dòng chảy mặt

216 Ch­¬ng 7 Dßng ch¶y mÆt 7.1 Giíi thiÖu chung Dßng ch¶y mÆt hay dßng ch¶y s«ng ngßi lµ dßng ch¶y chuyÓn ®éng do träng lùc cña n­íc trong c¸c lßng dÉn víi kÝch th­íc thay ®æi tõ dßng ch¶y cã quy m« nhá nhÊt tíi nh÷ng dßng ch¶y cã quy m« lín nhÊt (Amazon, Congo, vµ Yangtze). Còng nh­ dßng ch¶y s«ng ngßi, dßng ch¶y mÆt cã thÓ ®­îc ®Æc tr­ng bëi l­u l­îng dßng ch¶y trong s«ng, hoÆc l­îng m­a sinh thuû cña l­u vùc. ë møc chung chung mèi quan hÖ gi÷a dßng ch¶y s«ng ngßi vµ gi¸ng thñy cã thÓ ®­îc biÓu thÞ d­íi d¹ng vßng tuÇn hoµn liªn tôc cña n­íc th«ng qua chu tr×nh thñy v¨n. Chóng ta cã thÓ thõa nhËn r»ng trong nh÷ng tr­êng hîp ®¬n gi¶n th­êng xem l­u vùc bÒ mÆt vµ l­u vùc n­íc ngÇm trïng nhau vµ mçi dßng s«ng chØ tiÕp nhËn n­- íc tõ b¶n th©n l­u vùc cña chÝnh m×nh. Bëi vËy, cã thÓ xem mçi l­u vùc nh­ mét hÖ thèng ®Çu vµo lµ gi¸ng thñy vµ chuyÓn ho¸ chóng thµnh nh÷ng ®Çu ra lµ sù bay h¬i vµ dßng ch¶y s«ng ngßi. KÓ c¶ nh÷ng sù thay ®æi cña l­îng tr÷ trong hÖ thèng, ®Çu vµo ph¶i ®­îc c©n b»ng víi ®Çu ra. Trõ nh÷ng vïng kh« h¹n lín, ë tÊt c¶ c¸c vïng, ®Çu ra tõ hÖ thèng l­u vùc lµ liªn tôc, nh­ng nh÷ng ®Çu vµo cña gi¸ng thñy th× gi¸n ®o¹n vµ th­êng ®­îc rêi r¹c hãa theo thêi gian mét c¸ch phæ biÕn. Nh­ mét kÕt qu¶, ®­êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y hµng n¨m vÒ c¬ b¶n gåm cã nh÷ng thêi kú ng¾n l­u l­îng bÞ t¨ng lªn mét c¸ch ®ét ngét liªn quan ®Õn m­a hoÆc tuyÕt tan vµ hçn hîp c¶ hai cã thêi gian dµi h¬n. Trong nh÷ng thêi kú n­íc rót khi dßng ch¶y s«ng ngßi ®­îc ®¹i diÖn cho dßng ch¶y ra lµ nuíc ngÇm tõ n­íc ®­îc dù tr÷ b»ng nguån n­íc ngÇm d­íi bÒ mÆt cña l­u vùc vµ khi ®ã ®­êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y lÊy d¹ng hµm sè mò cña ®­- êng cong n­íc rót ®iÓn h×nh (xem H×nh 7.14). Nh÷ng ®¬n vÞ ®o cña dßng ch¶y mÆt Dßng ch¶y mÆt th«ng th­êng ®­îc biÓu thÞ b»ng l­u l­îng n­íc vµ ®ã chÝnh lµ mét thÓ tÝch trªn mét ®¬n vÞ thêi gian. L­u l­îng n­íc cã ®¬n vÞ lµ mÐt khèi trªn gi©y (m3s-1) vµ m« ®un dßng ch¶y cã ®¬n vÞ lµ mÐt khèi trªn gi©y kil«met vu«ng (m3s-1km-2). Hai sè ®o trªn lµ nh÷ng ®¬n vÞ th­êng ®­îc sö dông. Dßng ch¶y cã thÓ còng ®­îc biÓu thÞ nh­ mét ®é s©u t­¬ng ®­¬ng trªn mét ®¬n vÞ ®o diÖn tÝch l­u vùc, tøc lµ millimeters trªn ngµy hoÆc th¸ng hoÆc n¨m. §©y lµ mét ®¬n vÞ ®Æc biÖt tiÖn lîi ®Ó so s¸nh tèc ®é vµ tæng l­îng gi¸ng thuû vµ dßng ch¶y v× gi¸ng thuû gÇn nh­ kh«ng thay ®æi trong c¸ch biÓu thÞ nµy. Nh÷ng biÓu diÔn dßng ch¶y kh¸c vÉn ®­îc t×m thÊy trong nghiªn cøu bao gåm hµng triÖu Gal«ng trªn mét ngµy (m.g.d.) vµ ®Æc biÖt lµ trong nghiªn cøu thuû lîi ë Mü hay dïng ®¬n vÞ lµ feet, tøc lµ thÓ tÝch cña líp vá n­íc mµ bao phñ mét mÉu Anh tíi ®é s©u mét feet. 217 7.2 Dßng ch¶y nhanh vµ dßng ch¶y ng­ng trÖ Ph¶n øng trùc tiÕp tøc thêi cña l­u vùc ®èi víi hiÖn t­îng m­a r¬i lµ mét phÇn cña l­îng m­a t¹o thµnh mét tuyÕn ®­êng cã dßng ch¶y chuyÓn ®éng rÊt nhanh trong lßng dÉn (tøc lµ dßng ch¶y xiÕt); t­¬ng øng tiÕp theo sau ®ã mét phÇn kh¸c cña trËn m­a t¹o thµnh mét tuyÕn ®­êng cã dßng ch¶y chuyÓn ®éng chËm h¬n ®ã lµ dßng ch¶y ng­ng trÖ vµ th­êng xuyªn ®­îc xem nh­ dßng ch¶y c¬ së. Hai thµnh phÇn nµy cña dßng ch¶y lµ hiÓn nhiªn trong nh÷ng dßng s«ng víi tÊt c¶ c¸c kÝch th­íc kh¸c nhau. Tuy nhiªn, ë c¸c hÖ thèng s«ng lín nh÷ng hiÖu øng trÔ, c¶ bªn trong vµ bªn ngoµi lßng dÉn ®Òu rÊt phøc t¹p. Nh÷ng ®ãng gãp dßng ch¶y cho dßng s«ng chÝnh tõ nhiÒu dßng s«ng nh¸nh lµm phøc t¹p. ViÖc gi¶i thÝch sù ph¶n øng cña l­u vùc th«ng qua qu¸ tr×nh dßng ch¶y cña nh÷ng dßng s«ng chÝnh ®èi víi gi¸ng thuû lµ rÊt phøc t¹p. Do ®ã nhiÒu th¶o luËn ban ®Çu vÒ qu¸ tr×nh dßng ch¶y trong ch­¬ng nµy nh»m gi¶i thÝch sù ph¶n øng cña l­u vùc ®èi víi gi¸ng thuû qua nh÷ng dßng s«ng suèi th­îng nguån cña c¸c l­u vùc nhá trong hÖ thèng l­u vùc s«ng lµ t­¬ng ®èi ®¬n gi¶n. H×nh 7.1 BiÓu ®å l­îng m­a vµ dßng ch¶y cña 3 trËn b·o ë Tennessee, USA (theo biÓu ®å gèc cña Ramser, 1927) Trong nh÷ng tr­êng hîp nh­ vËy sù ph¶n øng cña c¸c l­u vùc víi gi¸ng thuû th- ­êng lµ rÊt nhanh nh­ng hiÕm khi gièng nhau. Tøc lµ tØ lÖ cña gi¸ng thuû t¹o thµnh dßng ch¶y xuÊt hiÖn mét c¸ch nhanh chãng nh­ mét ®­êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y lµ kh¸c nhau gi÷a c¸c trËn lò. H×nh 7.1 lµ nh÷ng ®å thÞ tõ mét bµi b¸o ®Çu tiªn cña Ramser (1927). Ramser ®· nhÊn m¹nh sù ph¶n øng cña l­u vùc ®èi víi m­a vµ tÝnh biÕn thiªn cña dßng ch¶y trong mét l­u vùc nhá. L­îng m­a vµ dßng ch¶y ®­îc ph¸c häa trªn h×nh 7.1 cã cïng quy m« ®· x¸c ®Þnh sè rÊt Ýt phÇn tr¨m cña l­îng m­a t¹o nªn dßng ch¶y xiÕt d­íi d¹ng ®­êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y. Sè phÇn tr¨m gi¸ng thñy t¹o thµnh dßng thay ®æi theo c¸c ®Æc tr­ng gi¸ng thuû vµ c¸c ®iÒu kiÖn l­u vùc vµ nã ®­îc x¸c ®Þnh trung b×nh toµn cÇu lµ 36% cña toµn bé gi¸ng thuû r¬i trªn nh÷ng vïng 218 ®Êt sau ®ã ch¶y tíi c¸c ®¹i d­¬ng. Trong sè l­îng phÇn tr¨m nµy dßng ch¶y xiÕt chØ chiÕm kho¶ng 11% vµ dßng ng­ng trÖ tÝnh to¸n chiÕm 25% cßn l¹i cña gi¸ng thuû. 7.3 C¸c nguån vµ c¸c thµnh phÇn cña dßng ch¶y Sù ph¶n øng kh¸c nhau cña l­u vùc ®èi víi gi¸ng thuû lµ t¹o thµnh dßng ch¶y vµ dßng ch¶y thay ®æi c¶ theo kh«ng gian vµ theo thêi gian. Hai lo¹i dßng ch¶y mÆt vµ ngÇm do gi¸ng thuû t¹o nªn ®Òu chuyÓn ®éng vÒ phÝa nh÷ng lßng dÉn dßng ch¶y. H×nh 7.2 cho thÊy r»ng gi¸ng thuû cã thÓ ®Õn ch¶y ®Õn lßng dÉn dßng bëi mét sè lo¹i dßng ch¶y: dßng ch¶y mÆt do gi¸ng thuû trùc tiÕp ®ã lµ dßng ch¶y trªn bÒ mÆt l­u vùc; dßng ch¶y d­íi mÆt tÇng n«ng (dßng s¸t mÆt) vµ dßng ch¶y d­íi mÆt ®Êt, dßng ch¶y tÇng s©u (dßng n­íc ngÇm). Nh÷ng sù tÝch tr÷ cña tuyÕt vµ sù tan ch¶y cña tuyÕt t¹o nªn mét trong sè bèn lo¹i dßng ch¶y nµy. H×nh 7.2 H­íng ch¶y cña c¸c nguån cung cÊp cho dßng ch¶y s«ng: Qp lµ gi¸ng thñy trùc tiÕp xuèng mÆt n­íc, Q0 lµ dßng ch¶y trµn trªn mÆt, Qt lµ dßng ch¶y s¸t mÆt vµ Qg lµ dßng ch¶y ngÇm. Nh÷ng lo¹i dßng ch¶y nµy ®­îc nghiªn cøu mét c¸ch réng r·i vµ t­¬ng ®èi râ rµng. NÕu chØ nghiªn cøu dßng ch¶y mÆt vµ dßng ch¶y trùc tiÕp ®· dÉn ®Õn sù kh«ng ®Çy ®ñ vµ kh«ng râ rµng vµ H×nh 7.3 cung cÊp mét m« h×nh h×nh thµnh dßng ch¶y thÝch hîp, logic tõ m­a trªn l­u vùc. §iÒu nµy cho thÊy r»ng dßng ch¶y bÒ mÆt lµ bé phËn cña dßng ch¶y tæng céng ch¶y ®Õn cöa ra cña l­u vùc qua dßng ch¶y trµn trªn mÆt vµ c¸c lßng dÉn. Dßng ch¶y tæng céng nµy bao gåm dßng ch¶y s¸t mÆt, dßng ch¶y trªn bÒ mÆt ®Êt vµ dßng ch¶y ngÇm. Dßng ch¶y d­íi mÆt lµ tæng cña dßng ch¶y s¸t mÆt vµ dßng ch¶y ngÇm vµ nã th­êng b»ng toµn bé dßng n­íc ®Õn t¹i s«ng suèi khi dßng ch¶y ®· b·o hßa qua tÇng ®Êt ®¸y vµ c¸c bê lßng dÉn. Dßng ch¶y nhanh, hay dßng ch¶y trùc tiÕp, lµ tæng cña gi¸ng thuû t¹o thµnh, dßng ch¶y xiÕt trªn mÆt vµ dßng ch¶y s¸t mÆt nhanh vµ nã lµ thµnh phÇn dßng ch¶y quan träng ®ãng gãp dßng ch¶y chÝnh trong thêi gian nh÷ng thêi kú lò vµ phÇn lín c¸c trËn lò. Ta thÊy r»ng dßng ch¶y nhanh vµ dßng ch¶y mÆt nh­ ®­îc ®Þnh nghÜa ë trªn th× kh«ng ph¶i lµ t­¬ng ®­¬ng nhau. Dßng ch¶y c¬ së hay dßng ch¶y ng­ng trÖ lµ thµnh phÇn dßng ch¶y duy tr× liªn tôc thËm chÝ qua nh÷ng thêi kú thêi tiÕt kh« h¹n. Nã th­êng ®­îc xem nh­ tæng cña dßng ch¶y ngÇm vµ dßng ch¶y s¸t mÆt ng­ng trÖ, mÆc dï mét sè c¸c nhµ thñy v¨n häc kh«ng thÝch gép toµn bé dßng s¸t mÆt víi dßng ch¶y ngÇm nh­ ®­îc minh häa bëi ®­êng nÐt ®øt trong H×nh 7.3. Mét lÇn n÷a dßng ch¶y c¬ së vµ dßng n­íc ngÇm, theo 219 ®Þnh nghÜa ë trªn, th× kh«ng ph¶i lµ t­¬ng ®­¬ng nhau. Thùc vËy, trong mét sè l­u vùc nói dèc, dßng ch¶y c¬ së cã thÓ bao gåm gÇn nh­ trän vÑn dßng ch¶y ë trong tÇng kh«ng b·o hßa tõ mÆt c¾t ®Êt (xem 'Vai trß cña dßng ch¶y s¸t mÆt' ë phÇn sau trong ch­¬ng nµy). H×nh 7.3 BiÓu ®å biÓu diÔn qu¸ tr×nh dßng ch¶y TÇm quan träng t­¬ng ®èi cña nh÷ng nguån dßng ch¶y c¬ së nµy cã thÓ thay ®æi theo kh«ng gian vµ phô thuéc vµo nh÷ng ®Æc tr­ng cña l­u vùc, nh­ lo¹i ®Êt vµ nguån vµ mËt ®é líp phñ thùc vËt vµ phô thuéc vµo nh÷ng ®iÒu kiÖn gi¸ng thuû. Ngoµi ra, tÇm quan träng cña c¸c thµnh phÇn dßng ch¶y riªng lÎ kh¸c cã thÓ thay ®æi theo thêi gian, vÝ dô nh­ trong mét n¨m hoÆc tõng mïa vµ còng cã thÓ thay ®æi kh¸ ®¸ng kÓ trong thêi gian mét trËn lò riªng lÎ hoÆc chuçi c¸c trËn m­a g©y lò liªn tôc, nh÷ng biÕn ®æi cña kh¶ n¨ng thÊm, mùc n­íc ngÇm, vµ diÖn tÝch tÇng n­íc mÆt. 7.3.1 Sù gi¸ng thuû trªn lßng dÉn (Qp) §ãng gãp cña gi¸ng thuû r¬i trùc tiÕp trªn bÒ mÆt n­íc th­êng lµ nhá bëi v× ®¬n gi¶n lµ hÖ thèng lßng dÉn th­êng xuyªn quanh n¨m chØ chiÕm mét phÇn nhá diÖn tÝch l­u vùc, gi¸ trÞ gi¸ng thuû trªn lßng dÉn rÊt nhá vµ cã thÓ lµ thµnh phÇn duy nhÊt cña biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y. Khi hÖ thèng lßng dÉn cã kÝch th­íc réng lín h¬n, trong c¸c l­u vùc cã mét diÖn tÝch lín hå hoÆc nh÷ng ®Çm lÇy lín h¬n vµ trong nh÷ng tr­êng hîp nµy gi¸ trÞ Qp sÏ cã xu h­íng t¨ng lªn. Ngoµi ra, Qp sÏ t¨ng mét c¸ch ®¸ng kÓ trong thêi gian mét trËn lò kÐo dµi hoÆc chuçi nèi tiÕp cña nh÷ng ®ît gi¸ng thuû liªn tôc vµ lóc nµy m¹ng l­íi lßng dÉn ®­îc më réng (Xem môc 7.4.2). L­îng Qp cã 220 thÓ chiÕm 60% hoÆc h¬n n÷a cña toµn bé dßng ch¶y trong mét sè l­u vùc nhá (VÝ dô Rawitz vµ nh÷ng ng­êi kh¸c n¨m 1970). 