Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 2

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các Quá Trình Thủy Văn Và Cân bằng Nước Của Hồ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 2

Ch ¬ng 2 C¸c Qu¸ Tr×nh Thñy V¨n Vμ C©n b»ng N íc Cña Hå Giíi thiÖu Hå t ¬ng t¸c víi mäi thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n: n íc khÝ quyÓn, n íc mÆt vμ n íc ngÇm. Nh÷ng th«ng l îng n íc ®Õn vμ ®i khái c¸c hå t ¬ng øng v¬qÝ c¸c thμnh phÇn nμy thÓ hiÖn c©n b»ng n íc cña hå. VÒ mÆt to¸n häc, kh¸i niÖm c©n b»ng n íc dÔ lÇm t ëng ®¬n gi¶n lμ: l îng n íc gia nhËp c©n b»ng víi l îng n íc tho¸t hoÆc sù thay ®æi l îng tr÷ (cã thÓ ©m hoÆc d ¬ng). Tuy nhiªn, trong thùc tÕ, ®o ®¹c mét c¸ch chÝnh x¸c c¸c thμnh phÇn n íc ®Õn vμ ®i khái hå lμ kh«ng ®¬n gi¶n, bëi v× cã nhiÒu quan niÖm kh¸c nhau vÒ sù biÕn thiªn cña c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n vμ kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ c¸c thμnh phÇn thñy v¨n cßn h¹n. C©n b»ng n íc lμ mét thμnh phÇn quan träng cña nhiÒu nghiªn cøu. Nã ® îc ®Ò cËp ®Õn chñ yÕu do c¸c mèi quan t©m vÒ hãa häc hay sinh häc. CÇn ph¶i biÕt nh÷ng ® êng dÉn n íc ®Ó x¸c ®Þnh vËn chuyÓn hãa häc; bëi vËy, c©n b»ng n íc ® îc x¸c ®Þnh cho mét sè l îng lín c¸c môc ®Ých khoa häc vμ qu¶n lý kh¸c nhau. ViÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc cña bÊt kú ®èi t îng tÝnh to¸n nμo, dï nã lμ hå, ®Çm lÇy, hay ®ång b»ng ngËp lôt ®Òu ®ßi hái ph¶i xem xÐt ®Õn toμn bé hÖ thèng thñy v¨n; do ®ã, cÇn ph¶i cã ý kiÕn vÒ mÆt chuyªn m«n cña mét chuyªn gia thñy v¨n hoÆc mét ®éi ngò c¸c chuyªn gia vÒ c¸c nh¸nh cña thñy v¨n häc. V× ý kiÕn chuyªn m«n kh«ng ph¶i lμ cã s½n trong nhiÒu nghiªn cøu, th«ng th êng c©n b»ng n íc cã chÊt l îng kh¸c nhau trong c¸c tr êng hîp kh¸c nhau. TÝnh bÊt ®Þnh trong kh¶ n¨ng so s¸nh c©n b»ng n íc nμy ®· h¹n chÕ sù n©ng cao hiÓu biÕt vÒ thñy v¨n hå, còng nh c¬ héi ®Ó so s¸nh gi÷a c¸c t×nh huèng. H¬n n÷a, phÇn lín c¸c c©n b»ng n íc kh«ng bao gåm sù ®¸nh gi¸ møc ®é bÊt ®Þnh cña c¸c gi¸ trÞ thñy v¨n cÇn tÝnh to¸n (Winter 1981), còng h¹n chÕ sù h÷u dông cña chóng. §Ó x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc vμ cã thÓ sö dông nã víi mét møc tin cËy, cÇn ph¶i cã nhËn thøc vÒ nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n, c¸c kü thuËt ®o ®¹c, vμ nh÷ng hiÓu biÕt vÒ tÝnh bÊt ®Þnh vÒ gi¸ trÞ cña c¸c yÕu tè thñy v¨n kh¸c nhau co t ¬ng t¸c víi hå. Môc ®Ých cña ch ¬ng nμy lμ cung cÊp mét nÒn t¶ng ®Ó tõ ®ã ph¸t triÓn sù hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh thñy v¨n liªn quan ®Õn hå. Ch ¬ng nμy h íng vμo tõng thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n víi sù l u t©m tíi nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n vÒ sù vËn ®éng cña n íc, c¸c gi¶ thiÕt cÇn ®Ó sö dông, lùa chän c¸c phÐp ®o hoÆc tÝnh to¸n, vμ ®é bÊt ®Þnh vÒ gi¸ trÞ ® îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ph ¬ng ph¸p kh¸c nhau. HÖ thèng thñy v¨n hå 57 http://www.ebook.edu.vn
Xem xÐt hå nh mét ®èi t îng tÝnh to¸n cã thÓ nhËn thÊy, hå nhËn n íc tõ: (1) khÝ quyÓn, bëi gi¸ng thñy trùc tiÕp trªn bÒ mÆt cña hå, (2) n íc mÆt, bëi dßng ch¶y tíi hå, tõ c¸c s«ng suèi, bëi dßng ch¶y trμn hay dßng ch¶y s ên dèc, vμ (3) n íc ngÇm, bëi qu¸ tr×nh thÊm vμo trong hå. Hå mÊt n íc tõ: (1) khÝ quyÓn, bëi sù bay h¬i trùc tiÕp tõ bÒ mÆt hå, (2) n íc mÆt, bëi dßng ch¶y mÆt ®i ra tõ hå, vμ (3) n íc ngÇm, bëi sù ngÊm ra tõ hå. Trong mét thêi ®o¹n nμo ®ã, sù bÊt c©n b»ng gi÷a nguån ®Õn vμ tæn thÊt dÉn ®Õn sù thay ®æi l îng tr÷, ® îc ph¶n ¸nh b»ng sù thay ®æi mùc n íc hå. §èi víi mét sè thμnh phÇn cña c©n b»ng n íc ta cã thÓ ®o ®¹c chóng mét c¸ch trùc tiÕp vμ ë chÝnh vÞ trÝ biªn cña hå. VÝ dô, dßng ch¶y th«ng th êng cã thÓ ®o ® îc t¹i c¸c tuyÕn ch¶y vμo vμ ra cña hå. KÕt qu¶ lμ c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c cã ®é chÝnh x¸c cao ®èi víi nh÷ng thμnh phÇn n íc mÆt. Ngoμi ra, cã thÓ thu ® îc nh÷ng gi¸ trÞ ®Çu vμo kh¸ chÝnh x¸c tõ khÝ quyÓn b»ng c¸ch sö dông thÝch hîp sè l îng vμ kho¶ng c¸ch nh÷ng tr¹m ®o gi¸ng thñy ë hå. Víi nh÷ng thμnh phÇn kh¸c, kh«ng thÓ ®o ®¹c trùc tiÕp nh÷ng gi¸ trÞ dßng ch¶y mét c¸ch chÝnh x¸c. VÝ dô, bèc h¬i, ch¶y trμn, vμ n íc ngÇm ch¶y vμo hay ch¶y ra nãi chung, cÇn ® îc tÝnh to¸n tõ nhiÒu lo¹i sè liÖu thñy v¨n vμ khÝ hËu kh¸c nhau. MÆc dï cã thÓ ®o ® îc dßng ch¶y ngÇm mét c¸ch trùc tiÕp b»ng viÖc sö dông nh÷ng ®ång hå ®o thÊm, hÇu hÕt nh÷ng thiÕt bÞ nμy th êng chØ ® îc sö dông t¹i nh÷ng ®iÓm mÉu lùa chän trong kh«ng gian vμ thêi gian, chø kh«ng theo dâi liªn tôc. H¬n n÷a, mÆc dï mét sè thμnh phÇn thñy v¨n cã thÓ ®o ® îc t¹i ranh giíi cña hå, ®Ó hiÓu vμ m« h×nh hãa sù c©n b»ng n íc cña hå, ®Æc biÖt lμ sù t ¬ng t¸c gi÷a hå víi nh÷ng thμnh phÇn n íc mÆt vμ n íc ngÇm, cÇn thiÕt ph¶i cã mét kiÕn thøc vÒ ® êng dßng bªn trong l u vùc n íc mÆt vμ n íc ngÇm liªn quan ®Õn hå. 2.1 Sù t ¬ng t¸c cña hå víi n íc khÝ quyÓn 2.1.1 Gi¸ng thñy Sù vËn ®éng cña n íc trong khÝ quyÓn biÕn ®éng lín theo kh«ng gian, thêi gian vμ rÊt phøc t¹p. §iÒu nμy còng ®óng cho c¸c yÕu tè thμnh t¹o gi¸ng thuû. Bëi vËy, l©u nay nã vÉn lμ mét th¸ch thøc cho c¸c nhμ thñy v¨n häc ®Ó ®o ®¹c hoÆc tÝnh to¸n líp gi¸ng thñy cña khu vùc. Nh÷ng kiÓu thêi tiÕt kh¸c nhau g©y ra nh÷ng lo¹i gi¸ng thñy kh¸c nhau. Trong mét sè vïng vμ vμo nh÷ng mïa nhÊt ®Þnh, phæ biÕn, nh÷ng kiÓu thêi tiÕt gièng nhau, dÉn ®Õn gi¸ng thñy gièng nhau trªn khu vùc; phÐp ®o gi¸ng thñy d íi nh÷ng ®iÒu kiÖn nμy cã thÓ kh¸ chÝnh x¸c. Tuy nhiªn, nÕu gi¸ng thñy phÇn lín tõ nh÷ng c¬n m a gi«ng ®èi l u kÌm theo giã m¹nh, th× ®o ®¹c chÝnh x¸c gi¸ng thñy thùc tÕ lμ rÊt khã kh¨n vμ 58 http://www.ebook.edu.vn
