11 Các chủ đề đặc biệt trong thủy văn

Chương này đề cập đến các tình huống đặc biệt vượt ra ngoài các phương pháp tiêu chuẩn: giảm thiểu tác động đến đất ngập nước, thủy văn do tuyết tan, và thủy văn vùng đất khô hạn.

11.1 Vùng đất ngập nước và Giảm thiểu đất ngập nước

Thủy văn và sinh học cung cấp cơ sở cho việc phân tích các vùng đất ngập nước và thiết kế các dự án giảm thiểu tác động đến đất ngập nước. Do đó, để một dự án giảm thiểu đất ngập nước thành công, cần có một nhóm chuyên gia liên ngành, tối thiểu bao gồm một nhà khoa học về đất ngập nước và một kỹ sư thủy văn. Phần này tập trung vào vai trò của kỹ sư thủy văn và các công cụ mà họ sử dụng. Việc tập trung này không làm giảm vai trò của nhà khoa học đất ngập nước; thay vào đó, nó thừa nhận những đóng góp về kiến thức và công cụ của họ trong quá trình giảm thiểu.

11.1.1 Những cơ sở về Đất ngập nước

Đất ngập nước thường được tìm thấy ở nơi có hiện tượng bão hòa mặt đất vĩnh viễn đến bán vĩnh viễn hoặc bão hòa mặt đất trong mùa sinh trưởng. Khi không có nước mặt, đất ngập nước có thể được duy trì chủ yếu bởi nước ngầm. Đất ngập nước thường được đặc trưng bởi hiện tượng ngập nước vĩnh viễn hoặc theo mùa; các loài thực vật ưa nước (thích nghi để phát triển hoàn toàn hoặc một phần trong nước); và các loại đất đặc biệt phát triển trong môi trường yếm khí (bão hòa).

Sự khác biệt khu vực và địa phương về khí hậu, thủy văn, địa hình, đất đai, thảm thực vật, và hóa học nước dẫn đến sự phân bố rộng rãi về mặt địa lý của đất ngập nước với các đặc điểm khác nhau. Các nhà khoa học đất ngập nước phân loại đất ngập nước thành hai loại chính: đất ngập nước thủy triều và không thủy triều. Họ tiếp tục phân loại chúng thành các đầm lầy, đầm lầy lông chim, đất than bùn, hoặc đầm lầy than bùn, dựa trên thảm thực vật và các đặc điểm khác (Zeedyck 1996, USEPA 2019).

Thông thường, sự hiện diện của nước do ao tù, ngập lụt hoặc bão hòa đất không phải lúc nào cũng là chỉ số đáng tin cậy về đất ngập nước. Nhiều vùng đất ngập nước có tính chất khô theo mùa, đặc biệt là ở các vùng khô cằn và bán khô cằn phía Tây. Lượng nước có mặt và thời điểm xuất hiện của nó, một phần, xác định chức năng và giá trị của đất ngập nước và vai trò của nó trong môi trường.

Về mặt quy định liên bang, Bộ Quy định Liên bang định nghĩa đất ngập nước là “những khu vực bị ngập hoặc bão hòa bởi nước mặt hoặc nước ngầm ở tần suất và thời gian đủ để hỗ trợ, và trong điều kiện bình thường có hỗ trợ, sự phổ biến của thảm thực vật thích nghi với cuộc sống trong điều kiện đất bão hòa. Đất ngập nước thường bao gồm đầm lầy, đầm lầy, than bùn và các khu vực tương tự” [33 CFR 328.3, 40 CFR 120.2, và 23 CFR 777.2]. Trong một số trường hợp, các bang và chính quyền địa phương cũng có các luật và quy định đất ngập nước có thể áp dụng tùy theo vị trí của dự án.