7.3.2 Dßng ch¶y trµn trªn mÆt (Qo) Dßng ch¶y trµn trªn mÆt lµ dßng ch¶y qua bÒ mÆt nÒn ®Êt tíi c¸c lßng dÉn s«ng suèi kh¸c. Dßng ch¶y gÇn nh­ lµ ch¶y tÇng hoÆc dßng ch¶y rèi. Dßng ch¶y nµy th«ng th­êng lµ dßng ch¶y nèi c¸c dßng ch¶y nhá ë c¸c khe suèi phô nhá. Mét nguyªn nh©n h×nh thµnh cña Qo lµ do kh«ng cã kh¶ n¨ng cña n­íc ®Ó x©m nhËp vµo trong c¸c líp ®Êt vµ lµ kÕt qu¶ cña c­êng ®é m­a cao v­ît kh¶ n¨ng thÊm thÊp. Nh÷ng ®iÒu kiÖn lý t­ëng ®­îc t×m thÊy hiÖn t­îng s¶n sinh dßng ch¶y mÆt trªn c¸c s­ên dèc tõ ®é dèc võa ph¶i ®Õn dèc ®øng ë nh÷ng vïng ®Êt b¸n kh« h¹n vµ kh« h¹n. ë ®©y, líp phñ thùc vËt cã thÓ lµ th­a thít hoÆc kh«ng tån t¹i, do ®ã ®Êt bÞ ph¬i bµy bÒ mÆt ®Ó cho c¸c h¹t m­a t¸c ®éng lµm biÕn ®æi vá tr¸i ®Êt. Nh­ mét hËu qu¶ mµ thùc tÕ cho thÊy r»ng ë vïng bÞ tµn ph¸ bÒ mÆt dßng ch¶y xuÊt hiÖn d­íi d¹ng dßng ch¶y trµn trªn bÒ mÆt (Abrahams vµ nh÷ng ng­êi kh¸c n¨m 1994). Nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nh­ ®Êt kþ n­íc, ®Êt rÊt kh« vµ ®Êt cã cá Ýt thÊm lµ nh÷ng yÕu tè rÊt quan träng ®èi víi h×nh thµnh dßng ch¶y mÆt Q0. nh÷ng ¶nh h­ëng KH¸C cã h¹i cña c¸c ho¹t ®éng n«ng nghiÖp ®Õn kh¶ n¨ng thÊm, vµ sù ®ãng b¨ng cña bÒ mÆt cña nÒn ®Êt còng cã t¸c ®éng ®Õn Q0. ë nh÷ng vïng Èm ­ít, líp phñ thùc vËt dµy h¬n lµ quan träng ®èi víi s¶n sinh dßng ch¶y mÆt Q0 v× ë vïng nµy cã gi¸ trÞ thÊm cao ®ã lµ ®Æc tr­ng quan träng cña hÇu hÕt c¸c bÒ mÆt cã thùc vËt bao phñ. ë ®©y dßng ch¶y trµn trªn bÒ mÆt hiÕm khi quan tr¾c ®­îc, kÓ c¶ ë vïng rõng m­a nhiÖt ®íi (vÝ dô Anderson vµ Spencer, 1991). Tuy nhiªn cã nhiÒu vïng vµ c¶ Èm ­ít lÉn b¸n Èm ­ít, n¬i mµ nh÷ng ¶nh h­ëng cña ®Þa h×nh dèc vµ sù t¨ng lªn cña mÆt n­íc ngÇm tÇng n«ng tíi bÒ mÆt ®Êt trong thêi gian m­a còng lµm t¨ng l­îng dßng ch¶y s¸t mÆt. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh­ vËy kh¶ n¨ng thÊm t¹i c¸c bÒ mÆt nÒn gi¶m tíi b»ng 0 vµ kÕt qu¶ lµ t¹o ra sù b·o hßa trong líp ®Êt vµ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho s¶n sinh dßng ch¶y trµn (Qo(s)) (Xem môc 7.4.2). 7.3.3 Dßng ch¶y s¸t mÆt (Qt) N­íc thÊm vµo mÆt ®Êt vµ sau ®ã di chuyÓn qua tÇng ®Êt s¸t mÆt sau ®ã chuyÓn ®éng vÒ phÝa nh÷ng lßng dÉn s«ng suèi. Líp dßng ch¶y cã thÓ lµ ch­a b·o hßa hoÆc th«ng th­êng h¬n lµ dßng ch¶y qu¸ b·o hoµ tÇng n«ng ë trªn mùc n­íc ngÇm vµ th­êng ®­îc gäi lµ dßng ch¶y s¸t mÆt. Nh÷ng d¹ng kh¸c cña dßng ch¶y s¸t mÆt ®­îc t×m thÊy trong nghiªn cøu bao gåm dßng ch¶y phèi hîp cña dßng lò s¸t mÆt, dßng thÊm do lò vµ dßng ch¶y c¬ së thø cÊp. Dßng s¸t mÆt dïng ®Ó tÝnh dÉn thñy lùc cña tÇng ®Êt bÒ mÆt sang h­íng ngang khi nã lín h¬n ®¸ng kÓ so víi dÉn thñy lùc th¼ng ®øng. Sau ®ã, trong thêi gian trËn m­a kÐo dµi hoÆc m­a lín x¶y ra trªn mét s­ên dèc, n­íc sÏ di chuyÓn theo h­íng ngang bªn trªn cña mÆt c¾t th¼ng ®øng nhanh chãng h¬n lµ nã chuyÓn ®éng theo ph­¬ng th¼ng ®øng xuyªn qua phÇn ®Êt thÊp h¬n. Nh­ vËy tÝch lòy dßng ch¶y vµ h×nh thµnh mét líp dßng ch¶y qu¸ b·o hoµ sÏ lµm cho n­íc sÏ 'tho¸t' ra theo h­íng ngang tøc lµ theo h­íng cña tÝnh dÉn thñy lùc lín h¬n. Khi kh«ng cã sù nhiÔu lo¹n nh©n t¹o, søc Ðp bÒ mÆt do m­a, do lò, do ®Þa h×nh dèc ®Ó s¶n sinh dßng ch¶y s¸t mÆt lµ th«ng th­êng nhÊt ®­îc t×m thÊy. ThËm chÝ trong mét hiÖn tr¹ng ®Êt t­¬ng ®èi ®ång nhÊt ë d­íi tÇng s©u, tÝnh dÉn thñy lùc sÏ cã xu h­íng lín ë nh÷ng líp ®Êt bÒ mÆt h¬n lµ ë líp ®Êt tÇng s©u trong mÆt c¾t th¼ng 221 ®øng, do ®ã nã thóc ®Èy sù ph¸t sinh cña dßng ch¶y s¸t mÆt. VÉn cßn nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c thuËn tiÖn h¬n cho s¶n sinh dßng ch¶y s¸t mÆt tån t¹i bao gåm (i) ®Êt thÊm n­íc máng n»m trªn ®¸ gèc kh«ng thÊm n­íc, (ii) hiÖn tr¹ng ®Êt ®­îc xÕp thµnh tÇng mét c¸ch râ rµng, hoÆc (iii) mét tÇng ®Êt h×nh qu¹t hoÆc tÇng ®Êt sÐt cã h×nh qu¹t xuÊt hiÖn t¹i c¸c líp ®Êt s¸t d­íi bÒ mÆt. Cã thÓ cã mét vµi møc cña l­u l­îng s¸t mÆt Qt ë bªn d­íi bÒ mÆt, t­¬ng øng víi nh÷ng thay ®æi cÊu t¹o gi÷a c¸c tÇng vµ mèi quan hÖ gi÷a líp phñ trªn mÆt ®Êt chÞu ¶nh h­ëng cña thêi tiÕt vµ líp ®¸ gèc. Ngoµi ra, cã nhiÒu b»ng chøng cho thÊy n­íc s¸t mÆt cã thÓ dÞch chuyÓn xuèng d­íi s­ên dèc xuyªn qua nh÷ng lç hæng vÜ m« vµ nh÷ng khe nøt vÜ m« (xem ®Ò môc 'Nh÷ng lç hæng vü m«' trong môc 6.5.2). C¸c lç hæng vÜ m« nµy liªn quan ®Õn ho¹t ®éng cña sinh häc trong ®Êt vµ nã ®ãng mét vai trß quan träng trong viÖc ph¸t sinh dßng ch¶y (Bonell vµ nh÷ng ng­êi kh¸c n¨m 1984) còng nh­ trong sù xãi mßn l­u vùc (Jungerius, 1985). Nh­ vËy víi c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau cña sù h×nh thµnh dßng ch¶y s¸t mÆt dÉn ®Õn tèc ®é chuyÓn ®éng n­íc kh¸c nhau cho nh÷ng lßng dÉn s«ng suèi kh¸c nhau. T­¬ng øng, ®«i khi ta cã thÓ ph©n biÖt mét c¸ch râ rµng gi÷a dßng ch¶y s¸t mÆt 'nhanh' vµ dßng ch¶y 'ng­ng trÖ' (Xem H×nh 7.3). Tuy nhiªn, ngoµi dßng ch¶y nhanh xuyªn qua nh÷ng lç hæng vÜ m« th«ng víi nhau th× dßng ch¶y s¸t mÆt còng ®· ®­îc c¸c nhµ ®iÒu tra quan s¸t thÊy nã còng ®Õn rÊt nhanh tíi nh÷ng lßng dÉn s«ng suèi. Dßng ch¶y s¸t mÆt cã vÎ nh­ nã ®· chiÕm chç trong c¸c lç rçng pit-t«ng' (xem 'Vai trß cña dßng ch¶y s¸t mÆt' trong ch­¬ng nµy). Mét sè dßng ch¶y s¸t mÆt ë mét sè vÞ trÝ kh«ng th¸o n­íc ®­îc trùc tiÕp vµo trong lßng dÉn. Nh÷ng ®iÓm bÒ mÆt nµy lµ ®iÓm n»m gi÷a ph©n chia l­u vùc cña c¸c s«ng suèi. L­îng n­íc nµy tiÕp tôc sau ®ã ch¶y qua bÒ mÆt ®Êt tíi s«ng suèi. Thµnh phÇn nµy cã thÓ ®­îc xem xÐt nh­ dßng ch¶y d­íi mÆt, mÆc dÇu ®«i khi nã ®­îc xem nh­ mét sù thªm vµo cho dßng ch¶y trµn vµ dßng ch¶y bÒ mÆt, nh­ ®· ®­îc chØ dÉn bëi ®­êng liÒn nÐt ®Ëm trong h×nh 7.3. Vai trß cña Qt trong toµn bé dßng ch¶y ®­îc bµn luËn chi tiÕt h¬n trong c¸c phÇn kÕ tiÕp cña ch­¬ng nµy. KÕt qu¶ nghiªn cøu qua c¸c b»ng chøng thÝ nghiÖm ®· chØ ra r»ng dßng ch¶y s¸t mÆt cã thÓ tÝnh to¸n chiÕm trªn 85% cña tæng l­îng dßng ch¶y (Hertzler, 1939). 7.3.4 Dßng ch¶y ngÇm (Qg) L­¬ng n­íc m­a ®i ra khái tõ bÒ mÆt t­¬ng ®èi xiªn vµ dèc cña c¸c vïng ®Êt líp trªn mÆt, n¬i mµ dßng ch¶y d­íi mÆt ®­îc thèng trÞ bëi dßng s¸t mÆt, hÇu hÕt l­îng m­a mµ x©m nhËp vµo bÒ mÆt l­u vùc sÏ ®­îc läc qua c¸c líp ®Êt tíi tÇng n­íc ngÇm n»m bªn d­íi tÇng ®Êt s©u vµ sÏ dÇn dÇn chuyÓn ®éng ®Õn nh÷ng lßng dÉn dßng chÝnh vµ ®­îc xem nh­ dßng n­íc ngÇm xuyªn qua ®íi b·o hßa. V× n­íc ë d­íi s©u chØ cã thÓ di chuyÓn rÊt chËm ch¹p xuyªn qua ®Êt, sù ch¶y ra cña n­íc ngÇm vµo trong nh÷ng lßng dÉn s«ng ngßi cã thÓ c¸ch mét kho¶ng thêi gian vµi ngµy sau sù x¶y ra cña gi¸ng thuû hoÆc vµi tuÇn hoÆc thËm chÝ vµi n¨m. Dßng n­íc ngÇm ch¶y ra s«ng cã xu thÕ rÊt cã quy luËt. Nã thÓ hiÖn quy luËt rót n­íc cña l­u vùc lµm cho dßng ch¶y tõ kho chøa cña l­u vùc biÕn ®æi chËm cña l­îng Èm ­ít trong ®Êt vµ nh÷ng líp ®¸. Tuy nhiªn, trong mét sè tr­êng hîp nhÊt ®Þnh, n­íc ngÇm cã thÓ thÓ hiÖn mét sù ph¶n øng l¹i nhanh ®èi víi gi¸ng thuû. Thùc vËy, c¬ chÕ 