cã nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ. Ngoμi ra, d¹ng vμ c êng ®é cña gi¸ng thñy tõ m a ®èi l u cã tÝnh biÕn ®éng cao theo kh«ng gian, vμ tÝnh khu vùc cña d÷ liÖu ®Þa ph ¬ng lÊy ë c¸c tr¹m ®o cã thÓ cã sai sè ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ nghiªn cøu vμ t×m hiÓu vÒ ®éng lùc häc khÝ quyÓn, nh÷ng thÝ nghiÖm ®o ®¹c gi¸ng thñy, vμ nh÷ng so s¸nh tÝnh khu vùc bëi Illinois State Water Survey (vÝ dô, Huff vμ Neill 1957, Huff vμ Shipp 1969) trong vμi thËp niªn ®· hç trî ®¸ng kÓ cho nhËn thøc vÒ c¸c d¹ng gi¸ng thñy, thùc sù cÇn thiÕt cho viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c thμnh phÇn ®Çu vμo tõ khÝ quyÓn cña c¸n c©n n íc. MÆc dï tån t¹i sù bÊt ®Þnh trong ®o ®¹c gi¸ng thñy (xem Larson 1971 nh mét vÝ dô cña mét trong sè rÊt nhiÒu tμi liÖu xem xÐt vÒ ®Ò tμi nμy), th¸ch thøc c¬ b¶n trong viÖc x¸c ®Þnh l îng n íc tõ khÝ quyÓn tíi hå lμ sù lμm s¸ng tá hay ph©n phèi theo vïng cña sè liÖu ®o ®¹c. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p chñ yÕu cña viÖc ph©n vïng sè liÖu m a ®iÓm lμ ph ¬ng ph¸p ® êng ®¼ng trÞ l îng m a, ph- ¬ng ph¸p ®a gi¸c Th¸i S¬n, vμ ph ¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh cã träng sè. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy ® îc m« t¶ trong hÇu hÕt c¸c s¸ch gi¸o khoa thñy v¨n häc, nh ng mét vÝ dô ®å thÞ cña sù so s¸nh ba ph ¬ng ph¸p bëi Linsley vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1975) chØ ra r»ng nh÷ng thÓ tÝch n íc tÝnh to¸n cho mét vïng nhÊt ®Þnh sö dông cïng nh÷ng sè l îng phÐp ®o trong mét m¹ng l íi c¸c tr¹m ®o ®¹c chªnh lÖch nhau tõ 9-18%. VÝ dô nμy tr×nh bμy viÖc x¸c ®Þnh gi¸ng thñy trªn l u vùc cã nh÷ng tr¹m ®o ph©n bè. N íc tõ khÝ quyÓn r¬i trùc tiÕp vμo hå hiÕm khi ® îc ®o ®¹c trªn bÒ mÆt n íc. V× c¸c tr¹m ®o gi¸ng thñy th«ng th êng ph¶i ® îc ®Æt trªn mÆt ®Êt, cÇn ph¶i sö dông mét sè ph ¬ng ph¸p ph©n vïng nμo ®ã ®Ó x¸c ®Þnh líp n íc trªn toμn bé hå tõ líp n íc ®o ® îc t¹i nh÷ng tr¹m ®o. Víi nh÷ng hå nhá th× sè liÖu m a r¬i trªn mÆt ®Êt kh¸ tiªu biÓu cho m a r¬i trªn hå. Tuy nhiªn, víi nh÷ng hå lín, cÇn ph¶i sö dông mét sè tr¹m ®o ®¹c xung quanh hå ®Ó tÝnh to¸n m a r¬i trªn hå. Trong mét sè tr êng hîp thËm chÝ c¸ch tiÕp cËn nμy vÉn ch a ph¶i lμ tháa m·n. VÝ dô, nh÷ng hå lín ®«i khi kh«ng cã m©y che phñ trong khi vïng ®Êt xung quanh l¹i cã, vμ t¹i thêi ®iÓm kh¸c th× ng îc l¹i. Víi nh÷ng hå lín, chóng ta hÇu nh kh«ng thÓ biÕt ® îc møc ®é bÊt ®Þnh cña thÓ tÝch n íc r¬i trùc tiÕp trªn mÆt n íc. Thμnh phÇn gi¸ng thñy cña c¸n c©n n íc th êng ® îc x¸c ®Þnh tõ sè liÖu m¹ng l íi quèc gia. ë Hoa Kú mËt ®é l íi tr¹m cña Uû ban thêi tiÕt quèc gia (NWS) lμ xÊp xØ 650 km2 mét tr¹m ®o. Nh÷ng tr¹m ®o nμy Ýt khi ® îc ®Æt ngay trong vïng l©n cËn cña hå cÇn quan t©m; bëi vËy, mét trong nh÷ng ph ¬ng ph¸p ph©n vïng ® îc ®Ò cËp ë trªn th êng ® îc sö dông. Siegel vμ Winter (1980) so s¸nh c¸c ph ¬ng ph¸p ph©n vïng ë hå Williams, Minnesota, sö dông sè liÖu gi¸ng thñy mïa hÌ n¨m 1978. L îng gi¸ng thñy tíi hå ® îc tÝnh to¸n sö dông ba ph ¬ng ph¸p; trung b×nh sè häc, trung b×nh träng sè, vμ ® êng ®¼ng trÞ l îng m a, ch¼ng h¹n nh sö dông sè liÖu tõ hai m¹ng l íi riªng biÖt. M¹ng l íi lín h¬n gåm cã ba tr¹m ®o ®¹c NWS ®Æt ë kho¶ng 40 km theo c¸c h íng kh¸c nhau tõ hå, vμ m¹ng l íi nhá h¬n gåm cã c¸c tr¹m ®äc 59 http://www.ebook.edu.vn
gi¸ trÞ quan tr¾c ®Þnh vÞ ë bªn trong xÊp xØ 5 km cña hå. Nh÷ng l îng cña gi¸ng thñy tÝnh to¸n ® îc so s¸nh víi nh÷ng l îng cña gi¸ng thñy ®o bëi dông cô ®o tù ghi t¹i hå. Bªn trong mçi m¹ng l íi d÷ liÖu, tÝnh to¸n gi¸ng thñy hμng ngμy trung b×nh thêi ®o¹n h¬n 2 tuÇn th× t ¬ng tù víi c¶ ba ph ¬ng ph¸p tÝnh to¸n (H×nh 2.1). H×nh 2. 1 A, B: Sù kh¸c nhau gi÷a gi¸ng thñy ® îc ®o bëi mét tr¹m tù ghi ë hå Williams, Minnesota, vμ ® îc ®¸nh gi¸ b»ng ba c¸ch ph©n vïng sö dông sè liÖu tõ m¹ng l íi qui m« nhá (Deep Portage) vμ m¹ng l ìi qui m« lín (NWS). A: L îng gi¸ng thñy trung b×nh ngay trong thêi kú 2 tuÇn. B: l îng gi¸ng thñy trong c¶ c¬n b o lín nhÊt trong thêi kú 2 tuÇn. (§ îc x¸c ®Þnh bëi Siegel vμ Winter 1980) Nh÷ng ®¸nh gi¸ tõ m¹ng l íi quy m« nhá th«ng th êng lμ s¸t víi nh÷ng gi¸ trÞ ghi ® îc t¹i hå. Sù sai kh¸c lín nhÊt víi nh÷ng gi¸ trÞ ghi ® îc t¹i hå, khi xem xÐt trung b×nh mét tuÇn hai lÇn, lμ cho thêi kú gi÷a th¸ng t¸m, khi sö dông sè liÖu NWS. ViÖc so s¸nh tμi liÖu m a cho c¬n m a lín nhÊt xuÊt hiÖn trong suèt 60 http://www.ebook.edu.vn
thêi ®o¹n 2 tuÇn chØ ra r»ng ®é s©u m a r¬i tÝnh to¸n tõ m¹ng l íi qui m« nhá th× lu«n lu«n gÇn nh t ¬ng tù víi nh÷ng sè liÖu mμ ® îc ghi t¹i hå h¬n lμ ®é s©u m a r¬i tÝnh to¸n tõ m¹ng l íi NWS. Sù kh¸c nhau lín nhÊt lμ mét c¬n m a lín vμo gi÷a th¸ng t¸m, khi mμ nh÷ng ®é s©u tÝnh to¸n ® îc tõ m¹ng l íi NWS chªnh lÖch h¬n 25 mm so víi nh÷ng ®é s©u ghi nhËn ® îc t¹i hå hoÆc tõ m¹ng l íi qui m« nhá. Nh÷ng d÷ liÖu nμy chØ ra r»ng gi¸ng thñy cÇn thiÕt ®Ó ® îc ®o ®¹c cμng gÇn hå th× cμng tèt, nÕu kh«ng ph¶i bëi nh÷ng tr¹m ®o ®¹c ghi ® îc t¹i vÞ trÝ ®ã, th× Ýt nhÊt còng bëi nh÷ng tr¹m ®o ®¹c ®äc quan tr¾c ®¸ng tin cËy ë gÇn hå. 2.1.2 Bèc h¬i Bèc h¬i lμ qu¸ tr×nh mμ n íc ë bÒ mÆt hå ® îc chuyÓn ®æi tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i h¬i. Tèc ®é bèc h¬i phô thuéc trùc tiÕp vμo gradien khÝ ¸p ngang qua mÆt tiÕp gi¸p gi÷a kh«ng khÝ vμ n íc. PhÝa trªn ranh giíi gi÷a n íc vμ kh«ng khÝ, giã vμ x¸o trén rèi theo ph ¬ng th¼ng ®øng vËn chuyÓn h¬i n íc, nh vËy duy tr× gradien khÝ ¸p. H¬n n÷a, bëi v× l îng Èn nhiÖt ho¸ h¬i cña n íc lín, nhiÖt cã thÓ to¶ ra tõ chÝnh b¶n th©n n íc (Ragotzkie 1978). Bëi vËy, ®Ó x¸c ®Þnh l îng bèc h¬i chÝnh x¸c nhÊt cã thÓ, cÇn ph¶i ®o ®¹c bøc x¹, nhiÖt ®é kh«ng khÝ, gradien khÝ ¸p, vμ nhiÖt ®é cña n íc. Mét c¸ch lý t ëng, toμn bé c©n b»ng n¨ng l îng cña hå (H×nh 2.2) ph¶i ® îc theo dâi liªn tôc bëi v× nh÷ng ®Æc tr ng ®éng lùc cao cña khÝ hËu. H×nh 2.2: Nguån n¨ng l îng vμ thÊm liªn quan víi ng©n qòy n¨ng l îng cña c¸c hå. Qs lμ bøc x¹ mÆt trêi sãng ng¾n tíi; Qr lμ bøc x¹ sãng ng¨n ph¶n x¹; Qa lμ bøc x¹ mÆt ®Êt sãng dμi ®Õn; Qar lμ bøc x¹ sãng dμi ph¶n x¹; Qbs lμ bøc x¹ sãng dμi ph¸t ra tõ n íc; Qb lμ n¨ng l îng thu ® îc chuyÓn ®éng ngang tíi vμ tõ c¸c trÇm tÝch; Qv lμ n¨ng l îng thu ® îc chuyÓn ®éng ngang tíi vμ tõ hå; Qx lμ thay ®æi l îng tr÷ nhiÖt trong hå. Nh÷ng nghiªn cøu vÒ c©n b»ng n¨ng l îng cña c¸c hå th«ng th êng ch a ® îc tiÕn hμnh bëi liªn quan ®Õn chi phÝ vμ nh©n lùc. Kh«ng chØ lμ nh÷ng dông cô ®¾t tiÒn, mμ cßn cÇn ph¶i kiÓm tra th êng xuyªn sù ®Þnh kÝch cì cña chóng víi nh÷ng c¶m kÕ riªng biÖt vμ cÇn nhiÒu thêi gian ®Ó b¶o ®¶m chÊt l îng cña tμi liÖu khÝ hËu, dÉn ®Õn nh÷ng chi phÝ nh©n sù cao. Ngoμi ra, nh÷ng profile nhiÖt ®é ë nhiÒu l¸t c¾t trong hå, sù kh¶o s¸t nhiÖt, cÇn ® îc tiÕn hμnh ®Òu ®Æn th - êng xuyªn trong nh÷ng kho¶ng thêi gian nh hμng tuÇn, mét tuÇn hai lÇn hoÆc hμng th¸ng. Tuy vËy, ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng trong tÝnh to¸n bèc h¬i nãi chung 61 http://www.ebook.edu.vn