Khi định nghĩa liên bang được áp dụng, các nhà khoa học đất ngập nước sử dụng định nghĩa này để xác định sự tồn tại và phạm vi của một đất ngập nước. Khi họ xác định vị trí của một vùng đất ngập nước, nhóm đánh giá đa ngành sẽ đánh giá các tác động tiềm năng của một dự án giao thông đối với đất ngập nước và phát triển các chiến lược giảm thiểu thích hợp. [Xem 40 CFR Phần 230, Phụ lục J; 33 CFR Phần 332; và 23 CFR Phần 777].

Ba điều kiện được rút ra từ định nghĩa liên bang của đất ngập nước tại 33 CFR 328.3 được sử dụng trong việc đặc trưng một vùng đất ngập nước:

• Thảm thực vật ưa nước chiếm ưu thế: thảm thực vật thích nghi với điều kiện ẩm ướt.
• Đất ưa ẩm: các loại đất hình thành trong điều kiện ẩm ướt ít nhất là theo chu kỳ.
• Bão hòa ở hoặc gần bề mặt, hoặc ngập nước trong một khoảng thời gian nào đó trong năm.

Theo thời gian, sự hiện diện của điều kiện thủy văn thích hợp sẽ thúc đẩy sự phát triển của thảm thực vật ưa nước và đất ưa ẩm. Những thay đổi tự nhiên hoặc nhân tạo đến điều kiện thủy văn làm tăng lượng nước tại một vị trí theo thời gian sẽ thu hút thảm thực vật ưa nước và tạo ra điều kiện cho sự hình thành đất ưa ẩm, từ đó có thể tạo ra vùng đất ngập nước. Quá trình này đã được quan sát thấy, dưới hình thức không chủ ý, trong các công trình quản lý nước mưa. Các vùng đất ngập nước được tạo ra một cách không chủ ý đã thu hút sự giám sát theo quy định, điều này đến lượt nó gây ra các vấn đề bảo trì ở một số nơi.

Việc định lượng các thuật ngữ dùng để mô tả đất ngập nước là một thách thức chính trong việc phân định, phân tích và thiết kế vùng đất ngập nước. Các thuật ngữ như “theo chu kỳ”, “một khoảng thời gian nào đó”, và “năm trung bình” là những ví dụ. Nhà khoa học đất ngập nước đóng vai trò then chốt trong việc xác định nhu cầu sinh thái của các cộng đồng thực vật mong muốn, trong khi kỹ sư thủy văn phân tích và thiết kế một hệ thống để cung cấp lượng nước cần thiết.

11.1.1.1 Chức năng và Giá trị

Với những đặc điểm và chức năng đa dạng của một vùng đất ngập nước trong hệ sinh thái, việc giảm thiểu đất ngập nước hiệu quả vượt ra ngoài việc đáp ứng các điều kiện về thảm thực vật, đất và thủy văn được dùng để mô tả một vùng đất ngập nước. Nếu một dự án giao thông ảnh hưởng đến vùng đất ngập nước hiện có, việc giảm thiểu sẽ xem xét các chức năng hiện có của vùng đất ngập nước cũng như giá trị gắn liền với các chức năng đó. Bằng cách này, nhóm thực hiện dự án có thể chuyển các chức năng và giá trị đó sang một vị trí khác hoặc thay thế chúng bằng các chức năng và giá trị tương đương. Đánh giá chức năng là phương pháp xác định các chức năng của vùng đất ngập nước hiện có.

Chức năng của vùng đất ngập nước mô tả các quá trình tự nhiên do vùng đất ngập nước thực hiện. Xã hội loài người đánh giá các chức năng này. Giá trị, do đó, mang tính chủ quan và có thể thay đổi từ nhóm này sang nhóm khác, từ nơi này sang nơi khác và theo thời gian.

Các vùng đất ngập nước hiệu quả có thể cung cấp nhiều chức năng và giá trị đáng kể, trong khi các vùng đất ngập nước suy thoái có thể thực hiện rất ít chức năng và do đó mang lại giá trị thấp. Các chức năng của đất ngập nước được phân thành ba nhóm chính: sinh thái, kinh tế, và giải trí/thẩm mỹ. Các chức năng này bao gồm:

• Sinh thái
  • Lưu trữ và điều tiết nước lũ.
  • Chất lượng nước.
  • Sinh cảnh và nguồn thức ăn cho cá và động vật hoang dã.
• Kinh tế
  • Nông nghiệp.
  • Khai thác gỗ.
  • Các sản phẩm đặc biệt.
  • Doanh thu từ hoạt động giải trí.
• Giải trí/Thẩm mỹ
  • Săn bắn và bẫy thú.
  • Chèo thuyền.
  • Quan sát chim.
  • Nhiếp ảnh.
  • Câu cá và bắt nghêu.

11.1.1.2 Chiến lược Giảm thiểu

Sự đa dạng của các chức năng đất ngập nước và những thách thức trong việc giảm thiểu hiệu quả sự phá hủy các vùng đất ngập nước hiện hữu dẫn đến một hệ thống phân cấp các lựa chọn để ứng phó với khả năng mất đất ngập nước. Như minh họa trong Hình 11.1, các lựa chọn này bao gồm — theo thứ tự ưu tiên — tránh, giảm thiểu, và bù đắp. [40 CFR 230.91(c); 33 CFR Phần 332.1(c); 23 CFR 777.3, 777.9].

Tránh tác động sẽ giữ nguyên các chức năng và giá trị của một vùng đất ngập nước hiện hữu. Khi khả thi, các nhà quy hoạch ưa chọn phương án này vì nó bảo tồn các chức năng đã biết và tránh được những bất định trong các cách tiếp cận giảm thiểu khác.

Khi một số tác động không thể tránh khỏi, các nhà quy hoạch sẽ tìm cách giảm thiểu tác động đến vùng đất ngập nước hiện có. Bù đắp cũng có thể phù hợp để bổ sung cho một chiến lược giảm thiểu. [Xem 40 CFR Phần 230, Phụ lục J; 33 CFR Phần 332; và 23 CFR Phần 777].

Khi các tác động của dự án đòi hỏi phải bù đắp, các nhà quy hoạch sẽ xem xét một số phương án, mỗi phương án đều có lợi ích và thách thức riêng. Những lựa chọn này bao gồm việc tạo ra vùng đất ngập nước mới, khôi phục các vùng đất ngập nước bị suy thoái hoặc tăng cường các vùng đất ngập nước hiện hữu. [23 CFR 230.92]. Phục hồi và tăng cường thường được ưu tiên vì khả năng thành công cao hơn (Marble and Riva 2002).

• Tác động đến vùng đất ngập nước
  • Tránh tác động – Ưu tiên 1
  • Giảm thiểu tác động – Ưu tiên 2
  • Bù đắp tác động – Ưu tiên 3
    • Tạo mới
    • Khôi phục
    • Nâng cấp

Sự đa dạng của các yếu tố quyết định tính khả thi của vùng đất ngập nước làm phức tạp quá trình giảm thiểu thông qua việc tạo mới hoặc khôi phục vùng đất ngập nước bị suy thoái. Việc mua tín chỉ tại ngân hàng đất ngập nước là một lựa chọn bổ sung cho chiến lược giảm thiểu đất ngập nước. Các ngân hàng đất ngập nước cung cấp quyền tiếp cận các vùng đất ngập nước được tạo và duy trì sẵn để phục vụ nhu cầu mua tín chỉ của những người cần bù đắp tổn thất ở nơi khác. Ví dụ, nếu một dự án đường bộ có tác động không thể tránh khỏi lên 1 mẫu đất ngập nước, dự án đó có thể thực hiện biện pháp bù đắp thông qua việc mua tín chỉ tại một ngân hàng đất ngập nước đã được phê duyệt.

11.1.1.3 Các Loại Đất Ngập Nước

Đất ngập nước khác nhau về nguồn nước, địa chất, hình thái, và địa hình. Hình 11.2, Hình 11.3, và Hình 11.4 thể hiện các vùng đất ngập nước rất khác biệt nhau.