'chiÕm chç pit-t«ng' (Bµn luËn trong 'Vai trß cña dßng ch¶y s¸t mÆt') th­êng dÉn ®Õn mét sù ®¸p l¹i nhanh cña dßng ch¶y ngÇm ®èi víi gi¸ng thuû trong nh÷ng thêi kho¶ng lò riªng biÖt, vµ ®Æc biÖt trong 222 thêi gian m­a mµ lò lín vµ ®iÒu nµy ®­îc biÓu diÔn bëi ®­êng th¼ng ®¸nh dÊu chÊm ngang trong H×nh 7.3. HiÖn t­îng nµy chØ cã thÓ x¶y ra trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Êt vµ tÇng ®Êt thÞt Èm ­ít. Tuy nhiªn, sù bæ xung l­îng Èm ­ít lín do sù thiÕu hôt lín t¹o ra, ®Æc biÖt trong thêi gian mïa hÌ cã thÓ dÉn ®Õn mét sù ph¶n øng chËm ®¸ng kÓ cña dßng n­íc ngÇm ch¶y ra sau khi gi¸ng thuû ®· xuÊt hiÖn. Nh×n chung, Qg ®¹i diÖn cho thµnh phÇn dßng ch¶y dµi h¹n chÝnh cña tæng l­îng dßng ch¶y vµ ®Æc biÖt quan träng trong thêi gian cã ¶nh h­ëng kh« h¹n vµ khi dßng ch¶y mÆt v¾ng mÆt. 7.4 Nh÷ng sù biÕn ®æi sù kiÖn c¬ b¶n C¸c yÕu tè cña dßng ch¶y mÆt, ngÇm, s¸t mÆt ph¶n øng víi gi¸ng thuû ë c¸c quy m« theo thêi gian kh¸c nhau (vÝ dô sù kiÖn trËn m­a ®¬n, m­a tõng mïa vµ m­a hµng n¨m). C¸c thµnh phÇn dßng ch¶y trªn ®­îc x¸c ®Þnh mét c¸ch chÝnh x¸c theo ®iÒu kiÖn ®Þa lý tù nhiªn. Sù c©n b»ng gi÷a dßng ch¶y mÆt nhanh vµ dßng ch¶y ngÇm c¬ b¶n lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh quan träng ®èi víi h×nh d¹ng ®­êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y. Trªn h×nh 7.2 vµ 7.3 x¸c nhËn vai trß quan träng cña hai thµnh phÇn dßng ch¶y mÆt nhanh vµ dßng ch¶y ngÇm c¬ b¶n. Nh÷ng thÝ nghiÖm ban ®Çu ®· gi¶i thÝch sù biÕn ®æi cña dßng ch¶y theo thêi gian, ®Æc biÖt sù biÕn ®æi cña dßng ch¶y qua sù biÕn ®æi cña gi¸ng thuû. §Æc biÖt sù biÕn ®æi cña gi¸ng thñy ¶nh h­ëng ®Õn dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt. Nh÷ng nghiªn cøu kh¸c ®· lµm s¸ng tá nguån gèc lµm thay ®æi cña dßng ch¶y trµn ®· phô thuéc vµo dßng ch¶y s¸t mÆt vµ thËm chÝ cã liªn quan ®Õn dßng ch¶y ngÇm. NhiÒu nhµ thñy v¨n häc ®· ®ãng gãp cho sù hiÓu biÕt cña chóng ta hiÖn nay vÒ qu¸ tr×nh dßng ch¶y trong ®ã ®¸ng chó ý lµ R.E.Horton vµ J.D.Hewlett. Hä lµ ng­êi më ®­êng chñ yÕu vµ c«ng viÖc cña hä ®· chøng tá cã ¶nh h­ëng m¹nh ®Õn ph¸t triÓn vÒ sau. Bëi vËy sau ®©y lµ bµn luËn vÒ nh÷ng ®ãng gãp riªng lÎ cña hä. 7.4.1 Gi¶ thuyÕt Horton Horton (1933) ®· ®Ò xuÊt gi¶ thiÕt kh¸ ®¬n gi¶n, ®ã lµ sù ph©n chia m­a r¬i trªn bÒ mÆt ®Êt mét phÇn biÕn ®æi nhanh chãng thµnh dßng ch¶y trµn vµ ch¶y tíi lßng dÉn dßng s«ng vµ phÇn kh¸c lµ dßng ch¶y s¸t mÆt ®i vµo trong ®Êt vµ tõ ®ã biÕn thµnh dßng n­íc ngÇm vµ chuyÓn ®éng tíi lßng dÉn s«ng ngßi trong ®ã cã mét l­îng n­íc sÏ bÞ bay h¬i tíi khÝ quyÓn. C¨n cø vµo kh¶ n¨ng thÊm cña bÒ mÆt ®Êt, tèc ®é thÊm ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ sau: ‘…tèc ®é thÊm lµ tèc ®é cùc ®¹i mµ t¹i ®ã m­a cã thÓ bÞ hót bëi mét diÖn tÝch ®Êt nhÊt ®Þnh trong mét ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh'. H×nh 7.4 chØ ra r»ng, trong thêi gian (t) cña mét trËn m­a b·o cã c­êng ®é m­a r¬i (i) lín h¬n tèc ®é thÊm (f) do søc hót bÒ mÆt ®Êt do ®ã sÏ xuÊt hiÖn mét l­îng gi¸ng thuû cã hiÖu qu¶ (Pe), ch¶y qua bÒ mÆt ®Êt nh­ dßng ch¶y trµn (Qo). SÏ x¶y ra tr­êng hîp kh«ng cã dßng ch¶y trµn nÕu c­êng ®é trËn m­a (i) thÊp h¬n kh¶ n¨ng