® îc xem xÐt nh lμ ph ¬ng ph¸p chÝnh x¸c nhÊt cho nh÷ng nghiªn cøu bao trïm nh÷ng giai ®o¹n c¸c th¸ng, c¸c mïa, hoÆc c¸c n¨m; bëi vËy, ®ã lμ tiªu chuÈn mμ c¨n cø vμo ®ã ®Ó ®¸nh gi¸ nh÷ng ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm. Mét th¶o luËn chi tiÕt vÒ ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng ®Ó tÝnh bèc h¬i ch a ® îc giíi thiÖu ë ®©y, bëi v× sù di chuyÓn nhiÖt n¨ng víi sù l u t©m tíi c¸c hå ® îc bμn luËn bëi Imboden vμ Wuest vμ bëi Hostetler, vμ nã ® îc bμn luËn réng r·i trong nh÷ng cuèn kh¸c nh lμ s¸ch cña Brutsaert (1982). Mét khÝa c¹nh cña nghiªn cøu c©n b»ng n¨ng l îng mμ hiÕm khi ® îc xem xÐt ®Õn lμ n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn n íc ngÇm; ®a sè c¸c nghiªn cøu tr - íc ®©y cho r»ng n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn gi¸ng thñy vμ tÇng n íc mÆt. N íc ngÇm cã thÓ lμ mét thμnh phÇn chÝnh trong c¸n c©n n íc cña nh÷ng hå kÝn. Mét vÝ dô vÒ ¶nh h ëng cña n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn n íc ngÇm tíi sù bay h¬i tõ mét hå kÝn trong mét khÝ hËu «n hßa ® îc giíi thiÖu bëi Sturrock cïng céng sù (1992). Nh÷ng yÕu tè trong c©n b»ng n¨ng l îng, bao gåm dßng n¨ng l îng liªn quan víi n íc ngÇm, ®· ® îc x¸c ®Þnh râ cho hå Williams, mét hå kÝn nhá (40 ha) ë trung t©m phÝa b¾c Minnesata, víi chu kú më n íc lμ 5 n¨m. N íc ngÇm chiÕm h¬n 50% l îng n íc hμng n¨m tíi hå vμ h¬n 50% tæn thÊt n íc hμng n¨m tõ hå. Tuy nhiªn, v× n íc ngÇm trong khÝ hËu nμy th× kh¸ l¹nh (xÊp xØ 70C), nã ®ãng gãp nhá nhÊt l îng nhiÖt n¨ng ® îc nhËp vμo hå. N íc hå ngÊm tíi tÇng n íc ngÇm th× chØ Êm vμo 1 hoÆc 2 th¸ng mïa hÌ; bëi vËy, n¨ng l îng nhiÖt tèi thiÓu bÞ tæn thÊt cho n íc ngÇm. Toμn bé ¶nh h ëng cña tæn thÊt n íc cho sù bèc h¬i ë hå Williams ® îc tÝnh to¸n bëi n¨ng l îng b×nh l u liªn quan ®Õn n íc ngÇm nhá h¬n 1%. HÇu hÕt c¸c nghiªn cøu c¸n c©n n íc, bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm, bëi v× nh÷ng chi phÝ thao t¸c cho viÖc x¸c ®Þnh sù bèc h¬i b»ng ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng lín. Cã Ýt nhÊt 30 ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®· ® îc sö dông hoÆc ®Ò x íng cho viÖc x¸c ®Þnh bèc tho¸t h¬i n íc, rÊt nhiÒu trong sè ®ã ®· ® îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh bèc h¬i bÒ mÆt n íc. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy yªu cÇu ph¹m vi sè liÖu réng. VÝ dô, mét sè ph ¬ng ph¸p biÕn thÓ cña c¸ch tiÕp cËn c©n b»ng n¨ng l îng, yªu cÇu sè liÖu tõ nhiÒu c¶m kÕ hay ®Çu dß, trong khi nh÷ng ph ¬ng ph¸p kh¸c yªu cÇu sè liÖu tõ mét c¶m kÕ hay ®Çu dß ®¬n gi¶n nh mét ®Çu dß nhiÖt ®é. MÆc dï mét sè nghiªn cøu ®· so s¸nh nhiÒu ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm kh¸c nhau trong viÖc x¸c ®Þnh bèc h¬i thùc vËt (vÝ dô nh Tanner 1967; McGuiness vμ Bordne 1972), c¸c nghiªn cøu so s¸nh nh÷ng ph ¬ng tr×nh ® îc chän cho viÖc sö dông trªn nh÷ng bÒ mÆt n íc tho¸ng th× cã Ýt h¬n (vÝ dô, Harbeck cïng céng sù 1958; Brutsaert 1982; Warnala vμ Pochop 1988). Nghiªn cøu c©n b»ng n¨ng l îng cña hå Williams, Minnesota, ®ßi hái sö dông nhiÒu c¶m kÕ hay ®Çu dß. Bëi vËy, râ rμng cã thÓ ®¸nh gi¸ mét sè ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm x¸c ®Þnh sù bay h¬i dùa vμo nh÷ng gi¸ trÞ ®· x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng. 62 http://www.ebook.edu.vn
B¶ng 2.1. C¸c ph ¬ng ph¸p ® sö dông ®Ó so s¸nh l îng bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm víi l îng bèc h¬i ® îc x¸c ®Þnh b»ng ph ¬ng ph¸p ng©n qòy n¨ng l îng cho hå Williams, Minnesota. Ph ¬ng ph¸p Tμi liÖu tham kh¶o Brutsaert-Stricker Brutsaert vμ Stricker (1979) DeBruin DeBruin (1978) DeBruin-Keijman DeBruin vμ Keijman (1979) Hamon Hamon (1961) Jenson vμ Haise McGuinness vμ Bordne (1972) Makkink McGuinness vμ Bordne (1972) Khèi l îng di chuyÓn Harbeck vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1958) Papadakis McGuinness vμ Bordne (1972) Penman Jensen vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1974) Priestley-Taylor Stewart vμ Rouse (1976) Stephens vμ Stewart McGuinness vμ Bordne (1972) B¶ng 2.2: Tæng kÕt thèng kª vÒ sù chªnh lÖch trong l îng bèc h¬i tõng th¸ng cho hå Williams, Minnesota Ph ¬ng ph¸p MÆt ®Êt C¸c chuÈn mùc Trung SD Trung SD Trung SD Trung SD b×nh b×nh b×nh b×nh Jenson vμ Haise 0.00 1.80 -0.33 1.83 0.10 1.95 Penman -0.03 0.80 -0.79 0.82 -0.87 0.83 Khèi l îng di chuyÓn -0.10 1.27 -4.64 1.76 -6.26 2.09 -5.20 2.23 DeBruin-Keijman 0.16 0.90 0.08 0.91 Makkink -0.35 1.58 -0.46 1.56 -0.14 1.76 Priestley-Taylor 0.42 0.96 0.30 0.96 Papadakis -0.43 1.21 2.13 1.35 1.49 1.19 Hamon 0.77 1.65 0.46 1.70 0.85 1.79 DeBruin 0.86 1.78 -4.22 2.05 -5.27 2.28 -4.28 2.22 Stephens vμ Stewart -1.30 1.32 -1.57 1.33 -1.10 1.50 Brutsaert-Stricker 2.17 1.27 2.22 1.27 2.09 1.25 e0 ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ; To, nhiÖt ®é n íc mÆt; Ta, nhiÖt ®é kh«ng khÝ. a e0 t¹i T0 lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é n íc mÆt cña hå. b e0 t¹i Ta lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o t¹i nhiÖt ®é kh«ng khÝ M êi mét ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh sù bay h¬i ®· ® îc ®¸nh gi¸ trong nghiªn cøu hå Williams (Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1995). C¸c ph ¬ng ph¸p tham kh¶o lμ d¹ng cña nh÷ng ph ¬ng tr×nh sö dông ® îc liÖt kª trong b¶ng 2.1. Cã nh÷ng sù so s¸nh c¸c gi¸ trÞ bèc h¬i mÆt n íc th¸ng cña 22 th¸ng trong thêi kú 5 n¨m. Nh÷ng th¸ng mμ hå bÞ b¨ng tuyÕt bao phñ (th¸ng 6-7 mçi n¨m), xem nh nh÷ng th¸ng mμ kh«ng cã bé sè liÖu ®Çy ®ñ, ®· bÞ lo¹i trõ trong sù so s¸nh. Sè liÖu tõ ba tr¹m khÝ hËu ®· ® îc sö dông trong nghiªn cøu: mét tr¹m ë trung t©m cña hå, mét tr¹m mÆt ®Êt c¸ch bê hå kho¶ng gÇn 100 m vμ mét tr¹m kh¸c thuéc m¹ng l íi n«ng nghiÖp ë vÞ trÝ c¸ch 60 km vÒ phÝa nam 63 http://www.ebook.edu.vn