Các nhà khoa học đất ngập nước đã phát triển và áp dụng nhiều hệ thống phân loại khác nhau. Các hệ thống phân loại đất ngập nước tiếp tục phát triển khi các nhà khoa học hiểu rõ hơn về đất ngập nước và chức năng của chúng trong môi trường. Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đất ngập nước thường sử dụng hệ thống Cowardin hoặc phương pháp địa hình – thủy văn (Hydrogeomorphic – HGM).

Dịch vụ Cá và Động vật hoang dã Hoa Kỳ (USFWS – Cowardin và cộng sự, 1992) đã phát triển một hệ thống phân loại tập trung vào việc lập bản đồ các loại đất ngập nước và xác định cách thức hệ sinh thái của đất ngập nước phù hợp với hệ sinh thái xung quanh. Mặc dù hệ thống USFWS kết hợp một số yếu tố của thủy văn và thảm thực vật, nó không tập trung vào các yếu tố này.

Hệ thống HGM, do Brinson phát triển (1993), phân loại đất ngập nước dựa trên đặc điểm hình thái địa mạo, nguồn nước, và động lực học thủy văn. Brinson sử dụng năm nhóm HGM: sông ngòi (riverine), ven bờ (fringe), trũng (depressional), dốc (slope), và đồng than bùn rộng lớn (extensive peatlands).

11.1.1.4 Chu kỳ ngập nước (Hydroperiod)

“Chu kỳ ngập nước” mô tả phạm vi và thời gian bị ngập hoặc bão hòa của các hệ thống đất ngập nước; nó khác nhau tùy thuộc vào vị trí và loại đất ngập nước. Khi thiết kế các vùng đất ngập nước mới tạo ra hoặc được phục hồi, các kỹ sư thủy văn đánh giá chu kỳ ngập nước của vùng đất ngập nước hiện hữu và xác định mục tiêu chu kỳ ngập nước. Ví dụ, các vùng đất ngập nước xử lý nước mưa thường có chu kỳ ngập nước được đặc trưng bởi tình trạng ngập nước thường xuyên đến liên tục bởi nước đọng. Trong các vùng đất ngập nước như vậy, các kỹ sư thủy văn thường phải đối mặt với tình trạng thiếu nước, mặc dù đôi khi cũng có thể gặp phải tình trạng dư thừa nước đối với thảm thực vật mong muốn.

Trong một số trường hợp, các kỹ sư thủy văn có thể xem xét chu kỳ ngập nước cụ thể trong mùa sinh trưởng ngoài phạm vi cả năm. Mùa sinh trưởng bao gồm khoảng thời gian tăng trưởng mạnh nhất của thực vật vùng đất ngập nước. Ở những khu vực có hiện tượng đóng băng và tan băng theo mùa, mùa sinh trưởng diễn ra từ sau đợt đóng băng cuối cùng vào mùa xuân đến đợt sương giá đầu tiên vào mùa thu, dựa trên nhiệt độ ngưỡng gây đóng băng của thực vật.

Một số ví dụ minh họa sự thay đổi về độ sâu ngập nước theo thời gian trong năm thể hiện sự đa dạng của chu kỳ ngập nước. Hình 11.5 cho thấy một hố trũng trên đồng cỏ ở Bắc Dakota với độ sâu thay đổi từ không có nước vào mùa thu và đông đến mực nước sâu hơn vào mùa xuân và hè. Hình 11.6 minh họa một vùng đất ngập nước ven sông ở bang Ohio, đại diện cho một vùng đất ngập nước liền kề với suối hoặc sông – nguồn cấp nước chính cho vùng đất ngập nước đó. Mực nước trong vùng đất ngập nước liên quan chặt chẽ đến điều kiện dòng chảy của sông suối. Hình 11.7 mô tả một vùng đầm lầy thủy triều ở bang Delaware với mực nước thay đổi do tác động của thủy triều lân cận.

