Phân tích quan hệ mưa - Dòng chảy

Ch−¬ng 2. Ph©n tÝch quan hÖ m−a - dßng ch¶y ¶nh: C¸c ng«i nhµ trªn b·i båi 2.1. C¸c quan hÖ m−a dßng ch¶y Khi c−êng ®é m−a hay c−êng ®é tuyÕt tan lín h¬n c−êng ®é thÊm trªn mÆt ®Êt n−íc sÏ dÇn tÝch tô vµo nh÷ng vïng tròng ®−îc h×nh thµnh bëi h×nh d¹ng bÒ mÆt l−u vùc. Sau ®ã t¹i nh÷ng n¬i nµy trªn l−u vùc sÏ sinh ra dßng trµn hay ch¶y trªn bÒ mÆt. Chóng nhanh chãng tËp trung l¹i thµnh c¸c r·nh nhá hay lµ c¸c kªnh, nh÷ng r·nh hay c¸c kªnh nµy l¹i tËp trung thµnh nh÷ng dßng ch¶y lín h¬n (nh− ®· tr×nh bµy trong phÇn 1.6). Dßng ch¶y s¸t mÆt vµ dßng ch¶y c¬ b¶n còng cã thÓ biÓu diÏn thµnh ®−êng qu¸ tr×nh l−u l−îng do m−a sinh ra. Toµn bé dßng ch¶y ®−îc sinh ra tõ mét l−îng m−a nhÊt ®Þnh trªn mét l−u vùc ®Òu ®−îc c¸c nhµ thuû v¨n quan t©m, hä ®· lµm ph©n tÝch th«ng kª c¸c sè liÖu thuû v¨n nh−; l−îng m−a, l−îng bèc h¬i, vµ sè liÖu dßng ch¶y ®Ó ph¸t triÓn quan hÖ dù b¸o. C¸c yÕu tè nh− ; l−îng m−a thêi ®iÓm tr−íc, lo¹i ®Êt, tham sè thÊm vµ sù thay ®æi theo 96 mïa cña dßng ch¶y còng g©y nªn nh÷ng quan hÖ phøc t¹p. Mét sè c¸c nhµ nghiªn cøu ®· cè g¾ng t×m hiÓu quan hÖ m−a- dßng ch¶y ®Ó ¸p dông cho nhiÒu vïng, nhiÒu l−u vùc víi nh÷ng ®Æc tr−ng kh¸c nhau. Tuy nhiªn khi sö dông nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy ph¶i chó ý v× sù thay ®æi c¸c nh©n tè sÏ ¶nh h−ëng ®Õn viÖc tÝnh to¸n dßng ch¶y khi ®· biÕt l−îng m−a. Kholer & Linsley (1951) ®· cho thÊy mèi quan hÖ gi÷a thêi gian m−a vµ chØ sè gi¸ng thuû tr−íc ®ã (API). ChØ sè nµy ®Æc tr−ng cho ®é chøa n−íc cña ®Êt khi kh«ng m−a. C¬ quan b¶o vÖ tµi nguyªn ®Êt (1964) ®· chØ ra tÝnh −u viÖt cña ®−êng cong quan hÖ m−a- dßng ch¶y. §−êng cong nµy bao gåm c¶ yÕu tè diÖn tÝch ®Êt, lo¹i ®Êt, tæn thÊt ban ®Çu cña dßng ch¶y trùc tiÕp (phÇn 2.4). Nhµ ®Þa lý ng−êi Mü Survey ®· më réng ph¹m vi nghiªn cøu vµ thu thËp c¸c sè liÖu ®Æc tr−ng c¬ b¶n thuû v¨n theo tõng giê, tõng ngµy cho mét l−u vùc nhÊt ®Þnh ®Ó t¹o quan hÖ m−a- dßng ch¶y theo tõng n¨m. Hµng n¨m quan hÖ m−a- dßng ch¶y thay ®æi theo mïa vµ phô thuéc vµo søc chøa kh¸c, v× vËy quan hÖ l−îng n−íc tæn thÊt cã thÓ lÊy xÊp xØ theo sù suy gi¶m tuyÕn tÝnh cña dßng ch¶y. Nh÷ng quan hÖ m−a- dßng ch¶y ®¬n gi¶n th−êng th−êng ®−îc sö dông trong kÕ ho¹ch nghiªn cøu nguån n−íc chØ ë nh÷ng n¬i mùc n−íc c©n b»ng. Yªu cÇu hiÓu biÕt mét c¸ch chi tiÕt c−êng ®é, thêi gian ph©n bè cña l−îng m−a vµ dßng ch¶y ®Ó phôc vô cho viÖc kiÓm so¸t lò vµ nghiªn cøu b·i ngËp, ®Æc biÖt trong vïng ®« thÞ. Mét trong sã nh÷ng c«ng thøc m−a dßng ch¶y ®¬n gi¶n nhÊt ®−îc gäi lµ ph−¬ng ph¸p tû lÖ. Nã cho phÐp dù b¸o l−u l−îng cùc ®¹i Qp theo: Qp = CIA ë ®©y: C = hÖ sè dßng ch¶y phô thuéc vµo ®Êt sö dông I = c−êng ®é m−a, coi thêi gian m−a = thêi gian tËp trung n−íc tc tc = thêi gian l−îng n−íc vËn chuyÓn tõ mét ®iÓm xa nhÊt trªn l−u vùc tíi mÆt c¾t khèng chÕ (phót, giê) A = diÖn tÝch l−u vùc Ph−¬ng ph¸p tû lÖ th−êng ®−îc coi lµ cña Kuichling (1889) vµ Lloyd-Davies(1906), nh−ng Munvaney (1851) ®· cã mét bµi b¸o tæng kÕt vÒ ph−¬ng ph¸p nµy ë Island. C¬ së lý thuyÕt cña ph−¬ng ph¸p víi gi¶ thiÕt lµ c−êng ®é m−a ®ång nhÊt vµ æn ®Þnh sÏ sinh ra dßng ch¶y lín nhÊt khi toµn bé c¸c thµnh phÇn cña