cña hå. Tãm t¾t thèng kª vÒ nh÷ng sù so s¸nh ® îc chØ ra trong b¶ng 2.2. 64 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 2.3 a,b: Chªnh lÖch gi÷a gi¸ trÞ bèc h¬i ® îc tÝnh b»ng ph ¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l îng vμ c¸c gi¸ trÞ ® îc tÝnh to¸n b»ng c¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm cho hå Williams, Minnesota, 1982-1986. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p cÇn cho m¹ng l íi bøc x¹ cã thÓ kh«ng sö dông khi sö dông d÷ liÖu Staples. Duy nhÊt ph ¬ng ph¸p cÇn ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ (e0) ®· sö dông tÝnh to¸n e0 t¹i Ta trong vÞ trÝ cña e0 t¹i T0. Gi¸ trÞ (cm) ® îc x¸c ®Þnh bëi c©n b»ng n¨ng l îng vμ bëi 11 ph ¬ng ph¸p kinh nghiÖm sö dông sè liÖu tõ ba tr¹m khÝ hËu kh¸c nhau. Sè liÖu ® îc quan tr¾c tõ tr¹m ë gi÷a hå, tr¹m mÆt ®Êt c¸ch hå 100m, vμ tr¹m khÝ hËu t¹i Staples, Minnesota, c¸ch 60 km vÒ phÝa nam cña hå. Dùa vμo gi¸ trÞ trung b×nh vμ ®é lÖch chuÈn cña sù chªnh lÖch bay h¬i hμng th¸ng, c¸c ph ¬ng ph¸p Perman, DeBruin-Keijman, vμ Priestley-Taylor cho c¸c gi¸ trÞ gÇn nhÊt víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng. Gi¸ trÞ trung b×nh cña chªnh lÖch hμng th¸ng th× nhá h¬n 0.5 cm, vμ ®é lÖch chuÈn cña chªnh lÖch hμng th¸ng nhá h¬n 1.0 cm cho c¶ ba ph ¬ng ph¸p khi sö dông sè liÖu cña tr¹m ë gi÷a hå. H¬n n÷a, sù bèc h¬i x¸c ®Þnh theo ba ph ¬ng ph¸p nμy sö dông sè liÖu cña tr¹m mÆt ®Êt còng cho c¸c gi¸ trÞ gÇn víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng (H×nh 2.3a). Nh÷ng lo¹i sè liÖu chung mμ ba ph ¬ng ph¸p nμy yªu cÇu lμ nhiÖt ®é kh«ng khÝ, bøc x¹ thùc vμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é trong hå gi÷a c¸c lÇn kh¶o 65 http://www.ebook.edu.vn
s¸t. Bëi vËy, sö dông nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy yªu cÇu nh÷ng dông cô ® îc ®Þnh vÞ ë hå, vμ vÞ trÝ ®ã ® îc t¹o ra ®Ó kiÓm tra c¸c dông cô vμ ®Ó tiÕn hμnh c¸c kh¶o s¸t nhiÖt. Sè liÖu lμ tõ c¸c tr¹m khÝ hËu dùa trªn mét tr¹m gi÷a hå, ë trªn mÆt ®Êt c¸ch hå 100m vμ t¹i mét tr¹m khÝ hËu t¹i Staples, Minnesota, c¸ch 60km vÒ phÝa nam cña hå. C¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm mμ cho kÕt qu¶ phï hîp nhÊt víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng lμ DeBruin-Keijman, Priestley-Taylor, vμ Penman. Nh÷ng ph ¬ng ph¸p cßn l¹Ýit phï hîp nhÊt, ®Æc biÖt lμ nÕu sè liÖu kh«ng ph¶i lμ cña tr¹m gi÷a hå, lμ b truyÒn khèi l îng vμ DeBruin. e0 t¹i T0 lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é cña n íc mÆt; e0 t¹i Ta lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o t¹i nhiÖt ®é kh«ng khÝ; raft lμ sè liÖu cña tr¹m gi÷a hå; land lμ sè liÖu cña tr¹m mÆt ®Êt c¸ch hå 100m; Staples lμ sè liÖu cña tr¹m khÝ hËu ë Staptes Minnesota, c¸ch 60km vÒ phÝa nam cña hå. (cña Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1995). Nh÷ng ph ¬ng ph¸p so s¸nh c¸c gi¸ trÞ thuËn lîi tèi thiÓu víi c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng khi sö dông sè liÖu tõ tr¹m mÆt ®Êt lμ khèi l îng di chuyÓn vμ ph ¬ng ph¸p Debruin (H×nh 3b). C¶ hai ph ¬ng ph¸p nμy coi tèc ®é giã nh mét thμnh phÇn næi bËt trong ph ¬ng tr×nh. (MÆc dï tèc ®é giã ® îc sö dông trong ph ¬ng ph¸p Penman, ®ã lμ yÕu tè thø hai sau yÕu tè bøc x¹ thùc). HÖ sè khèi l îng di chuyÓn ® îc lÊy dùa vμo c©n b»ng n¨ng l îng sö dông sè liÖu tõ tr¹m gi÷a hå, bëi vËy, sù chªnh lÖch trung b×nh cña nh÷ng gi¸ trÞ c©n b»ng n¨ng l îng sö dông sè liÖu tõ tr¹m gi÷a hå chØ -0.10 cm, nh ng ®é lÖch chuÈn th× lín (1.27 cm). Tuy nhiªn, khi sè liÖu giã cña tr¹m mÆt ®Êt ® îc thay thÕ cho sè liÖu giã cña tr¹m gi÷a hå, ph ¬ng ph¸p tá ra lμ kh«ng tho¶ m·n. Sè liÖu tèc ®é giã cña hå Williams chØ ra r»ng tèc ®é giã ghi ® îc t¹i tr¹m mÆt ®Êt th«ng th êng nhá h¬n tèc ®é giã ghi ® îc t¹i tr¹m ë trung t©m cña hå lμ 20-40%. Nh÷ng kÕt qu¶ nμy cho thÊy r»ng c¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh sù bay h¬i mμ yªu cÇu sö dông sè liÖu giã chØ tháa m·n khi tèc ®é giã ® îc ®o t¹i mét tr¹m ë trung t©m cña hå. MÆc dï c¸c nhμ khÝ hËu häc ®· quan t©m vÒ tÝnh chÊt vËt lý cña sù bèc h¬i qua nhiÒu n¨m, nh ng thμnh phÇn nμy cña sù c©n b»ng n íc hå ®· kh«ng nhËn ® îc sù chó ý cña c¸c nhμ nghiªn cøu vÒ hå tØ lÖ víi sù quan träng cña nã. C«ng viÖc ®¸ng kÓ h¬n nhiÒu lμ ®¸nh gi¸ c¸c hÖ sè, c¸c h»ng sè, c¸c gi¶ thiÕt, trang bÞ m¸y mãc, vμ thiÕt kÕ vÞ trÝ phÇn tö nh¹y cho nhiÒu ph ¬ng ph¸p x¸c ®Þnh sù bèc h¬i. Nh÷ng sù ®¸nh gi¸ cÇn ® îc tiÕn hμnh cho c¸c hå n»m trong mét m«i tr êng ®Þa lý vμ khÝ hËu ®a d¹ng, réng lín. 2.2. Sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi n íc mÆt N íc mÆt lμ thμnh phÇn duy nhÊt cña hÖ thèng thñy v¨n nãi chung, ® îc x¸c ®Þnh cÈn thËn víi sù chó ý tíi thø nguyªn vËt lý cña nã. H¬n 100 n¨m nghiªn cøu ®· dÉn ®Õn mét sù hiÓu biÕt vËt lý cña dßng ch¶y trong lßng dÉn hë vμ sù ph¸t triÓn cña nh÷ng cÊu tróc ®o ®¹c nh c¸c ®Ëp trμn vμ m¸ng dÉn n íc. Khi 66 http://www.ebook.edu.vn
x©y dùng nh÷ng cÊu tróc nμy mét c¸ch hîp lý cã thÓ ®o l u l îng víi sai sè xÊp xØ 5% gi¸ trÞ thùc. Bëi vËy, nÕu c¸c ®Ëp trμn hoÆc c¸c m¸ng dÉn n íc cã thÓ sö dông ®Ó ®o ®¹c chÝnh x¸c dßng ch¶y t¹i ®iÓm mμ chóng vμo hoÆc ra khái hå, nh÷ng phÐp ®o l u l îng nμy sÏ lμ nh÷ng gi¸ trÞ chÝnh x¸c nhÊt cho sù c©n b»ng n íc. Nh÷ng tμi liÖu h íng dÉn ®Ó lùa chän vμ thiÕt kÕ c¸c ®Ëp trμn vμ c¸c m¸ng dÉn n íc ® îc x©y dùng bëi nh÷ng c¬ quan nh Nha KhÝ t îng vμ Thêi tiÕt Mü (1975). Tuy nhiªn, nÕu nh÷ng dßng ch¶y lín th êng kh«ng sö dông tíi phÐp ®o bëi c¸c ®Ëp trμn hoÆc c¸c m¸ng dÉn n íc, chóng th êng cÇn ® îc ®o ®¹c b»ng c¸ch sö dông mét ®ång hå ®o dßng ch¶y, mét dông cô tù ghi ®o qu¸ tr×nh, mét quan hÖ l u l îng - mùc n íc hoÆc b»ng c¸ch sö dông ph ¬ng ph¸p chÊt chØ thÞ mμu. §Ó sö dông ®ång hå ®o dßng ch¶y, dông cô tù ghi ®o qu¸ tr×nh, vμ quan hÖ qu¸ tr×nh l u l îng, ph¶i nhËn thøc r»ng vËn tèc cña dßng n íc bªn trong nh÷ng lßng dÉn hë kh«ng ph¶i lμ ®ång nhÊt. § êng