Loại thảm thực vật phần lớn quyết định chu kỳ ngập thiết kế (design hydroperiod) cho mục đích giảm thiểu đất ngập nước. Nhà khoa học đất ngập nước hỗ trợ kỹ sư trong việc xác định độ sâu, thời lượng và thời điểm ngập phù hợp để thiết lập mục tiêu thiết kế. Do các đặc điểm của đất ngập nước thay đổi đáng kể, các mục tiêu này cũng có thể rất khác nhau. Các nhà khoa học đất ngập nước và kỹ sư thủy văn có thể thiết lập chu kỳ ngập mục tiêu dựa trên sự kết hợp giữa độ sâu ngập, thời gian ngập và thời điểm trong năm. Bảng 11.1 tóm tắt các khuyến nghị ví dụ về mức ngập cho một số loại thực vật được chọn.

Bảng 11.1. Ví dụ về khuyến nghị mức ngập (USACE 2000b)

Dạng sinh trưởng của thực vật	Độ sâu trung bình của nước (inch)
Thực vật ngập hoàn toàn, ví dụ: cần nước	>20
Lá nổi, ví dụ: súng nước	8–39
Thực vật thân thảo mọc trồi, ví dụ: cỏ bấc	0–20
Cây bụi, ví dụ: Buttonbush	0–8
Cây thân gỗ, ví dụ: Bách	0–20

11.1.2 Các Mô hình Tạo lập và Phục hồi Đất ngập nước

Các nhà thiết kế có thể lựa chọn từ nhiều loại mô hình khái niệm đất ngập nước khác nhau để hỗ trợ tổ chức dữ liệu sẵn có và thiết lập mục tiêu cho các dự án giảm thiểu đất ngập nước. Những mô hình này mô tả các đặc điểm chung của vùng đất ngập nước mong muốn cho một vị trí cụ thể và cung cấp thông tin về cách tiếp cận nhiệm vụ thiết kế. Các mô hình cung cấp cơ sở cho kỹ thuật thiết kế đất ngập nước. Các hệ thống phân loại đề cập cụ thể đến thủy văn, chẳng hạn như HGM, là nền tảng của các mô hình đất ngập nước này. Chúng xác định nguồn hoặc các nguồn cung cấp nước, đề xuất thiết kế cấu trúc điều tiết nước, đặc trưng cho bối cảnh đất ngập nước, và hướng dẫn lựa chọn tiêu chí chu kỳ ngập nước. Ba nhóm mô hình đất ngập nước chính là: mô hình nước mặt, mô hình nước ngầm và mô hình phục hồi nâng cao.

Mặc dù các nhóm mô hình phục hồi đất ngập nước này không hoàn toàn loại trừ lẫn nhau, mô hình nước mặt chủ yếu áp dụng cho việc tạo mới đất ngập nước hơn là phục hồi hoặc nâng cấp. Như tên gọi đã ngụ ý, mô hình nước mặt dựa vào nguồn nước mặt làm nguồn cấp cho vùng đất ngập nước. Các mô hình con bao gồm: dòng chính, dòng tách dòng, và dòng bề mặt, tùy thuộc vào cách nước chảy đến khu vực. Mô hình dòng chính bao gồm việc đặt cấu trúc điều tiết nước ngay trong dòng chảy. Nó chỉ áp dụng ở những nơi có lưu lượng thấp và ít mảnh vụn, tức là các khu vực có năng lượng thấp. Các kỹ sư có thể thấy các hệ thống đất ngập nước dạng dòng chính khó thực hiện do các quy định thường không cho phép chặn dòng chảy. Mô hình dòng tách dòng cũng sử dụng cấu trúc điều tiết nước, nhưng để chuyển hướng dòng chảy đến vị trí bên ngoài dòng chính. Cách tiếp cận này có lợi thế ở các dòng chảy năng lượng cao, nhưng thành công phụ thuộc vào việc kiểm soát xói mòn. Cuối cùng, mô hình dòng bề mặt dựa vào việc chặn dòng chảy bề mặt bằng cách sử dụng bờ bao và đào đất.