l−u vùc ®Òu sinh l−îng dßng ch¶y khi thêi gian tËp trung n−íc x¶y ra. Ch−¬ng 6 (phÇn 6.4) vµ ch−¬ng 9 (phÇn 9.3) ®· tr×nh bµy mét c¸ch chi tiÕt c¬ së lý thuyÕt vµ vÝ dô øng dông cña ph−¬ng ph¸p tû lÖ. Ph−¬ng ph¸p ®· ®−îc më réng ®Ó tÝnh to¸n cho c¶ khu vùc cã l−îng m−a kh«ng ®ång nhÊt vµ diÖn tÝch l−u vùc thay ®æi th«ng qua viÖc sö dông ph−¬ng ph¸p thêi gian- diÖn tÝch. §−êng cong quan hÖ thêi gian - diÖn tÝch cho biÕt sù ph©n bè thêi gian di chuyÓn tõ nh÷ng vïng kh¸c nhau trªn l−u vùc (phÇn 2.2) ph−¬ng ph¸p tû lÖ trong phÇn ®Çu lµ ®Þnh nghÜa ®−êng qu¸ tr×nh m−a, phÇn sau lµ thõa nhËn ®Ó ph¸t triÓn häc thuyÕt ®−êng qu¸ tr×nh vµ sù phï hîp ho¸ ph−¬ng ph¸p ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n cho viÖc ph©n tÝch l−îng m−a trªn l−u vùc phøc t¹p vµ diÖn tÝch réng. 97 2.2. ph©n tÝch ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n HiÖn t−îng dßng ch¶y mÆt H×nh 2.1. Sù ph©n bè l−îng m−a ®ång nhÊt Mét ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n lµ sù biÓu diÔn liªn tôc quan hÖ l−u l−îng - thêi gian. Nã lµ kÕt qu¶ tæng hîp c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa lý vµ khÝ t−îng trong mét l−u vùc vµ ph¶n ¸nh sù ¶nh h−ëng tæng céng cña c¸c nh©n tè : khÝ hËu, tæn thÊt thuû v¨n, dßng ch¶y mÆt, dßng s¸t mÆt vµ dßng ngÇm. C¸c nh©n tè khÝ hËu ¶nh h−ëng tíi thÓ tÝch dßng ch¶y vµ h×nh d¹ng ®−êng qu¸ tr×nh gåm: a) C−êng ®é vµ d¹ng qu¸ tr×nh m−a, b) Sù ph©n bè l−îng m−a trªn l−u vùc, c) Thêi gian trËn m−a C¸c nh©n tè ®Þa lý tù nhiªn quan träng nhÊt gåm: a) KÝch th−íc vµ h×nh d¹ng vïng tiªu n−íc b) B¶n chÊt m¹ng l−íi s«ng c) §é ®èc cña ®Êt vµ c¸c kªnh dÉn d) Kho chøa trong l−u vùc (Sherman 1932). Víi mét l−îng m−a x¸c ®Þnh, tæn thÊt thuû v¨n gåm: ngÊm, sù lÊp ®Çy c¸c kho n−íc ngÇm, sau ®ã míi sinh dßng ch¶y ®iÒn tròng råi dÇn dÇn di chuyÓn vµo c¸c r·nh nhá hay c¸c kªnh nhá vµ cuèi cïng nh÷ng dßng ch¶y nµy tËp trung thµnh dßng ch¶y chÝnh cña mét l−u vùc. Mét l−îng n−íc khi ngÊm vµo ®Êt cã thÓ di chuyÓn th¼ng ®øng lªn tÇng trªn cho ®Õn khi n−íc x©m nhËp vµo dßng ch¶y gäi lµ l−îng nhËp hay dßng ch¶y s¸t mÆt. L−îng gi¸ng thuû cã thÓ bæ sung cho n−íc mÆt hoÆc thÊm xuèng ®Êt t¹o 98 nªn dßng ch¶y c¬ së nÕu n−íc trªn bÒ mÆt c¾t dßng ch¶y trong kªnh. §å thÞ bao gåm mét nh¸nh lªn, mét ®iÓm cùc ®¹i vµ mét nh¸nh xuèng lµ kh«ng ®æi nÕu l−îng m−a lµ liªn tôc víi c−êng ®é kh«ng ®æi, ®Õn khi l−u l−îng ®¹t ®Õn ®iÓm c©n b»ng, ë ®ã l−îng nhËp vµ l−îng ra lµ c©n b»ng (h×nh 2.2). §iÓm p cho biÕt thêi gian mµ t¹i ®ã l−u l−îng nhËp vµo ®Òu, sinh ra dßng ch¶y tc, ®iÒu kiÖn l−u l−îng c©n b»ng trong tù nhiªn rÊt Ýt khi x¶y ra ngo¹i trõ l−u vùc nhá v× c−êng ®é vµ thêi gian m−a trong tù nhiªn lµ kh«ng ®ång nhÊt. H×nh 2.2. BiÓu ®å thuû v¨n c©n b»ng H×nh 2.3. Quan hÖ biÓu ®å DRO 99 Dßng ch¶y c¬ së trong lßng dÉn tù nhiªn do sù ph©n bè n−íc ngÇm n«ng lµ mét thµnh phÇn cña ®å thÞ trong mét l−u vùc tù nhiªn réng lín, dßng ch¶y chuÈn cã thÓ lµ mét nh©n tè quan träng cña dßng ch¶y trong khi nã cã thÓ bÞ bá qua trong l−u vùc nhá, l−u vùc ®« thÞ, n¬i mµ dßng ch¶y trµn lµ chñ yÕu. Dßng ch¶y c¬ së ®−îc t¸ch ra vµ lo¹i trõ trong toµn bé l−îng m−a ®Ó tÝnh ®å thÞ dßng ch¶y trùc tiÕp (DRO), thÓ tÝch n−íc d−íi ®å thÞ (DRO) ph¶i t−¬ng øng víi l−îng m−a hiÖu qu¶ hoÆc l−îng m−a cßn l¹i sau khi trõ ®i l−îng thÊm vµ l−îng n−íc tæn thÊt ë kho trong toµn bé l−îng m−a thu ®−îc (h×nh 2.3). §å thÞ DRO cho biÕt l−îng m−a hiÖu qu¶ cña mét l−u vùc t−¬ng øng víi thêi gian vµ quan hÖ gi÷a thêi gian vµ c−êng ®é m−a nh− lµ c¸c nh©n tè ®Þa lý tù nhiªn. C¸c thµnh phÇn cña ®−êng qu¸ tr×nh Mét ®å thÞ ®−îc t¹o nªn tõ sù thay ®æi c¸c nh©n tè nh− dßng ch¶y trµn hay dßng ch¶y mÆt, dßng ch¶y ngÇm hay dßng ch¶y c¬ së vµ dßng ch¶y s¸t mÆt tõ l−îng n−íc thÊm lµ l−îng n−íc vËn chuyÓn theo ph−¬ng th¼ng ®øng råi x©m nhËp vµo dßng ch¶y ë tÇng ®Êt phÝa trªn. C¸c quan hÖ cña c¸c thµnh phÇn trong ®å thÞ phô thuéc vµo c−êng ®é m−a r¬i (i) còng nh− lµ tr÷ l−îng Èm cña ®Êt SDvs (h×nh 2.3) vµ dung tÝch thÊm F ®−îc x¸c ®Þnh nh− lµ tæng l−îng n−íc ®−îc h×nh thµnh trong ®Êt sau khi m−a (Horton 1935). Kh«ng cã dßng ch¶y trµn nµo x¶y ra khi i < f, dßng s¸t mÆt vµ dßng ngÇm b»ng kh«ng, nÕu F < do l−îng Èm cßn tån t¹i trõ khi n−íc ngÇm ®Õn tõ l−îng tr÷ ngÇm trong thêi gian nhiÒu n¨m. Tr−êng hîp mµ c¶ i > f vµ F> Sd lµ m−a lín lóc ®ã dßng ch¶y trùc tiÕp, dßng ngÇm, dßng s¸t mÆt ®Òu ®−îc sinh ra. L−îng gi¸ng thuû còng ®ãng gãp mét phÇn, tuy nã lµ nh©n tè kh«ng ¶nh h−ëng lín ®Õn toµn bé dßng ch¶y Dßng ch¶y mÆt lµ mét nh©n tè quan träng trong mäi tr−êng hîp khi x¶y ra m−a víi c−êng ®é cao hoÆc qu¸ tr×nh ®« thÞ ho¸ chËm lµm ®Ønh ®å thÞ dÑt vµ rót ng¾n thêi gian tíi ®Ønh. Dßng ch¶y s¸t mÆt lµ mét yÕu tè quan träng ¶nh h−ëng ®Õn c−êng ®é m−a thêi ®o¹n trªn l−u vùc trong c¶ trËn m−a, nã cã quan hÖ víi líp ®Êt máng n»m trªn ®¸ cøng hoÆc trªn líp ®Êt cøng. NÕu n−íc ngÇm ®æ vµo s«ng suèi trong suèt thêi kú m−a lín, s«ng nµy gäi lµ s«ng cÊp n−íc. Cßn nÕu dßng ch¶y tõ s«ng vµo n−íc ngÇm nh− trong tr−êng hîp mïa kiÖt s«ng nµy gäi lµ s«ng mÊt n−íc. Trong thùc tÕ, tæng dßng ch¶y ph©n chia thµnh hai phÇn: dßng ch¶y trùc tiÕp vµ dßng ch¶y c¬ së. Nh− h×nh 2.3, DRO cã thÓ bao gåm c¶dßng ch¶y s¸t mÆt, khi mµ dßng ch¶y c¬ së chñ yÕu lµ dßng ch¶y ngÇm. §å thÞ h×nh 2.3 bao gåm mét nh¸nh lªn, ®Ønh lò, mét nh¸nh xuèng vµ ch©n lò. §é dèc nh¸nh lªn ®−îc x¸c ®Þnh bëi c−êng ®é m−a vµ ®iÓm uèn ë nh¸nh xuèng, th−êng thêi gian t¹i ®ã l−îng nhËp bÒ mÆt dõng l¹i, l−îng n−íc ngÇm trªn l−u vùc b¾t ®Çu cÊp n−íc cho s«ng suèi. Nh¸nh xuèng vµ sù ph©n chia dßng ch¶y Mét vµi c¬ chÕ tån t¹i ®Ó ph©n chia DRO tõ dßng ch¶y c¬ së dùa vµo sù ph©n tÝch ®−êng cong triÕt gi¶m n−íc ngÇm. Trong mét sè tr−êng hîp, ®−êng cong nµy ®−îc m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh d¹ng tæng qu¸t: qt = q0.e-kt (2.1) ë ®©y 100 q0 = l−u l−îng ban ®Çu qt = l−u l−îng t¹i thêi ®iÓm t k = hÖ sè gi¶m. H×nh 2.4. Ph©n chia dßng ch¶y chuÈn Nh÷ng ph−¬ng tr×nh d¹ng nµy th−êng ®−îc dïng trong viÖc thiÕt kÕ ®Ó nhËn ®Þnh møc ®é tæn thÊt ban ®Çu. Ph−¬ng tr×nh 2.1 sÏ ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng ®−êng th¼ng trong l−íi logarit. Sai sè gi÷a ®−êng cong nµy vµ ®−êng cong tæng hîp ®−îc biÓu diÔn trªn cïng mét lo¹i giÊy thÓ hiÖn DRO. Trong thùc tÕ, dßng ch¶y c¬ së gi¶m xuèng vµ ®−îc më réng xuèng phÝa d−íi ®Ønh cña ®−êng cong råi sau ®ã nèi c¸c ®iÓm ë cuèi dßng