ph©n bè vËn tèc cña c¸c dßng ch¶y nh×n chung cã d¹ng parab«n, phÇn lín bëi v× ma s¸t ë ®¸y lßng dÉn. L u l îng ® îc tÝnh to¸n nh lμ tÝch cña vËn tèc trung b×nh theo thêi gian vμ diÖn tÝch mÆt c¾t ngang. Bëi vËy, ®Ó ®o l u l îng chÝnh x¸c ph¶i lμm nh÷ng phÐp ®o cho nhiÒu vËn tèc riªng lÎ kh¾p c¶ mÆt c¾t ngang ®Ó x¸c ®Þnh vËn tèc trung b×nh, vμ ®o chÝnh x¸c mÆt c¾t ngang cña lßng ch¶y. Sai sè trong phÐp ®o l u l îng liªn quan ®Õn sè l îng c¸c phÐp ®o vËn tèc riªng lÎ vμ ® îc th¶o luËn bëi Carter (1973). Chóng ta cã c«ng nghÖ ®Ó theo dâi liªn tôc qu¸ tr×nh n íc mét c¸ch chÝnh x¸c. Sù th¸ch thøc ®Ó thu ® îc sè liÖu liªn tôc cña qu¸ tr×nh lμ sù b¶o tr× thÝch hîp hÖ thèng ®o ®¹c vμ sù ph©n tÝch cña nh÷ng nh©n tè ¶nh h ëng tíi qu¸ tr×nh ®ã nh b¨ng vμ nh÷ng nguyªn nh©n kh¸c cña viÖc x©y ®Ëp. §Ó n©ng cao chÊt l îng quan hÖ l u l îng - mùc n íc, cÇn thiÕt ph¶i ®o ®¹c c¸c cÊp l u l îng ë mét ph¹m vi réng. RÊt nhiÒu nh©n tè ¶nh h ëng tíi dßng ch¶y t¹i vÞ trÝ ®o ®¹c cÇn ® îc xem xÐt nh sù bÊt æn ®Þnh cña lßng dÉn hoÆc sù thay ®æi ®é dèc mÆt n íc liªn quan ®Õn sù t¨ng vμ gi¶m cña qu¸ tr×nh sãng lò (Dickenson 1967). Nh÷ng ph ¬ng ph¸p ®o ®¹c vμ tÝnh to¸n dßng ch¶y cã thÓ tham kh¶o ë Rantz cïng céng sù (1982). Nh÷ng n¬i khã ®o ®¹c dßng ch¶y v× nh÷ng ®iÒu kiÖn vÞ trÝ, nh÷ng kü thuËt dïng chÊt chØ thÞ mμu, cã thÓ lμ thay thÕ duy nhÊt, ®Ó ®o l u l îng dßng ch¶y. MÆc dï l u l îng dßng ch¶y cã thÓ ® îc ®o ®¹c kh¸ chÝnh x¸c b»ng nh÷ng ph ¬ng ph¸p dïng chÊt chØ thÞ mμu, nh ng ph ¬ng ph¸p nμy kh«ng ph¶i lμ thÝch hîp cho viÖc theo dâi l u l îng liªn tôc. Ph ¬ng ph¸p nμy dùa vμo nguyªn lý cña thêi gian dÞch chuyÓn, vμ nã ® îc sö dông cã hiÖu qu¶ nhÊt víi nh÷ng dßng ch¶y mμ bÞ x¸o trén tèt nh nh÷ng dßng ch¶y ®i qua khe nói. Ph - ¬ng ph¸p nμy ® îc giíi thiÖu trong mét tμi liÖu cña Wilson (1968) vÒ sù kiÕn ®Þnh vμ øng dông cña nã. MÆc dï dßng ch¶y s«ng ngßi ®Õn vμ ®i khái c¸c hå cã thÓ ® îc ®o ®¹c chÝnh x¸c cho môc ®Ých cña viÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n íc, hiÓu biÕt nh÷ng gi¸ trÞ dßng 67 http://www.ebook.edu.vn
ch¶y vμo vμ ra kh«ng tÊt yÕu dÉn tíi sù am hiÓu vÒ c¬ chÕ t ¬ng t¸c gi÷a hå víi l u vùc cña nã. §Ó hiÓu kü l ìng vÊn ®Ò mét hå vËn hμnh nh thÕ nμo cÇn ph¶i hiÓu nh÷ng ®Æc tr ng dßng ch¶y vμ l u vùc cña nã. Sù hiÓu biÕt nh vËy ®Æc biÖt cÇn cho m« h×nh dù b¸o dßng ch¶y vμ vËn chuyÓn chÊt hßa tan. NhiÒu m« h×nh l u vùc ®· ® îc ph¸t triÓn, biÕn ®æi tõ nh÷ng m« h×nh tham sè tËp trung (Blackie vμ Eeles 1985). HÇu hÕt c¸c m« h×nh l u vùc gièng nhau ë chç lμ chóng xem xÐt tÊt c¶ c¸c thμnh phÇn cña hÖ thèng thñy v¨n t ¬ng t¸c bªn trong l u vùc. Nh vËy, ngoμi viÖc xem xÐt tÊt c¶ c¸c nh©n tè thñy v¨n ¶nh h ëng tíi c©n b»ng n íc cña hå, còng ph¶i xem xÐt tíi sù bèc tho¸t h¬i tõ th îng l u hå. H×nh 2.4: M« h×nh l u vùc cña c¬ quan kh¶o s¸t ®Þa chÊt Hoa Kú. (§ îc söa ®æi tõ Leavesley cïng céng sù 1983) Sù diÔn gi¶i to¸n häc cho nh÷ng qu¸ tr×nh bªn trong vμ gi÷a tÊt c¶ c¸c thμnh phÇn cña nh÷ng m« h×nh l u vùc thay ®æi ®¸ng kÓ gi÷a c¸c m« h×nh. DiÔn to¸n dßng ch¶y cã thÓ ® îc dùa vμo nh÷ng diÔn gi¶i vËt lý chi tiÕt cña dßng ch¶y, hoÆc vËn tèc cña n íc chuyÓn ®éng bªn trong mét thμnh phÇn cã thÓ ® îc kiÓm so¸t bëi nh÷ng ph ¬ng ph¸p ®iÒu chØnh vËn tèc ®¬n gi¶n. Nh÷ng sù t ¬ng ph¶n nμy cã lÏ lμ hiÓn nhiªn nhÊt trong nh÷ng thμnh phÇn bÒ mÆt cña c¸c m« h×nh (xem phÇn 2.3). MÆc dï nh÷ng m« h×nh m a - dßng ch¶y cã thÓ lμ rÊt phøc t¹p vμ cÇn nhiÒu th«ng tin m« pháng mét c¸ch ®Çy ®ñ nh÷ng yÕu tè dßng ch¶y, nh÷ng m« h×nh nμy ® îc sö dông réng r·i trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ dßng ch¶y bÒ mÆt. 68 http://www.ebook.edu.vn
Nh÷ng m« h×nh l u vùc còng thÝch hîp cho viÖc sö dông trùc tiÕp trªn c¸c hå. Bëi viÖc sö dông mùc n íc hå nh biÕn phô thuéc, h¬n lμ l u l îng dßng ch¶y, nh÷ng dao ®éng mùc n íc hå còng cã thÓ ® îc m« pháng. M« h×nh ® îc ph¸t triÓn bëi Crowe vμ Schartz (1981) ®· ® îc sö dông ®Ó m« pháng nh÷ng dao ®éng mùc n íc cña mét sè hå ë vïng ®ång cá Cana®a. M« h×nh lμ t ¬ng ®èi ®Æc biÖt v× phÇn bªn trong mμ nã nhÊn m¹nh tíi lμ n íc ngÇm, vμ còng v× nã xem xÐt vËn chuyÓn chÊt hßa tan. Ngoμi ra, m« h×nh ®· ® îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ ¶nh h ëng cña sù thay ®æi khÝ hËu tíi mùc n íc vμ ®é mÆn cña n íc hå ë Alberta, Canada (Crowe 1993). T ¬ng tù, m« h×nh l u vùc ®· x©y dùng cho nghiªn cøu tÝch hîp axit ho¸ l u vùc vμ hå (ILWAS; Gherini vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1980) ®· ® îc sö dông trªn c¸c hå ë vïng nói Adirondack New York vμ nh÷ng hå ®Þa tÇng b¨ng gi¸ ë phÝa b¾c Wisconsin. 2.3. Sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi n íc s¸t mÆt Thμnh phÇn s¸t mÆt th êng kh«ng ph¶i lμ mét yÕu tè næi bËt cña sù c©n b»ng n íc. §a sè c¸c hå nhËn: cho khÝ quyÓn vμ n íc mÆt nhiÒu n íc h¬n. Tuy nhiªn, xÐt d íi gãc ®é vËn chuyÓn hãa häc, n íc s¸t mÆt cã thÓ lμ quan träng, bëi v× nã lμ mét c¬ chÕ cña sù vËn chuyÓn c¸c hãa chÊt tíi vμ ra khái c¸c hå. VËn chuyÓn hãa häc bëi tÇng n íc s¸t mÆt th«ng th êng cã vai trß lín ®èi víi ®Æc tÝnh hãa häc cña nh÷ng hå kÝn hoÆc nh÷ng hå mμ liªn quan víi c¸c dßng ch¶y nhá. Nghiªn cøu cña nh÷ng hå trong ®Þa tÇng b¨ng gi¸ chØ ra r»ng ®Æc tÝnh hãa häc ion chÝnh cña nhiÒu hå cã liªn quan tíi vÞ trÝ cña nã cÇn chó ý tíi nh÷ng hÖ thèng dßng n íc ngÇm (LaBaugh 1988; Swanson vμ nh÷ng ng êi kh¸c, 1988). Krabbenhoft vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1980) ®· chØ ra tÝnh h÷u hiÖu cña viÖc sö dông nh÷ng chÊt ®ång vÞ m«i tr êng cña n íc ngÇm vμ n íc hå ®Ó nhËn thøc râ h¬n sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå vμ n íc ngÇm trong ®Þa tÇng b¨ng gi¸. Trong ®a sè c¸c nghiªn cøu c©n b»ng n íc hå cã xÐt ®Õn n íc ngÇm, th«ng l îng n íc ngÇm th êng ® îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o trùc tiÕp tõ dßng thÊm. HÇu hÕt nh÷ng thiÕt bÞ th êng sö dông ®Ó ®o dßng thÊm trùc tiÕp lμ nh÷ng ®ång hå ®o thÊm vμ nh÷ng ¸p kÕ ®o thÊm nhá. Nh÷ng ®ång hå ®o thÊm lμ nh÷ng hép ®¬n gi¶n, th«ng th êng lμ ®u«i cña thïng, ® îc chÌn vμo ®Ó bao quanh mét phÇn cña ®¸y hå. Nh÷ng ®ång hå ®o cã mét chç më mμ ë t¹i ®ã mét van vμ mét tói cã thÓ më réng chøa ®ùng mét thÓ tÝch n íc ®· biÕt ® îc g¾n liÒn. VËn tèc thÊm ® îc ®o bëi viÖc ghi nhí bëi sù thay ®æi thÓ tÝch n íc vμo tói qua mét kho¶ng thêi gian van ® îc ®Ó më (Lee 1977). ¸p kÕ nhá lμ ¸p kÕ ® êng kÝnh nhá ® îc chÌn vμo trong ®¸y hå. Nh÷ng thiÕt bÞ ® îc sö dông ®Ó ®o sù chªnh lÖch mùc thuû ¸p gi÷a n íc ngÇm bªn d íi hå vμ mÆt hå b»ng viÖc sö dông ¸p kÕ. §iÒu nμy ® îc hoμn thμnh b»ng c¸ch g¾n mét èng tõ mét bªn cña ¸p kÕ tíi bé phËn ®o ¸p kÕ vμ ®Ó cho c¸i èng kh¸c tõ phÝa kh¸c cña ¸p kÕ ®Æt ë d íi mÆt hå. Nh÷ng thiÕt bÞ nμy ®o gradien thñy lùc; chóng kh«ng ®o thÊm trùc tiÕp nh nh÷ng ®ång hå ®o thÊm. V× nh÷ng ¸p kÕ ®o 69 http://www.ebook.edu.vn