thÊm (f). Sù thÊm trªn mÆt sÏ diÔn ra tr­íc hÕt lµm ®Çy ¾p c¸c lç rçng, khe nøt ®­îc xem nh­ mét kho chøa n­íc trong ®Êt cho ®Õn khi ®¹t tíi kh¶ n¨ng tr÷ Èm trong ®Êt b·o hoµ, sau ®ã sù thÊm sÏ chuyÓn ®éng tíi c¸c tÇng ®Êt läc sau ®ã chuyÓn ®éng tíi tÇng chøa n­íc ngÇm vµ t¹o thµnh dßng ch¶y ngÇm (Qg) vµ l­îng (Qg) cuèi cïng còng ®i tíi lßng dÉn dßng s«ng ngßi. Horton (1933) ®· ®Ò xuÊt r»ng kh¶ n¨ng thÊm mÆt (f) qua mét chu tr×nh ®­îc x¸c ®Þnh râ rµng cho mçi thêi kú m­a lò (Xem thªm môc 6.4.2). B¾t ®Çu trËn m­a gi¸ trÞ cùc ®¹i cña thÊm bÒ mÆt xuÊt hiÖn, f gi¶m dÇn. §Çu tiªn gi¸ trÞ f gi¶m rÊt nhanh sau ®ã gi¶m dÇn vµ ®­îc m« t¶ bëi ®­êng cong thÊm. Nguyªn nh©n cña hiÖn t­îng 223 nµy nh­ lµ mét kÕt qu¶ cña sù Ðp (nÐn) cña bÒ mÆt ®Êt bëi c¸c giät m­a r¬i, sù phång lªn cña c¸c h¹t ®Êt lµm ®ãng kÝn nh÷ng vÕt r¹n nøt do søc ®èt cña mÆt trêi vµ nh÷ng khe hë kh¸c vµ sù bÝt kÝn cña nh÷ng khe hë bëi sù lµm ­ít cña c¸c h¹t mÞn ®Êt sÐt. Sau sù gi¶m nhanh ban ®Çu, kh¶ n¨ng thÊm trë nªn æn ®Þnh hoÆc chØ gi¶m rÊt chËm trong phÇn cßn l¹i cña trËn m­a lò vµ b¾t ®Çu kh«i phôc ngay lËp tøc tr¹ng th¸i æn ®Þnh sau khi kÕt thóc m­a lò. ¤ng ®· x¸c nhËn r»ng chu tr×nh nµy cña kh¶ n¨ng thÊm do sù ho¹t ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi tÝnh chÊt vËt lý cña ®Êt lµm h¹n chÕ mét líp máng ë bÒ mÆt ®Êt ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh thÊm. NhiÒu ho¹t ®éng thÝ nghiÖm sau nµy ®· x¸c nhËn h×nh d¹ng chung cña ®­êng cong kh¶ n¨ng thÊm, nh­ng ®· chØ ra r»ng sù gi¶m nhanh cña kh¶ n¨ng thÊm còng do nh÷ng nh©n tè t¸c ®éng bªn trong hiÖn tr¹ng ®Êt, ®Æc biÖt lµ ®­êng dÉn dßng dµi ra cña viÖc läc n­íc qua trËn m­a, gradien ®é Èm ban ®Çu vµ sù biÕn ®æi cña tÝnh dÉn thñy lùc theo chiÒu s©u. H×nh 7.4 ¶nh h­ëng cña gi¸ng thñy ®Õn dßng ch¶y: lý thuyÕt Horton Nh÷ng ®iÒu kiÖn lý t­ëng thuËn lîi cho ph¸t sinh cña 'dßng ch¶y trµn Horton' lµ ë n¬i ®Êt trÇn trôi bÞ ph¬i bµy cho t¸c ®éng cña giät m­a, nh­ ë nh÷ng vïng b¸n kh« h¹n vµ kh« h¹n ë vïng ®«ng nam Hoa Kú, n¬i mµ Horton thùc hiÖn nh÷ng kh¶o s¸t cña «ng (Xem môc 7.3.2). ThËm chÝ ë ®©y, dßng ch¶y trµn ®­îc ph¸t sinh bëi chØ mét tØ lÖ nhá qua nh÷ng trËn m­a. H¬n n÷a, sù xuÊt hiÖn cña ch¶y trµn ®· lµm thay ®æi ®é Èm ®Êt theo kh«ng gian trong mét l­u vùc vµ dßng ch¶y trµn cã xu h­íng tËp trung ë n¬i cã líp phñ vá cøng ®Êt. §iÒu nµy ®· ®­îc Zhu vµ nh÷ng ng­êi kh¸c (1997) t×m thÊy râ rµng ë nh÷ng vïng cao nguyªn Loess cña Trung Quèc vµ ë vïng Sahel cña Niger. ë hai vïng nµy c¸c líp phñ vá cøng bÒ mÆt thÊm thÊp ph¸t triÓn, thËm chÝ trªn ®Êt pha c¸t d­íi s©u cã trång trät. §ã lµ nguyªn nh©n lµm t¨ng sè l­îng ®¸ng kÓ cña dßng ch¶y trµn (Rockstrom vµ Valentin, 1997). Trong nh÷ng phÇn cña sa m¹c Negev, Israel, n¬i mµ cã líp phñ ®Êt mÆt b»ng ®ång cá tån t¹i trong suèt thêi gian trËn m­a, th× l­îng n­íc thÊm ®Çu tiªn th­êng chØ vµi millimet cã thÓ x©m nhËp qua nh÷ng vÕt r¹n nøt v©n v©n... Sau ®ã trªn líp vá b¾t ®Çu cã hiÖn t­îng n­íc ch¶y ë trªn mÆt gièng nh­ hiÖu øng n­íc ch¶y trªn bÒ mÆt ®­êng r¶i nhùa (Van der Molen, 1983). Tãm l¹i, nh÷ng hiÖn t­îng liªn quan ®Õn chu tr×nh kh¶ n¨ng thÊm mÆt trong sù biÕn ®æi ng¾n h¹n cña dßng ch¶y