ch¶y mÆt (ABD h×nh 2.4). Nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh¸c còng sö dông cho sù ph©n chia dßng ch¶y c¬ së bao gåm mét ®−êng th¼ng ®¬n tõ A tíi D h×nh 2.4. Nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy cã ®iÓm bÊt lîi lµ phô thuéc vµo tÝnh chñ quan nªn th−êng kh«ng chÝnh x¸c. Sù ph©n chia dßng ch¶y c¬ së mang tÝnh kü n¨ng h¬n tÝnh khoa häc. Vµ nhiÒu tr−êng hîp ®Æc biÖt cÇn chó ý nh− l−u vùc ®« thÞ , dßng ch¶y c¬ së th−êng kh«ng ®−îc chó ý v× nã kh«ng ¶nh h−ëng lín ®Õn tæng l−îng dßng ch¶y. Trong tù nhiªn, ë nh÷ng s«ng lín, dßng ch¶y c¬ së rÊt quan träng do sù ph©n bè l−îng n−íc däc hai bê s«ng. BÊt cø mét ph−¬ng ph¸p nµo ®−îc chän ®Ó ph©n chia dßng ch¶y c¬ së, c¸c nhµ thuû v¨n ®Òu nªn chuÈn ho¸ ®Ó c¸c ®å thÞ cã thÓ so s¸nh trËn m−a nµy víi trËn m−a kh¸c, l−u vùc nµy vµ l−u vùc kh¸c. m−a hiÖu qu¶ vµ ®−êng qu¸ tr×nh HiÖn t−îng dßng ch¶y mÆt ®· ®uîc xem xÐt trong phÇn 2.1 ®· cho thÊy sù ph©n 101 chia l−îng m−a mét c¸ch râ rÖt thµnh c¸c thµnh phÇn nh−: ngÊm, n−íc ngÇm, ®iÒn tròng vµ dßng ch¶y trùc tiÕp. Ta cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh c©n b»ng cña n−íc. L−îng m−a tÝnh to¸n = §iÒn tròng + Bèc h¬i + NgÊm + Dßng ch¶y mÆt trong ®ã ®iÒn tròng bao gåm toµn bé dßng ch¶y mÆt, nã lµ thµnh phÇn quan träng ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian ph©n bè cña l−îng m−a tÝnh to¸n hoÆc l−îng m−a hiÖu qu¶, vµ b»ng dßng ch¶y trùc tiÕp + tr÷ l−îng n−íc trong l−u vùc trong mét kho¶ng thêi gian dµi. H×nh 2.5. §−êng cong tæn thÊt do thÊm Nh×n chung, nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh l−îng m−a hiÖu qu¶ b»ng viÖc sö dông lý thuyÕt ngÊm cña Horton vµ Green Ampt víi l−îng tæn thÊt ban ®Çu do ngÊm hoÆc lÊp ®Çy c¸c vòng trªn bÒ mÆt ®Êt, hoÆc ph−¬ng ph¸p chØ sè Φ, ®ã lµ tû lÖ tæn thÊt kh«ng ®æi trong suèt thêi kú m−a r¬i. Nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy ®· ®−îc miªu t¶ chi tiÕt trong phÇn 1.5 vµ lµ ph−¬ng ph¸p ®−îc sö dông trong m« h×nh HEC - 6 (xem ch−¬ng 5), lµ mét hµm gi¶m. M« h×nh nµy cho thÊy c−êng ®é m−a vµ tæn thÊt tr−íc ®ã theo quy luËt hÖ sè tæn thÊt lµ rÊt khã x¸c ®Þnh vµ ph−¬ng ph¸p chØ sè Φ ®¬n gi¶n ho¸ vµ ®−îc sö dông nhiÒu h¬n do sè liÖu kh«ng nhiÒu cho sù ph©n bè thÊm theo thêi gian (h×nh 2.5). Chó ý chØ sè Φ ®−îc sö dông vµ cho biÕt l−îng tæn thÊt Ýt ë ®Çu thêi ®o¹n m−a vµ nhiÒu ë cuèi thêi ®o¹n m−a.VÝ dô 2.1 miªu t¶ qu¸ tr×nh tÝnh l−îng m−a tÝnh to¸n tæng l−îng m−a c¶ qu¸ tr×nh. vÝ dô 2.1 l−îng m−a hiÖu qu¶ M−a xuÊt hiÖn nh− ®−êng qu¸ tr×nh m−a (c−êng ®é vµ thêi gian) trªn h×nh E2.1a chØ sè Φ cho trËn m−a lµ 0.5 in/giê, biÓu diÔn l−îng m−a hiÖu qu¶ trªn ®å thÞ (l−u l−îng - thêi gian)trong h×nh E2.1, x¸c ®Þnh thÓ tÝch dßng ch¶y trªn l−u vùc. 102 gi¶i Ban ®Çu chóng ta vÏ ®−êng qu¸ tr×nh ph©n bè m−a nh− h×nh E2.1b sau ®ã ®−a nã vµo ®å thÞ ë phÝa trªn gãc tr¸i h×nh E2.1c, chó ý r»ng l−îng m−a ë thêi ®iÓm t = 4, t = 5 lµ b»ng 0 nh−ng thêi gian m−a vÉn xÐt lµ 5 giê. Tæng l−îng dßng ch¶y lµ diÖn tÝch d−íi ®å thÞ, ®Ó x¸c ®Þnh tæng l−îng dßng ch¶y chóng ta dïng tæng diÖn tÝch Q.dt, ®å thÞ nµy cho thÊy thÓ tÝch theo d¹ng cét nh− h×nh E2.1b. H×nh E2.1a H×nh E2.1b H×nh E2.1c H×nh E2.1d 103 