thÕ n¨ng thñy lùc vμ mét ¸p kÕ lμ mét phÇn g¾n liÒn víi thiÕt bÞ, nh÷ng thiÕt bÞ nμy nªn ® îc gäi lμ c¸c ¸p kÕ thÕ vÞ (Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1988). Mét sè nhμ nghiªn cøu ®· quan t©m tíi nh÷ng gi¸ trÞ cña thÊm ® îc x¸c ®Þnh bëi nh÷ng ®ång hå ®o thÊm. VÝ dô, Lee (1977), Erickson (1981), vμ Belanger vμ Montgomery (1992) thö nghiÖm víi sù chÝnh x¸c cña nh÷ng ®ång hå ®o thÊm trong nh÷ng bÓ thÝ nghiÖm, n¬i mμ nh÷ng ®é dèc thñy ¸p vμ vËn tèc dßng ch¶y cã thÓ ® îc kiÓm so¸t. Blanger vμ Montgomery ®· sö dông lÆp l¹i sè liÖu b»ng c¸ch cã b¶y ®ång hå ®o còng nh ¸p kÕ nhá trong mét bÓ thÝ nghiÖm lín ®¬n gi¶n. Shaw vμ Prepas (1990a) còng ®¸nh gi¸ nh÷ng ®ång hå ®o thÊm trong nh÷ng nghiªn cøu lÜnh vùc réng lín. Ngoμi nh÷ng lo¹i bÊt ®Þnh liªn quan ®Õn ®o ®¹c thùc tÕ cña thÊm, ph©n phèi cña thÊm lμ ®ång nhÊt trong c¸c ®¸y hå. L îng thÊm thay ®æi theo kh«ng gian trong ®¸y hå do c¸c trÇm tÝch bÊt ®ång nhÊt, qu¸ tr×nh tho¸t h¬i n íc tõ thùc vËt gÇn bê, vμ sù bÊt ®ång nhÊt cña nh÷ng ® êng dßng n íc ngÇm n¬i mμ mÆt n íc ngÇm dèc uèn cong gÆp bÒ mÆt hå b»ng ph¼ng. Ph©n phèi phi tuyÕn cña thÊm ngang qua mét ®¸y hå ® îc chØ ra tõ nh÷ng nghiªn cøu lý thuyÕt (McBride vμ Pfannkuch 1975; Pfannkuch vμ Winter 1984), tr íc hÕt ®· ® îc sö dông quan s¸t ®ång hå ®o thÊm ë hå Sallie, Minnesota (Lee 1972). Ph©n phèi bÊt ®ång nhÊt cña thÊm ®· ® îc quan s¸t t¹i nhiÒu hå kh¸c trong nhiÒu kiÓu khÝ hËu vμ ®Þa lý thñy v¨n kh¸c nhau nh New England (Asbury 1990), Florida (Fellows vμ Brezonik 1980), Minnesota (Erickson 1981), Nevada (Woessner vμ Sullivan 1984), Alberta (Shaw vμ b Prepas 1990b), Ontario (Lee vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1980), New Zealand (John vμ Lock 1977), T©y Ban Nha (Winter, d÷ liÖu kh«ng xuÊt b¶n), vμ thËm chÝ ë nh÷ng hå Great (Cherkauer vμ McBride 1988). Nh÷ng ®ång hå ®o thÊm vμ ¸p kÕ thÕ vÞ kh«ng gièng nh÷ng c¶m kÕ hoÆc ®Çu dß kh¸c ®· sö dông ®Ó ®o mét dßng n íc t¹i biªn cña hå, nh nh÷ng dông cô ®o m a vμ ®o dßng ch¶y, bëi v× nãi chung chóng ® îc sö dông ®Ó tËp hîp nh÷ng mÉu riªng biÖt trong kh«ng gian vμ thêi gian. Chóng cã sù bÊt lîi, so s¸nh sù kh¸c nhau gi÷a hai c¸i, trong ®ã chóng ch a ® îc sö dông ®Ó theo dâi liªn tôc. Nh÷ng dông cô ®o m a tËp hîp nh÷ng mÉu riªng biÖt trong kh«ng gian, nh ng chóng th êng ® îc nèi víi nh÷ng m¸y tù ghi ®Ó cã thÓ tËp hîp nh÷ng mÉu liªn tôc theo thêi gian. Nh÷ng dông cô ®o dßng ch¶y th× th êng sö dông ®Ó tËp hîp nh÷ng b¶n ghi liªn tôc cña l u l îng. Sù thËt cña nh÷ng phÐp ®o kh¸c trùc tiÕp cña dßng ch¶y, phÐp ®o trùc tiÕp cña thÊm kh«ng dÉn tíi viÖc hiÓu hå t ¬ng t¸c víi c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n nh thÕ nμo mμ t¹o ra dßng ch¶y. Bëi vËy, kh¶o s¸t nh÷ng qu¸ tr×nh thñy v¨n s¸t mÆt liªn quan ®Õn c¸c hå lμ h÷u Ých. Thμnh phÇn s¸t mÆt cña hÖ thèng thñy v¨n th«ng th êng ® îc xö lý nh hai hÖ thèng con, ®íi kh«ng b·o hßa vμ ®íi n íc ngÇm. §íi kh«ng b·o hßa th× ® îc chia nhá thμnh ®íi thæ nh ìng vμ ®íi kh«ng b·o hßa gi÷a n íc thæ nh ìng vμ n íc ngÇm (H×nh 2.5). Mét sè l îng nghiªn cøu ®¸ng kÓ vÒ n íc thæ nh ìng ®· 70 http://www.ebook.edu.vn
® îc nh÷ng nhμ khoa häc n«ng nghiÖp tiÕn hμnh vμ nh÷ng nhμ ®Þa chÊt thñy v¨n tiÕn hμnh vÒ n íc ngÇm. Tuy nhiªn, sù hiÓu biÕt vÒ vËn ®éng cña n íc qua chuçi liªn tôc líp s¸t mÆt ®Çy ®ñ, vμ sù t ¬ng t¸c cña n íc s¸t mÆt víi nh÷ng ®Æc tÝnh bÒ mÆt n íc, nh dßng ch¶y, hå, vμ nh÷ng vïng ®Çm lÇy th× cã h¹n. H×nh 2.5: C¸c ®íi n íc s¸t mÆt liÒn kÒ víi tÇng n íc mÆt. H×nh 2.6a-e: C¸c kh¸i niÖm cña s¶n phÈm dßng ch¶y tõ c¸c s ên dèc. a: dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt qua toμn bé mÆt ®åi vμ kh«ng cã dßng ngÇm; b: dßng ch¶y trªn mÆt ®Êt ë tr©n ®åi vμ kh«ng cã dßng ngÇm; c: dßng ch¶y trªn mÆt ë tr©n ®åi khi vÞ trÝ kÕt thóc cña n íc ngÇm lé ra khái mÆt ®Êt; d: dßng lò s¸t mÆt; e: dßng ch¶y phøc t¹p trong ®íi kh«ng b o hßa lμ kÕt qu¶ cña tÝnh thÊm kh¸c nhau cña c¸c tÇng ®Êt vμ hoμn toμn kh«ng cã dßng ch¶y mÆt. P lμ gi¸ng thñy; Pc lμ gi¸ng thñy trong lßng dÉn; f lμ sù thÊm; of lμ dßng ch¶y mÆt; rf lμ dßng ch¶y trë l¹i; if lμ dßng phèi hîp; ï lμ dßng ch¶y trong ®íi kh«ng b o hßa; wt lμ mùc n íc ngÇm. (x¸c ®Þnh tõ Beven 1986) Nghiªn cøu vÒ c¸c ®íi s¸t mÆt kh¸c nhau cña c¸c nhμ khoa häc tõ nh÷ng nguyªn lý kh¸c nhau ®· dÉn ®Õn mét sè kh¸i niÖm liªn quan tíi nh÷ng c¬ chÕ cña dßng n íc qua líp s¸t mÆt, ® îc tr×nh bμy trong h×nh 2.6. Nh÷ng sù kh¸c nhau c¬ b¶n trong kh¸i niÖm liªn quan tíi sù ph©n vïng cña n íc gi÷a dßng 71 http://www.ebook.edu.vn