nh­ sau: M­a c­êng ®é cao xuÊt hiÖn lín h¬n c­êng ®é thÊm do ®ã lµm xuÊt hiÖn dßng ch¶y trµn trong toµn bé thêi gian mét trËn m­a lò, mÆc dï hiÖn t­îng nµy hiÕm khi xuÊt hiÖn trªn toµn bé giíi h¹n cña l­u vùc. M­a c­êng ®é trung b×nh sÏ kh«ng ph¸t sinh dßng ch¶y trµn cho ®Õn khi kh¶ n¨ng 224 thÊm ban ®Çu gi¶m ®i vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ æn ®Þnh. M­a c­êng ®é thÊp kh«ng thÓ ph¸t sinh dßng ch¶y trµn trªn l­u vùc. H¬n n÷a kh¶ n¨ng thÊm sÏ gi¶m bít liªn tôc qua nh÷ng trËn m­a lò xuÊt hiÖn nèi tiÕp rÊt gÇn nhau. Qua nh÷ng trËn m­a r¬i muén liªn tôc trong chuçi b·o lò th× viÖc s¶n sinh dßng ch¶y trµn nhiÒu h¬n, dßng ch¶y lò lín h¬n h¬n. 7.4.2 Gi¶ thuyÕt Hewlett Hewlett cho r»ng (Hewlett, 1961 A; Hewlett vµ Hibbert, 1967) trªn nhiÒu diÖn tÝch l­u vùc, thËm chÝ trong thêi gian gi¸ng thuû kÐo dµi vµ m·nh liÖt, tÊt c¶ gi¸ng thuû thÊm vµo mÆt ®Êt (H×nh 7.5 (a)). Sù thÊm mÆt vµ dßng ch¶y s¸t mÆt bªn trong hiÖn tr¹ng ®Êt g©y nªn sù t¨ng mÆt n­íc ngÇm vµ lµm b·o hßa bÒ mÆt nÒn, tr­íc hÕt ë nh÷ng vïng mÆt n­íc ngÇm n«ng n»m ngay liÒn kÒ nh÷ng lßng dÉn s«ng suèi (H×nh 7.5 (b)) vµ sau ®ã lan ®Õn nh÷ng dèc thung lòng thÊp h¬n. Trong nh÷ng vïng b·o hßa bÒ mÆt nµy kh¶ n¨ng thÊm n­íc vµo ®Êt lµ b»ng 0 ®èi víi tÊt c¶ gi¸ng thuû r¬i trªn mÆt ®Êt. §èi víi bÊt kú c­êng ®é m­a nµo, gi¸ng thuû lµ gi¸ng thñy hiÖu qu¶ (Pe) hoÆc lµ dßng ch¶y trµn. Chóng ta cã thÓ gäi dßng ch¶y nµy lµ dßng ch¶y trµn b·o hßa (Q0(s)), tr¸i víi dßng ch¶y trµn v­ît qu¸ thÊm (Qo) ®· ®­îc Horton ®­a ra ë trªn. Theo Hewlett, chØ ë nh÷ng vïng ®· b·o hoµ l­u vùc ho¹t ®éng cña dßng ch¶y nh­ mét nguån cña dßng ch¶y nhanh; tÊt c¶ c¸c vïng kh¸c cña l­u vùc hót m­a r¬i vµ hoÆc tr÷ nã hoÆc vËn chuyÓn cña n­íc lµ chuyÓn ®éng cña n­íc d­íi ®Êt. Còng cÇn chó ý r»ng vïng cã nguån cho dßng ch¶y chuyÓn ®éng nhanh cã kÝch th­íc biÕn ®æi vµ t¨ng lªn cïng víi qu¸ tr×nh m­a. Mét trong nh÷ng sù trïng hîp thó vÞ ®ã mµ d­êng nh­ ®Æc tr­ng cho sù tiÕn bé khoa häc, nh÷ng ý t­ëng t­¬ng tù ®­îc c¶i tiÕn mét c¸ch ®éc lËp ë Ph¸p bëi Cappus (1960) xuÊt hiÖn ®ång thêi víi gi¶ thuyÕt cña Hewlett. Cappus ®· cã hç trî cho Hewlett bëi c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ë møc ®é ph¸t triÓn nghiªn cøu d¹ng sù chuyÓn ®éng cña n­íc ë tÇng d­íi mÆt ®Êt qua nh÷ng mÆt c¾t dèc thung lòng. §iÒu nµy vÒ sau ®­îc kh¸i qu¸t hãa bëi Toth (1962) trong m« h×nh ®­êng trung tuyÕn cña «ng. (Xem H×nh 5.14), h×nh nµy cho thÊy r»ng sù thÊm vµo trong ®Êt vµ sù läc xuèng phÝa d­íi ë phÇn trªn dèc, sù chuyÓn ®éng n­íc theo h­íng ngang xuyªn ë gi÷a dèc vµ sù chuyÓn ®éng h­íng lªn gÇn ch©n dèc ®Òu ph¶n ¸nh d¹ng phæ biÕn cña ¸p suÊt n­íc trong lç hæng. Trong nh÷ng tr­êng hîp nh­ vËy sù t¨ng ¸p suÊt theo chiÒu s©u ë c¸c dèc thÊp h¬n lµm thuËn lîi cho sù b·o hßa nhanh chãng cña c¸c líp bÒ mÆt. ThËm chÝ víi nh÷ng sè l­îng cña n­íc ®­îc thªm vµo mÆt c¾t ®Êt kh«ng lín còng lµm t¨ng sù thÊm vµo tÇng s¸t mÆt hoÆc t¨ng dßng ch¶y s¸t mÆt tÇng n«ng. Kh¶ n¨ng nµy ®· ®­îc dù ®o¸n trong hai thËp niªn gÇn ®©y do Vaidhianathan vµ Singh (1942) vµ c¬ së vËt lý cña nã vÒ sau ®­îc m« t¶ chi tiÕt bëi Gillham (1984). 225 H×nh 7.5 ¶nh h­ëng cña gi¸ng thñ