Mét sè ph−¬ng ph¸p kh¸c cã thÓ sö dông ®−îc nh− h×nh E2.1d nh−ng cÇn sö dông c¶ l−íi phñ, m¸y ®o diÖn tÝch ®Ó ®o diÖn tÝch d−íi ®−êng cong ph©n bè b»ng tæng l−îng dßng ch¶y vµ c¸c ph−¬ng ph¸p to¸n häc nh− phÐp tÝnh tÝch ph©n Simpson. L−îng m−a hiÖu qu¶ ban ®Çu ®· x¸c ®Þnh cho mét l−u vùc sau ®ã trë thµnh vÊn ®Ò trung t©m cña c¸c c«ng tr×nh thuû v¨n ®Ó biÕn ®æi l−îng m−a hiÖu qu¶ thµnh dßng ch¶y trùc tiÕp bÒ mÆt. BiÓu ®å thuû v¨n kÕt qu¶ ®−îc x©y dùng tõ ph©n bè dßng trµn vµ dßng ch¶y kªnh ®Õn tõ nh÷ng thêi gian kh¸c nhau vµ nh÷ng ®iÓm kh¸c nhau trªn l−u vùc. Tæng l−îng n−íc theo ®−êng qu¸ tr×nh h×nh cét trong h×nh E2.1d ®· ®−îc tÝnh to¸n trong b¶ng sau: Thêi gian(giê) L−u l−îng trung b×nh (ft3/s) ThÓ tÝch (ft3/s.giê) 0-2 100 200 2-4 300 600 4-6 500 1000 6-8 700 1400 8-10 650 1300 10-12 600 1200 12-14 500 1000 14-16 400 800 16-18 300 600 18-20 200 400 20-22 150 300 22-24 100 200 24-26 50 100 ∑ −== )9100/(9100 in(acgiê)ft 3dtQ Thêi gian vËn ®éng cña dßng ch¶y trµn vµ dßng ch¶y trong kªnh phô thuéc vµo diÖn tÝch l−u vùc. Thêi gian vËn chuyÓn dßng ch¶y trµn th−êng cã ý nghÜa trong mét l−u vùc nhá, cßn thêi gian di chuyÓn dßng ch¶y trong kªnh l¹i cã ý nghÜa ®èi víi l−u vùc lín. C¸ch tèt nhÊt ®Ó t×m ®−îc l−îng m−a hiÖu qu¶ vµ t¹o ra ®å thÞ nh− thÕ nµo? Dùa vµo ®Þnh nghÜa cña ®å thÞ thèng kª thêi gian – diÖn tÝch cho thÊy ph−¬ng ph¸p nµy gi¶ thiÕt r»ng ®−êng qu¸ tr×nh l−îng th¸o lµ l−îng n−íc mµ dßng ch¶y ®−a ra ngoµi, kh«ng xÐt ®Õn c¸c l−îng tr÷ n−íc trong l−u vùc. NÕu l−îng m−a dång nhÊt vµ ®−îc ph©n bè ®Òu trªn toµn bé l−u vùc, n−íc ban ®Çu ch¶y tõ c¸c vïng gÇn nhÊt tíi cöa ra vµ theo thêi gian c¸c diÖn tÝch nµy t¨ng lªn, vÝ dô, trªn h×nh 2.6, ®Çu tiªn vïng A1 ch¶y ra mÆt c¾t khèng chÕ sau ®ã lµ ®Õn mÆt c¾t A2, A3, A4... Ta cã thÓ diÔn gi¶i nh− sau; Qn= Ri A1 + Ri-1 A2 + .... +R1 Aj (2.2) ë ®©y: Qn = tung ®é ®å thÞ t¹i thêi ®iÓm n (ft3/s) Ri = tung ®é l−îng m−a hiÖu qu¶ t¹i thêi ®iÓm i (ft/s) Aj = tung ®é ®−êng cong thêi gian - diÖn tÝch t¹i thêi ®iÓm j (ft2) 104 H×nh 2.6. Ph−¬ng ph¸p thêi gian diÖn tÝch Chó ý r»ng tung ®é ®−êng qu¸ tr×nh ®o m−a kh«ng trïng víi tung ®é ®−êng qu¸ tr×nh thèng kª do dßng ch¶y sinh ra tõ thêi kú m−a R1 ë vïng A3, R2 – A2, R3 – A1. §Õn cöa ra cïng mét thêi ®iÓm sÏ t¹o ra l−u l−îng Q3. Toµn bé ®−êng cong ®−îc thiÕt lËp do c¸c gi¸ trÞ Qi vµ ®−êng cong nµy cho thÊy tÝnh −u viÖt vÒ hiÖn t−îng dßng ch¶y mÆt. Nh−ng tÝnh hîp lý cña nã cßn h¹n chÕ do x©y dùng ®−êng ®¼ng trÞ lµ khã kh¨n vµ do ®−êng cong ph¶i ph¸t triÓn vµ më réng ra c¸c vïng l©n cËn ®Ó thÊy sù ¶nh h−ëng cña c¸c l−îng tr÷ n−íc trong l−u vùc (xem vÝ dô 2.2). Mét kh¸i niÖm truyÒn thèng trong thùc tÕ lµ lý thuyÕt ®−êng cong ®¬n vÞ ®−îc xem nh− mét trong nh÷ng vÊn ®Ò quan träng ®èi víi thuû v¨n liªn quan ®Õn dù b¸o dßng ch¶y mÆt. Häc thuyÕt nµy ®· kÕt hîp ph−¬ng ph¸p thÊm vµ dßng ch¶y lò trong kªnh còng nh− trong hå chøa lµ ®ñ ®Ó ®−a sù thay ®æi ®Çu vµo cña m−a vµ l−îng tr÷ 105 Èm trªn c¸c l−u vùc nhá vµ lín. Ph−¬ng ph¸p thêi gian diÖn tÝch lµ tr−êng hîp ®Æc biÖt cña ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ. vÝ dô 2.2 ®−êng qu¸ tr×nh thêi gian - diÖn tÝch A B C D DiÖn tÝch 100 200 300 100 Thêi gian ®Õn tr¹m G 1 2 3 4 Mét l−u vùc ®−îc chia thµnh nhiÒu phÇn nh− h×nh E2.2a, c¸c dßng ch¶y ë phÇn ®ã t¹o nªn dßng ch¶y ë tr¹m ®o G nh− ®· tr×nh bµy trong b¶ng. Xem xÐt c−êng ®é m−a 0.5 in/giê, m−a r¬i ®ång nhÊt trong 5 giê, gi¶ sö kh«ng tæn thÊt vµ t¹o thµnh ®−êng qu¸ tr×nh h×nh cét nh− h×nh E2.2b trËn m−a ë tr¹m G. gi¶i Ph−¬ng ph¸p ®−êng qu¸ tr×nh thêi gian diÖn tÝch sö dông ph−¬ng tr×nh (2.2): Qn = RiA1 + Ri-1A2 +...