ch¶y trªn mÆt, dßng ch¶y trong ®íi kh«ng b·o hßa, vμ dßng ch¶y ngÇm. Nh÷ng kh¸i niÖm vμ nh÷ng ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå vμ n íc ngÇm ® îc giíi thiÖu ë ®©y ¸p dông t ¬ng ® ¬ng nhau cho bÊt kú lo¹i h×nh bÒ mÆt n íc nμo, miÔn chóng lμ nh÷ng dßng ch¶y, hå, hoÆc nh÷ng vïng ®Çm lÇy Nh÷ng nghiªn cøu cña hÖ thèng s¸t mÆt ®èi víi vÊn ®Ò vÒ hå ®· ® îc tiÕn triÓn däc theo hai khung nhËn thøc tæng qu¸t: (1) thñy v¨n häc l u vùc, nh ® îc sö dông trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ m a - dßng ch¶y, vμ (2) thñy v¨n häc n íc ngÇm. Kh¸i niÖm thñy v¨n häc l u vùc, ®«i khi ® îc viÖn dÉn nh thñy v¨n häc s ên dèc, ®· ® îc sö dông ®èi víi vÊn ®Ò vÒ hå bëi chØ mét sè Ýt nh÷ng nhμ khoa häc nh Crowe vμ Schwartz (1981) vμ Gherini vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1985). Tuy nhiªn, khi quan t©m tíi nh÷ng mèi liªn kÕt gi÷a n íc vμ chÊt hßa tan gi÷a c¸c hå vμ c¸c l u vùc cña chóng t¨ng lªn, nh÷ng m« h×nh m« t¶ toμn bé nh÷ng qu¸ tr×nh l u vùc cã vÎ ® îc sö dông ngμy cμng t¨ng nh mét bé phËn cña nh÷ng nghiªn cøu thñy v¨n häc hå. Kirkby (1985) ®· ® a ra mét tæng quan h÷u Ých vÒ nh÷ng kh¸i niÖm cña thñy v¨n s ên dèc. Mét sè c¸c nhμ thñy v¨n l u vùc ®· chØ ra r»ng ®a sè n íc trong líp s¸t mÆt ch¶y qua nh÷ng lç hæng lín trong ®íi kh«ng b·o hßa. Sù thõa nhËn réng r·i kh¸i niÖm nμy cña dßng ch¶y u tiªn trong ®íi kh«ng b·o hßa ® îc tiÕn hμnh trong vïng s ên ®åi dèc bÞ rõng bao phñ. Germann vμ Beven (1985) sö dông lý thuyÕt sãng ®éng häc ®Ó m« t¶ b»ng to¸n häc dßng ch¶y cña n íc s¸t mÆt qua c¸c lç hæng vÜ m« ë c¸c s ên ®åi. Thùc hμnh nghiªn cøu b»ng to¸n häc cña thμnh phÇn s¸t mÆt cña thñy v¨n häc s ên dèc nh mét bé phËn cña nh÷ng m« h×nh m a - dßng ch¶y tham sè tËp trung hoÆc ph©n phèi, hoÆc kÕt hîp c¶ hai. Blackie vμ Eeles (1985) cung cÊp mét tæng quan vÒ nh÷ng m« h×nh l u vùc tham sè tËp trung, bao gåm lÞch sö ph¸t triÓn cña chóng. Trong nh÷ng m« h×nh l u vùc nguyªn thñy, nh÷ng thμnh phÇn s¸t mÆt ® îc xem xÐt nh nh÷ng ®¬n vÞ tËp trung ®¬n gi¶n qua toμn bé l u vùc. Trong ®a sè c¸c nghiªn cøu hiÖn cã, l u vùc ® îc chia c¾t thμnh nh÷ng ®¬n vÞ nhá nh c¸c l u vùc con hoÆc c¸c khèi ®¬n vÞ rêi r¹c, hoÆc ph ¬ng n»m ngang hoÆc th¼ng ®øng, hoÆc c¶ hai. Nh÷ng ®¬n vÞ nhá h¬n nμy sau ®ã ® îc xö lý b»ng ph ¬ng ph¸p tham sè tËp trung. Mét vÝ dô vÒ mét m« h×nh l u vùc xö lý tÇng n íc s¸t mÆt b»ng c¸ch kÕt hîp nμy lμ m« h×nh cña Leavesley vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1983), ®· ® îc bμn luËn tr íc ®ã (H×nh 2.4). KÌm theo lμ sù m« t¶ ng¾n gän nh÷ng thμnh phÇn s¸t mÆt cña m« h×nh cho thÊy trong h×nh 2.4. Dßng ch¶y ë ®íi kh«ng b·o hßa (® îc xem nh dßng ch¶y s¸t mÆt bëi Leavesley vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1983) ® îc xÐt nh lμ sù chuyÓn ®éng t ¬ng ®èi nhanh cña n íc tõ ®íi kh«ng b·o hßa ®Õn lßng dÉn. Dßng ch¶y xuÊt hiÖn trong suèt qu¸ tr×nh m a vμ tuyÕt tan còng nh thêi ®o¹n sau cña nã. Dßng ch¶y ®Õn kho 72 http://www.ebook.edu.vn
n íc kh«ng b·o hßa xuÊt hiÖn khi ®íi thæ nh ìng cã kh¶ n¨ng gi÷ n íc cùc ®¹i bÞ v ît qu¸, vμ l îng v ît tr÷ nμy lín h¬n tèc ®é håi quy tõ ®íi kh«ng b·o hßa ®Õn kho chøa n íc ngÇm, cã nghÜa lμ, sù chªnh lÖch gi÷a l îng v ît tr÷ nμy vμ tèc ®é håi quy lμ dßng ch¶y vμo kho n íc kh«ng b·o hßa. L u l îng tõ kho n íc s¸t mÆt hoÆc ®i tíi ®íi n íc ngÇm n«ng, hoÆc di chuyÓn däc s ên dèc trong nh÷ng líp ®Êt máng tõ ®iÓm thÊm ®Õn ®iÓm nhËp vμo mét con s«ng hoÆc suèi phÝa trªn mùc n íc ngÇm. C¸c hÖ sè cña thÓ tÝch tr÷ n íc vμ cña diÔn to¸n dßng ch¶y ph¶i ® îc x¸c ®Þnh cho mçi kho chøa ®íi kh«ng b·o hßa. L îng tr÷ ban ®Çu th êng ® îc íc l îng b»ng kh«ng. Nh÷ng gi¸ trÞ cña hÖ sè diÔn to¸n th× ® îc tÝnh to¸n tõ sè liÖu dßng ch¶y lÞch sö. §èi víi tr êng hîp tuyÕn tÝnh, hÖ sè diÔn to¸n ® îc ®¸nh gi¸ b»ng viÖc sö dông kü thuËt t¸ch tõ ®å thÞ thñy v¨n nh Linsley vμ nh÷ng ng êi kh¸c ®· m« t¶ (1975). HÖ thèng n íc ngÇm ® îc nhËn thøc nh mét kho chøa tuyÕn tÝnh vμ ® îc gi¶ thiÕt lμ nguån cña tÊt c¶ dßng ch¶y c¬ së. N íc cã thÓ di chuyÓn tíi kho n íc ngÇm hoÆc tõ ®íi thæ nh ìng, hoÆc tõ kho chøa ®íi kh«ng b·o hßa, hoÆc c¶ hai. Cung cÊp cho n íc ngÇm tõ ®íi thæ nh ìng x¶y ra chØ khi kh¶ n¨ng tÝch tr÷ bÞ v ît qu¸, vμ bÞ h¹n chÕ bëi mét tèc ®é håi quy cùc ®¹i ngμy. L îng håi quy cho n íc ngÇm tõ kho chøa s¸t mÆt x¶y ra hμng ngμy bëi n íc s½n cã trong kho chøa s¸t mÆt. Bëi vËy, sö dông n¹p l¹i tõ kho chøa s¸t mÆt mét c¸ch u ®·i th«ng qua n¹p l¹i ®ãng gãp tõ ®íi thæ nh ìng cã thÓ gi¶m dßng ch¶y s¸t mÆt vμ t¨ng l îng ®ãng gãp cña dßng ch¶y ngÇm cho biÓu ®å thñy v¨n ® îc m« pháng. Mét vÝ dô cho c¸ch tiÕp cËn kh¸c ®Ó m« h×nh hãa dßng ch¶y s¸t mÆt lμ h íng tiÕp cËn m« pháng BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch (Troendle 1985). Kh¸i niÖm BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch (Hewlett vμ Hibbert 1963) gi¶ thiÕt r»ng dßng ch¶y lò s¸t mÆt lμ mét nguån chÝnh cña tÇng n íc mÆt. Kh¸i niÖm nμy cho r»ng thÓ tÝch lín nhÊt cña l îng n íc s¸t mÆt di chuyÓn qua ®íi kh«ng b·o hßa, vμ n íc ngÇm gÇn nh kh«ng quan träng. Kh¸i niÖm BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch tr íc ®Êy ®· ® îc chÊp nhËn ®Ó ¸p dông cho nh÷ng vïng nói bao phñ bëi rõng ë phÝa ®«ng Hoa Kú, vÒ sau nh÷ng kh¸i niÖm nμy ®· ® îc sö dông ®Ó m« t¶ dßng n íc s¸t mÆt ë c¸c vïng víi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c. H íng tiÕp cËn m« pháng BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch cã nhiÒu ®Æc tr ng cña mét m« h×nh b·o hßa biÕn ®æi tham sè ph©n phèi hoμn chØnh. S ên dèc ® îc chia c¾t thμnh nh÷ng khèi riªng biÖt, c¶ theo ph ¬ng n»m ngang vμ ph ¬ng th¼ng ®øng, vμ n íc ® îc di chuyÓn gi÷a nh÷ng khèi theo ph ¬ng tr×nh cña Richards (1931). M« h×nh BiÕn sè - Nguån - DiÖn tÝch ®· ® îc ph¸t triÓn bëi Troendle (1985) sau ®ã ® îc söa ®æi bëi P.Y.Bernier (Troendle 1985). C¸c m« h×nh rêi r¸c ho¸ hoμn toμn m« pháng dßng ch¶y s¸t mÆt phôc vô thñy v¨n häc l u vùc kh«ng ® îc nghiªn cøu réng r·i, bëi v× nh÷ng h¹n chÕ vÒ nhËn thøc vμ h¹n chÕ vÒ kh¸i niÖm cña m«i tr êng s¸t mÆt cña s ên dèc. Tuy nhiªn, tÝnh h÷u dông cña nh÷ng m« h×nh nh vËy ® îc chØ ra bëi Freeze (1972) vμ Stephenson vμ Freeze (1974), vμ nh÷ng nhμ thñy v¨n häc l u vùc gia t¨ng sù 73 http://www.ebook.edu.vn