Các vùng đất ngập nước kiểu basin không kết nối trực tiếp với nguồn nước mặt như sông, suối, hồ chứa, cửa sông hay biển, và hoàn toàn dựa vào lượng mưa làm nguồn cấp nước.

Mô hình nước ngầm chủ yếu dựa vào nguồn nước ngầm để cung cấp nước, nhưng nước mặt thường được bổ sung cho loại đất ngập nước này. Mô hình nước ngầm gồm hai loại chính: suối/rò rỉ và chặn dòng nước ngầm. Các nhóm thực hiện dự án tạo vùng đất ngập nước dạng suối/rò rỉ bằng cách đào dưới mực nước ngầm và có thể sử dụng bờ bao để giữ nước. Việc chặn dòng nước ngầm cũng phụ thuộc vào việc đào đến độ sâu phù hợp với mực nước ngầm. Việc mô tả chính xác hành vi của mực nước ngầm trong dài hạn với các chuỗi quan sát ngắn hạn thường là một thách thức chính trong thiết kế.

Các mô hình nâng cấp/phục hồi (enhancement/restoration models) được xây dựng dựa trên các vùng mặt nước và/hoặc đất ngập nước hiện hữu. Mô hình cấp nước chung mở rộng việc sử dụng nguồn nước cung cấp cho một vùng đất ngập nước hiện tại bằng cách xây dựng thêm các vùng đất ngập nước để mở rộng khu vực. Các nhóm dự án sử dụng cách tiếp cận này sẽ muốn tránh làm khô vùng đất ngập nước hiện có khi mở rộng khu vực đất ngập nước. Trong khi mô hình cấp nước chung nhằm mở rộng diện tích, thì mô hình đệm thủy sinh (aquatic bed model) điều chỉnh độ sâu trong vùng đất ngập nước hiện có để đạt được kiểu thảm thực vật thay thế và do đó, các chức năng và giá trị đất ngập nước thay thế.

Ba mô hình nâng cấp/phục hồi cuối cùng cũng dựa trên các vùng mặt nước hiện có. Các mô hình ven hồ, đảo và phục hồi ven sông lấy nguồn nước từ vùng nước lân cận, điều chỉnh độ sâu để cho phép hình thành thảm thực vật đất ngập nước phù hợp.

Đối với tất cả các vùng đất ngập nước được phục hồi hoặc tạo mới, việc dự đoán ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến khả năng cung cấp nước phụ thuộc vào việc hiểu rõ nguồn nước từ cả nước ngầm và nước mặt đến vị trí đó.

Bất kỳ mô hình đất ngập nước nào được mô tả cũng có thể liên quan đến việc thiết kế và sử dụng cấu trúc điều tiết nước để cấp và/hoặc giữ nước. Các chức năng của cấu trúc điều tiết có thể bao gồm:

• Kiểm soát độ sâu thiết kế (tối thiểu và tối đa).
• Phân phối dòng chảy.
• Cung cấp khả năng thoát tràn.

Cấu hình vật lý tiềm năng có thể có nhiều dạng tùy theo vị trí. Để kiểm soát mực nước, chúng có thể bao gồm cống, ống dẫn hoặc cống đóng mở, cửa tràn, và cấu trúc chặn dòng. Để phân phối dòng chảy trên một vùng rộng trong vùng đất ngập nước hoặc đến các ô đất ngập nước khác nhau, chúng có thể bao gồm đầu phân phối, mương dẫn dòng, bộ chia dòng, và các vách hướng dòng/baffle. Trong hầu hết các trường hợp, việc thiết kế cấu trúc điều tiết với các mức điều chỉnh được mang lại nhiều lợi ích. Điều này cho phép điều chỉnh kết cấu sau khi xây dựng vùng đất ngập nước để phản ánh kiểu mẫu thảm thực vật đã quan sát được so với kiểu đã dự báo và cung cấp phương tiện để điều chỉnh trong điều kiện cực kỳ ẩm ướt hoặc khô hạn qua nhiều năm. Các yếu tố cần xem xét khác bao gồm xói mòn tiềm ẩn, tràn, và thấm nước. Nhiều nguồn tài liệu, bao gồm Sổ tay Kỹ thuật Đất ngập nước (Wetlands Engineering Handbook) (USACE 2000b), cung cấp thêm thông tin về thiết kế các cấu trúc điều tiết nước.