+ R1Aj Cho n = 5, i = 5 vµ j = 4 Q5 = R5A1 + R4A2 + R3A3 + R2A4 = 0.5*100 + 0.5*200 + 0.5*300 + 0.5*100 = 350 (ac-in)/giê H×nh E2.2 a H×nh E2.2 b 106 H×nh E2.2c H×nh E2.2d Chó ý r»ng 1 (ac-in)/giê = 1 ft3/s chóng ta cã Q5 = 350 ft3/s KÕt qu¶ ®−êng qu¸ tr×nh cho nh− trong h×nh E2.2c vµ b¶ng tÝnh sau: T(giê) Q(ft3/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 50 150 300 350 350 300 200 50 0 107 B¶ng E 2.2 a. Lêi gi¶i tæng qu¸t to¸n ®å thêi gian-diÖn tÝch A B C D E F G H I J K 1 2 T h êi g ia n ( gi ê) T u n g ®é t o¸ n ® å L − u v ù c sè T h êi g ia n t íi t r¹ m D iÖ n t Ýc h l− u v ù c R1*An R2*An R3*An R4*An R5*An Q ó a tr ×n h m − a 3 4 0 5 1 0.5 A 1 100 $B$5*E5 SUM(F5:J5) 6 2 0.5 B 2 200 $B$5*E6 $B$6*E5 SUM (F6:J6) 7 3 0.5 C 3 300 $B$5*E7 $B$6*E6 $B$7*E5 SUM(F7:J7) 8 4 0.5 D 4 100 $B$5*E8 $B$6*E7 $B$7*E6 $B$8*E5 SUM(F8:J8) 9 5 0.5 $B$6*E8 $B$7*E7 $B$8*E6 $B$9*E5 SUM(F9:J9) 10 6 $B$7*E8 $B$8*E7 $B$9*E6 SUM(F10:J10) 11 7 $B$8*E8 $B$9*E7 SUM(F11:J11) 12 8 $B$9*E8 SUM(F12:J12) 13 9 0 Cét A ®Õn cét E trong b¶ng E2.2a ®−îc so s¸nh víi l−u l−îng trong vÝ dô, cét F ®Õn cét J sö dông nh÷ng sè liÖu nµy ®Ó cã lêi gi¶i. céng c¸c sè liÖu nµy d−îc kÕt qu¶ mét ®−êng qu¸ tr×nh m−a. Tõ lêi gi¶i chi tiÕt theo quy ph¹m trong vÝ dô cô thÓ 2.2, xem phô lôc D6. Sù cã mÆt cña c¸c vïng l©n cËn gióp cho viÖc dù b¸o chÝnh x¸c h¬n bëi kÕt qu¶ cña dßng ch¶y ë mçi vïng nh− h×nh E2.2d, b¶ng E2.2a vµ E2.2b ®−îc sö dông ®Ó gi¶i vÝ dô 2.2. B¶ng E2.2 b Toµn bé c¸c gi¸ trÞ tÝnh to¸n T h êi g ia n ( gi ê) T u n g ®é t o¸ n ® å L − u v ù c sè T h êi g ia n t íi t r¹ m D iÖ n t Ýc h l− u v ù c R1*An R2*An R3*An R4*An R5*An Q ó a tr ×n h m − a 0 0 1 0.5 A 1 100 50 50 2 0.5 B 2 200 100 50 150 3 0.5 C 3 300 150 100 50 300 4 0.5 D 4 100 50 150 100 50 350 5 0.5 50 150 100 50 350 6 50 150 100 300 7 50 150 200 8 50 50 9 0 108 2.3. häc thuyÕt ®−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ Sherman(1932) lµ ng−êi ®· t×m ra häc thuyÕt ®−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ (UH) nã ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: dé dµy líp n−íc lÊy lµ mét in hay mét cm do dßng ch¶y trùc tiÕp ®−îc t¹o ra ®ång nhÊt trªn mét l−u vùc bëi mét trËn m−a cã c−êng ®é ®ång nhÊt trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh ®−îc gäi lµ l−îng cÊp n−íc l−u vùc. Mét sè ®Æc tÝnh vèn cã cña ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ ®· giíi h¹n tÝnh hîp lý cña nã cho mét l−u vùc nhÊt ®Þnh (Jonston & Cross 1949). 1. L−îng m−a v−ît møc cña thêi gian c©n b»ng ®−îc chÊp nhËn ®Ó t¹o nªn qu¸ tr×nh thuû v¨n ®èi víi mét thêi gian t−¬ng øng kh«ng xÐt ®Õn c−êng ®é m−a. 2. Tung ®é dßng ch¶y trùc tiÕp cña mét trËn m−a trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh tû lÖ víi l−îng m−a hiÖu qu¶. 