ph¸t triÓn nh÷ng m« h×nh tham sè ph©n phèi. Beven (1985) th¶o luËn vÒ mét vμi m« h×nh cïng víi viÖc tËp trung vμo m« h×nh ph©n bè cña ViÖn Thuû v¨n Anh (IHDM). C¸ch tiÕp cËn tham sè ph©n phèi ®Ó m« h×nh hãa vμ nghiªn cøu dßng ch¶y s¸t mÆt theo quan ®iÓm thñy v¨n l u vùc thuéc kh¸i niÖm chÝnh thø hai dÉn ®Õn khu«n khæ t×m hiÓu sù t ¬ng t¸c cña hå víi tÇng n íc s¸t mÆt, lμ n íc ngÇm. NhiÒu th¶o luËn sau nμy cña n íc ngÇm liªn quan tíi nh÷ng nghiªn cøu cña m« h×nh hãa n íc ngÇm, bëi v× nh÷ng m« h×nh n íc ngÇm riªng biÖt ®· ® îc sö dông réng r·i trong viÖc nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña c¸c hå víi tÇng n íc s¸t mÆt. §a sè c¸c h×nh d¹ng bÒ mÆt n íc cã mét giao diÖn réng lín thùc sù víi hÖ thèng n íc ngÇm ë ®¸y cña chóng. Giao diÖn réng lín thùc sù kh¸c duy nhÊt mμ bÒ mÆt n íc cã lμ víi khÝ quyÓn. Nãi chung kh«ng tån t¹i mét mÆt tiÕp xóc gi÷a tÇng n íc mÆt vμ ®íi kh«ng b·o hßa; v× bÒ mÆt cña hÖ thèng n íc ngÇm, mùc n íc ngÇm, tiÕp xóc víi tÇng n íc mÆt t¹i ® êng biªn (H×nh 2.5). V× n íc ngÇm vμ n íc mÆt cã mét mÆt tiÕp xóc t ¬ng ®èi réng, t ¬ng t¸c cña hai lo¹i n íc ®· ® îc quan t©m tõ h¬n 100 n¨m nay (Hall 1968). Tõ c«ng tr×nh cña Boussinesq (1877) cho ®Õn gÇn ®©y, mèi t ¬ng t¸c gi÷a n íc mÆt vμ n íc ngÇm ®· ® îc nghiªn cøu tõ h×nh ¶nh cña sù rót dßng ch¶y (Barnes 1939; Knisel 1963; Rorabaugh 1964). ViÖc ph©n tÝch sù rót ®i vÉn ® îc sö dông, nh thñ tôc m a - dßng ch¶y ® îc Leavesley vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1983) chØ ra, nh÷ng nghiªn cøu cña hå Woods vμ hå Panther, New York, ® îc thùc hiÖn bëi Murdrock vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1987), nghiªn cøu dßng ch¶y vμo hå Mirror, New Hampshire (Winter vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1989), vμ nh÷ng nghiªn cøu dßng ch¶y ë vïng phÝa ®«ng Hoa Kú (Rutledge 1993). Sù ph©n tÝch rót n íc dùa vμo mét m« h×nh dßng ch¶y mét chiÒu mμ yªu cÇu gi¶ thiÕt r»ng dßng ch¶y hoμn toμn ngÊm xuèng hÖ thèng n íc ngÇm (H×nh 2.7). C¸c gi¶ thiÕt kh¸c cÇn ®Ó chøng minh viÖc sö dông nh÷ng m« h×nh ®¬n gi¶n hãa bËc cao nμy lμ ®óng bao gåm: (1) M«i tr êng xèp ph¶i lμ ®ång nhÊt vμ ®¼ng h íng, vμ (2) tÇng ngËm n íc ph¶i cã ®é dμy vμ h×nh d¹ng ®ång nhÊt tõ thuû vùc mÆt ®Õn vÞ trÝ ® êng ph©n t¸ch n íc ngÇm. Sè liÖu duy nhÊt cÇn sö dông sù ph©n tÝch rót n íc lμ mét giai ®o¹n ®ñ dμi cña b¶n ghi dßng ch¶y liªn tôc ®Ó x¸c ®Þnh ®é dèc rót n íc chÝnh x¸c. 74 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 2.7: N íc mÆt hoμn toμn thÊm xuèng hÖ thèng n íc ngÇm Sù nghiªn cøu hiÖn thùc h¬n vÒ sù t ¬ng t¸c gi÷a n íc mÆt vμ n íc ngÇm ®ßi hái sù ph©n tÝch tÊt ®Þnh c¸c hÖ thèng hai vμ ba chiÒu. Ngoμi ra, lo¹i ph©n tÝch nμy ® îc dïng ®Ó ®¸nh gi¸ kh¸i niÖm cña dßng ch¶y n íc s¸t mÆt trªn c¸c s ên dèc ®· ®Ò cËp tr íc ®ã còng nh tÝnh hîp lÖ vμ nh÷ng sù giíi h¹n cña sù ph©n tÝch n íc rót. Ph ¬ng tr×nh th êng sö dông ®Ó m« t¶ dßng ch¶y ngÇm cho c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng c©n b»ng trong m«i tr êng xèp bÊt ®ång nhÊt vμ dÞ h íng (McDonald vμ Harbaugh 1984) lμ mét sù kÕt hîp cña ph ¬ng tr×nh liªn tôc vμ ph ¬ng tr×nh Darcy: h h h h (1) K XX K YY K zz W Ss x x y y z z t trong ®ã x, y vμ z lμ nh÷ng täa ®é §ecac liªn kÕt däc theo nh÷ng trôc chÝnh cña c¸c hÖ sè dÉn thñy lùc KXX, KYY, KZZ; h lμ cét thÕ n¨ng; W lμ th«ng l îng thÓ tÝch trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch, ®¹i diÖn cho nh÷ng nguån n íc thªm vμo hay mÊt ®i; Ss lμ l îng tr÷ ®Æc biÖt cña vËt chÊt xèp; vμ t lμ thêi gian. Víi nh÷ng ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn ®Þnh, ph ¬ng tr×nh ® îc ®¬n gi¶n hãa bëi viÖc kh«ng xÐt thμnh phÇn th«ng l îng, W, vμ ®Æt vÕ ph¶i cña ph ¬ng tr×nh b»ng 0. Toth (1963) t×m nghiÖm gi¶i tÝch cña ph ¬ng tr×nh (1) viÕt cho dßng ch¶y ngÇm æn ®Þnh hai chiÒu theo ph ¬ng th¼ng ®øng. Sù ph©n tÝch nμy tËp trung vÒ viÖc ®¸nh gi¸ nh÷ng h×nh thÕ dßng ch¶y g©y ra bëi nh÷ng h×nh thÕ mùc n íc ngÇm kh¸c nhau. Toth gi¶ thiÕt r»ng, m«i tr êng xèp lμ ®¼ng h íng vμ ®ång nhÊt lμm cho c¸ch tiÕp cËn ph©n tÝch dÔ dμng. C¸c ®iÒu kiÖn biªnm kh«ng thÊm ® îc sö dông t¹i ®¸y vμ c¸c c¹nh khu vùc nghiªn cøu. § êng mùc n íc ngÇm ® îc m« pháng theo d¹ng sãng h×nh sin, mμ biªn ®é vμ ®é dèc toμn phÇn cña nã ® îc thay ®æi ®Ó t¹o ra c¸c ®é dèc vïng vμ cao ®é mùc n íc ®Þa ph ¬ng kh¸c nhau. Nh÷ng kÕt qu¶ cña nghiªn cøu nμy chØ ra lý thuyÕt vÒ sù hiÖn diÖn cña c¸c hÖ thèng dßng ch¶y víi c¸c quy m« kh¸c nhau ®Þa ph ¬ng, trung gian, vïng (H×nh 2.8) vμ kÝch th íc kh¸c nhau, phô thuéc vμo h×nh thÕ cña mùc n íc ngÇm. Nh÷ng khu vùc ch a ® îc dù ®Þnh nghiªn cøu sù t ¬ng t¸c cña n íc ngÇm vμ n íc mÆt, nh ng nh÷ng kh¸i niÖm ®· giíi thiÖu bëi Toth lμ sù thóc ®Èy nh÷ng ng êi kh¸c nghiªn cøu sau nμy vÒ sù t ¬ng t¸c cña n íc ngÇm vμ n íc mÆt. 75 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 2.8: MÆt c¾t thñy v¨n cña mét thiÕt ®Æt hai chiÒu cã tÝnh gi¶ thiÕt thÓ hiÖn c¸c hÖ thèng dßng ch¶y côc bé, trung b×nh, vμ khu vùc trong mét hå chøa n íc ngÇm. (§ îc x¸c ®Þnh bëi Toth 1963) Lêi gi¶i sè cña ph ¬ng tr×nh (1) tá ra linh ho¹t h¬n lêi gi¶i gi¶i tÝch cña ph- ¬ng tr×nh dßng ch¶y n íc ngÇm cho nh÷ng nghiªn cøu cña hÖ thèng dßng n íc ngÇm, bëi v× ®é xèp kh«ng ph¶i lμ ®ång nhÊt vμ ®¼ng h íng, vμ nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn, kÓ c¶ h×nh d¹ng cña mÆt n íc ngÇm, cã thÓ lμ phøc t¹p (Freeze vμ Witherspoon 1967). Bëi v× tÝnh linh ho¹t nμy, Winter (1976) sö dông ph ¬ng ph¸p sè ®Ó nghiªn cøu lý thuyÕt vÒ hÖ thèng dßng n íc ngÇm liªn quan ®Õn c¸c hå cho mét sè h×nh thÕ h×nh häc kh¸c nhau cña hå vμ mét sù ®a d¹ng réng vÒ nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn cña hÖ thèng n íc ngÇm. Nghiªn cøu nμy ®· ® îc thiÕt kÕ ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng kiÓu dßng ch¶y ngÇm vμ nh÷ng mÉu thÊm ®¸y hå ® îc t¹o ra do sù kh¸c biÖt cña c¸c yÕu tè: (1) h×nh häc cña hÖ thèng n íc ngÇm, (2) ®é dÞ h íng, lμ tû sè gi÷a hÖ sè thñy lùc cña ph ¬ng ngang víi hÖ sè dÉn thuû lùc cña ph ¬ng th¼ng ®øng, vμ lμ mét hμm cña h¹t ® îc ®Þnh h íng trong ®Êt ®¸, (3) sù ph©n bè cña c¸c vïng cã ®é dÉn thuû lùc cao, (4) h×nh thÕ mÆt n íc ngÇm, vμ (5) ®é s©u cña hå. C¸c ph©n tÝch ® îc tiÕn hμnh xÐt trong mÆt c¾t th¼ng ®øng hai chiÒu, v× vËy chóng cã øng dông chØ cho nh÷ng hå th¼ng dμi ch¶y theo h íng vu«ng gãc víi h íng dßng ngÇm. H¬n n÷a, nh÷ng sù m« pháng lμ cña ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i æn ®Þnh, cã nghÜa lμ, víi mét mÆt n íc ngÇm cè ®Þnh. § êng mùc n íc ngÇm ® îc ®Þnh h×nh sao cho hai ®Ønh thuû ¸p n»m ë hai bªn cña mÆt c¾t vμ ®Ønh nμy cao h¬n ®Ønh kia. Kh«ng cã m« pháng nμo ® îc tiÕn hμnh cho tr êng hîp mùc n íc ngÇm thÊp h¬n mùc n íc hå, bëi v× ®iÒu nμy râ rμng dÉn ®Õn sù thÊm ra khái hå. 76 http://www.ebook.edu.vn