11.1.3 Cân bằng nước (Water Budgets)

Khung phân tích của cân bằng nước cho phép nhóm dự án tính đến lượng nước vào, lưu trữ, và lượng nước ra tại một địa điểm cụ thể. Trong phạm vi cân bằng nước, kỹ sư xác định mức độ sẵn có định lượng của nước cho vùng đất ngập nước cùng với độ sâu, thời gian, và tần suất của nó. Kết quả phân tích cân bằng nước giúp xác định xem địa điểm đó có thể hỗ trợ loại thảm thực vật mong muốn và các đặc tính đất ngập nước hay không.

Về mặt khái niệm, quy trình cân bằng nước tính đến lượng nước vào và ra tại khu vực giảm thiểu đất ngập nước, qua đó giúp hiểu rõ mức độ sẵn có của nước tại địa điểm đó. Phương trình liên tục (tức là phương trình tuyến lưu trữ) là cơ sở cho việc thực hiện cân bằng nước:

$$I – O = \frac{dS}{dt} \tag{11.1}$$

trong đó:

• I = Lưu lượng nước vào, ft³/s (m³/s)
• O = Lưu lượng nước ra, ft³/s (m³/s)
• dS = Sự thay đổi trong lưu trữ, ft³ (m³)
• dt = Sự thay đổi theo thời gian, s

Các thành phần của cân bằng nước bao gồm dòng vào, dòng ra và đặc tính lưu trữ. Việc lựa chọn mô hình đất ngập nước sẽ ảnh hưởng đến việc cân bằng nước sẽ bao gồm các dòng vào và ra nào.

11.1.3.1 Dòng vào (Inflows)

Dòng vào bao gồm lượng mưa trực tiếp (mưa và tuyết), dòng chảy mặt (dòng chảy cơ bản và dòng chảy do bão), và dòng nước ngầm. Thất bại của đất ngập nước hiếm khi xảy ra do thiếu nước, mà thường là do có quá nhiều nước, mặc dù điều đó vẫn có thể xảy ra. Do đó, thường hợp lý khi bỏ qua các nguồn nhỏ và tập trung vào việc ước tính nguồn nước chính. Giả định bảo thủ này có thể giúp tăng khả năng duy trì sự sống của vùng đất ngập nước.

Lượng mưa trực tiếp, tức là mưa và tuyết rơi trực tiếp lên bề mặt vùng đất ngập nước, là một nguồn cấp nước. Tuy nhiên, trong các vùng đất ngập nước có thảm thực vật dày, lượng nước bị chắn có thể lên tới 35%. Các kỹ sư thường bỏ qua lượng mưa trực tiếp trong cân bằng nước vì nó nhỏ so với các nguồn nước khác. Kỹ sư sẽ tránh tính trùng lặp lượng mưa trực tiếp và dòng chảy từ nước mưa chảy vào vùng đất ngập nước để không ước tính dư lượng nước cấp.