3. Sù ph©n bè dßng ch¶y trùc tiÕp theo thêi gian ®−îc gi¶ ®Þnh ®éc lËp víi l−îng gi¸ng thuû tr−íc ®ã 4. Sù ph©n bè l−îng m−a ®−îc quy ®Þnh gièng nhau theo thêi gian vµ kh«ng gian. C¬ së lý thuyÕt cña häc thuyÕt ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ ®−îc tãm t¾t ng¾n gän nh− sau: C¸c yÕu tè thuû v¨n lµ hµm tuyÕn tÝnh phô thuéc vµo thêi gian (Dooge 1973), ph−¬ng ph¸p tû lÖ vµ nguyªn lý chËp ®Òu ®−îc ¸p dông cho ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ nh−ng chóng kh«ng gi¶i ®−îc mét c¸ch triÖt ®Ó cho ®Õn gi÷a nh÷ng n¨m 50. Thùc tÕ gi¶ ®Þnh, yÕu tè thuû v¨n biÕn ®æi tuyÕn tÝnh vµ thay ®æi theo thêi gian trong mét l−u vùc lµ kh«ng hoµn toµn chÝnh x¸c nh−ng ta vÉn sö dông vµ chÊp nhËn ®−îc. Nh÷ng vÝ dô kh«ng tuyÕn tÝnh tån t¹i trong dßng ch¶y kªnh hë, trong m« h×nh thÝ nghiÖm, vµ diÔn ra trong thùc tÕ. Tuy nhiªn gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh vÉn ®−îc sö dông v× chóng lµ quan hÖ ®¬n gi¶n vµ dÔ x©y dùng vµ nh÷ng kÕt qu¶ thu ®−îc lµ cã thÓ chÊp nhËn trong môc ®Ých thiÕt kÕ. Nguån gèc cña ®−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ. tr¹m ®o l−u vùc Mét lo¹i ®−êng qu¸ tr×nh m−a vµ ®−êng cong l−îng m−a ®−îc tr×nh bµy trong h×nh 2.7a. Dßng ch¶y m−a cho biÕt mèi quan hÖ gi÷a thêi gian vµ l−îng m−a. C¸c tham sè thêi gian nh−: thêi gian m−a hiÖu qu¶ D, thêi gian tíi ®Ønh tp còng ®−îc biÓu diÔn. §−êng cong ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét nh¸nh lªn vµ mét nh¸nh xuèng vµ ®Ønh. H×nh E2.3 m« t¶ yÕu tè ®−êng cong cña thêi gian ®−îc ®Æc tr−ng bëi tham sè sau: 1. Thêi gian trÔ (L hoÆc tp) lµ thêi gian tõ gi÷a khèi n−íc m−a hiÖu qu¶ tíi ®Ønh cña ®−êng cong. 2. Thêi gian nh¸nh lªn (tR) lµ thêi gian tõ lóc m−a hiÖu qu¶ tíi ®Ønh ®−êng cong 3. Thêi gian tËp trung (tc) lµ thêi gian mµ t¹i ®ã l−îng n−íc vµo b»ng l−îng ra vµ thêi gian truyÒn sãng tõ mét ®iÓm trªn l−u vùc ®Õn cöa ra 4. Thêi gian c¬ së (tb) lµ thêi gian cña ®−êng cong dßng ch¶y trùc tiÕp (DRO). 109 H×nh 2.7. Tham sè cña ®−êng cong ®¬n vÞ a) ®−êng cong tæng hîp; b) ®−êng cong kh«ng cã dßng ch¶y chuÈn, l−îng m−a ®∙ trõ tæn thÊt ; c) ®−êng cong ®∙ chia thµnh ®−êng cong ®¬n vÞ 2- giê 110 Nh÷ng quy t¾c chung d−íi ®©y cÇn chó ý khi x©y dùng ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ tõ c¸c tr¹m ®o. a) Chän trËn m−a kh«ng phøc t¹p vµ ®ång nhÊt vÒ thêi gian vµ kh«ng gian b) DiÖn tÝch l−u vùc cì 1000 ac ®Õn 1000 mi2. c) Dßng ch¶y trùc tiÕp kho¶ng 0.5 ®Õn 2 in d) Thêi gian m−a hiÖu qu¶ D cì 25% ®Õn 30% thêi gian trÔ tp. e) Nh÷ng trËn m−a cã thêi gian gièng nhau nªn ph©n tÝch ®Ó tÝnh gi¸ trÞ trung b×nh ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ trong thêi gian ®ã f) B−íc (e) nªn lµm lÆp l¹i nhiÒu lÇn Nh÷ng b−íc sau ®Ó x©y dùng ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ tõ nhg÷ng ®−êng cong ®¬n (xem h×nh 2.7 vÝ dô 2.3): 1) Ph©n tÝch ®å thÞ vµ trõ ®i dßng ch¶y c¬ së (xem phÇn 2.2) 2) TÝnh toµn bé thÓ tÝch DRO vµ chuyÓn thµnh in (cm) trªn kh¾p l−u vùc 3) ChuyÓn toµn bé l−îng m−a thµnh l−îng m−a hiÖu qu¶ dùa vµo ph−¬ng ph¸p tæn thÊt vµ gi¸ trÞ thêi gian D cho ®−êng cong DRO vµ ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ 4) Chia tung ®é ®−êng cong DRO b»ng thÓ tÝch tÝnh b»ng in vµ biÓu diÔn nh÷ng kÕt qu¶ nµy vµo ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ cho l−u vùc (hØnh 2.7c) 5) KiÓm tra thÓ tÝch ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ ®Ó ch¾c ch¾n nã lµ 1 in (1 cm) vµ giãng sang tung ®é khi cÇn thiÕt. vÝ dô 2.3 Tham sè cña ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ Thêi gian (giê) Q (ft3/s) Q-BF (ft3/s) 2 giê UH,Q 0 100 0 0 1 100 0 0 2 300 200 100 3 700 600 300 4 1000 900 450 5 800 700 350 6 600 500 250 7 400 300 150 8 300 200 100 9 200 100 50 10 100 0 0 11 100 0 0 111 H×nh E2.3 a. §−êng cong ®¬n vÞ theo thêi gian ChuyÓn ®å thÞ dßng ch¶y trùc tiÕp (H×nh E2.3 a) thµnh ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ 2-giê. §−êng qu¸ tr×nh l−îng m−a ®−îc x©y dùng trong h×nh vµ chØ sè Φ cho trËn m−a lµ 0.5 in/giê, dßng ch¶y c¬ së trong kªnh lµ 100 ft3/s (h»ng sè). TÝnh tp vµ tb cña trËn m−a? H×nh E2.3 b H×nh E2.3 c 112 §Çu tiªn chóng ta t×m tæng l−îng m−a sau ®ã trõ ®i gi¸ trÞ Φ, chóng ta biÓu diÔn ®−êng qu¸ tr×nh l−îng m−a hiÖu qu¶ nh− h×nh E 2.3 b. §−êng qu¸ tr×nh nµy biÓu diÔn 2 in l−îng m−a hoÆc c−êng ®é m−a 1in/giê vµ m−a trong 2 giê. Sau ®ã ta trõ ®i dßng ch¶y c¬ b¶n trong tæng l−îng dßng ch¶y, cuèi cïng ®−a ®å thÞ ph¶i ®−îc ®−a vÒ 1in dßng ch¶y trùc tiÕp trong toµn bé l−u vùc, hoÆc c−êng ®é 0.5 in/giê vµ m−a trong 2 giê. Lµm nh− vËy chóng ta lÊy gi¸ trÞ tung ®é trõ ®i gi¸ trÞ tung ®é dßng ch¶y c¬ b¶n vµ chuyÓn nã vÒ d¹ng 1/2 toµn bé qu¸ tr×nh nµy ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng b¶ng trªn. Nh÷ng ®å thÞ UH 2-giê nh− h×nh E2.3c TB thêi gian c¬ së cña trËn m−a lµ 9 giê, vµ thêi gian tíi ®Ønh lµ tp tÝnh tõ t©m khèi n−íc lµ 2-giê. Chóng ta nhÊn m¹nh vÊn ®Ò nµy v× nh÷ng gi¶ thiÕt vÒ tÝnh chÊt tuyÕn tÝnh trong sù h×nh thµnh ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ, khi sö dông ®−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ cÇn chó ý c¸c tr−êng hîp kh«ng tuyÕn tÝnh. H×nh d¹ng ®−êng cong phô thuéc vµo thêi gian vµ c−êng ®é m−a. §−êng cong thuû v¨n ®¬n vÞ cã thêi gian ng¾n ®−îc céng thªm thêi gian trÔ ®Ó thµnh ®−êng cong ®¬n vÞ cã thêi gian dµi 24-giê. NÕu c−êng ®é m−a thay ®æi nhiÒu trong mét trËn m−a lín, gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh cã thÓ kh«ng thùc hiÖn ®−îc. Toµn bé dßng ch¶y vµ sù ph©n bè dßng ch¶y lµ nguyªn nh©n lµm thay ®æi h×nh d¹ng ®−êng cong. Víi mét l−u vùc cã diÖn tÝch lín nã rÊt tèt ®Ó t¹o ra ®−êng cong ®¬n vÞ cho nh÷ng vïng l©n cËn vµ sau ®ã thªm thêi gian trÔ sÏ t¹o nªn ®−êng cong cho toµn vïng. §Ønh cña ®−êng cong ®¬n vÞ ®−îc tÝnh tõ nh÷ng trËn m−a nhá thÊp h¬n nh÷ng trËn m−a lín v× sù kh¸c nhau gi÷a thêi gian dßng nhËp l−u vµ thêi gian dßng ch¶y xuÊt l−u trong kªnh. Gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh cã thÓ ®−îc kiÓm tra b»ng c¸ch so s¸nh sù thay ®æi c−êng ®é cña ®−êng qu¸ tr×nh m−a, nÕu kh«ng tuyÕn tÝnh khi tÝnh ®−êng cong ®¬n vÞ nªn tÝnh cho nh÷ng trËn m−a cã c−êng ®é gièng nhau vµ sö dông nh÷ng ®−êng cong nµy ®Ó ¸p dông cho nh÷ng ®−êng cong kh¸c. BÊt chÊp nh÷ng h¹n chÕ ®ã, khi kÕt hîp ®−êng cong ®¬n vÞ vµ ph−¬ng ph¸p truyÒn lò hiÖn