Dòng chảy mặt có thể tồn tại dưới dạng dòng chảy cơ bản trong sông hoặc suối (có thể được cấp bởi nước ngầm) hoặc dòng chảy trực tiếp từ lượng mưa trong lưu vực góp nước cho vùng đất ngập nước. Lý tưởng nhất, tại hiện trường sẽ có dữ liệu lưu lượng dòng chảy theo ngày hoặc theo giờ để xác định lượng dòng chảy mặt. Nếu không có số liệu đo lưu lượng, kỹ sư có thể xác định dạng dòng chảy từ chuỗi dữ liệu lượng mưa dài hạn đưa vào một mô hình mô phỏng liên tục đã hiệu chỉnh. Trong hầu hết các trường hợp, kỹ sư sẽ sử dụng mô hình sự kiện đơn giản để ước lượng thành phần dòng chảy mặt trong cân bằng nước. Các chương trước đã giới thiệu một số phương pháp. Việc áp dụng thành công bất kỳ mô hình Rainfall-Runoff nào đòi hỏi tính nhất quán với bước thời gian trong cân bằng nước.

Kỹ sư thường ước tính dòng chảy mặt bằng cách sử dụng phương pháp của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên Hoa Kỳ (NRCS), mô hình này tạo ra tổng lượng dòng chảy dựa trên lượng mưa, tổn thất ban đầu và loại phủ đất được đại diện bằng thông số giữ nước tối đa tiềm năng. Phương trình tính dòng chảy mặt tiềm năng được viết như sau: Q=(P−Ia)2(P+S−Ia)(11.2)Q = \frac{(P – I_a)^2}{(P + S – I_a)} \tag{11.2}

Trong đó:

• QQ = Độ sâu dòng chảy, inch (mm)
• PP = Lượng mưa, inch (mm)
• IaI_a = Tổn thất ban đầu, inch (mm)
• SS = Khả năng giữ nước tối đa, inch (mm)

Do phương pháp NRCS sử dụng dữ liệu lượng mưa trong 24 giờ, các kỹ sư áp dụng quy trình này cho chuỗi thời gian lượng mưa hàng ngày để tạo ra chuỗi thời gian dòng chảy tương ứng. Cách tiếp cận này có hai hạn chế:

Thứ nhất, nó giả định rằng dòng chảy mỗi ngày là độc lập với các ngày khác. Ví dụ, nếu một trận mưa bắt đầu lúc 10 giờ tối và kéo dài đến 4 giờ sáng hôm sau, phương pháp sẽ coi trận mưa từ 10 giờ đến nửa đêm là một sự kiện riêng và trận mưa từ nửa đêm đến 4 giờ sáng là một sự kiện khác, điều này có thể đánh giá thấp dòng chảy vì tổn thất ban đầu sẽ được tính hai lần.

Thứ hai, phương pháp NRCS sẽ không cho kết quả dòng chảy nếu lượng tổn thất ban đầu lớn hơn hoặc bằng lượng mưa. Mặc dù điều này có vẻ hợp lý, nó có thể đánh giá thấp tổng dòng chảy trong cả năm. Điều này là do phương pháp NRCS được phát triển để tính dòng chảy cho các sự kiện lớn riêng lẻ, không dành cho các cân bằng nước dài hạn của đất ngập nước.

Nhận thấy những hạn chế này, các kỹ sư có thể sử dụng mô hình mô phỏng liên tục như Mô hình Quản lý Nước mưa của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA’s Stormwater Management Model – SWMM) để tạo ra chuỗi thời gian dòng vào (Rossman 2015). SWMM khắc phục các hạn chế của phương pháp NRCS bằng cách thực hiện tính toán liên tục đối với quá trình thấm, bốc hơi và dòng chảy. Bắt đầu với dữ liệu lượng mưa theo giờ, mô hình tạo ra giá trị dòng chảy theo giờ có tính đến điều kiện ban đầu thay vì giả định rằng mỗi phép tính là độc lập với phép tính trước đó.

Nước ngầm là thành phần dòng vào khó ước tính nhất. Thông thường, các kỹ sư chỉ có thể tiếp cận các số liệu đo đạc tại hiện trường được thu thập từ các giếng quan trắc trong khoảng thời gian một hoặc hai năm để ước tính mức độ sẵn có của nước ngầm tại vị trí cụ thể. Các kỹ sư sẽ phân tích các dữ liệu này trong bối cảnh liệu chúng được thu thập trong một giai đoạn khí hậu điển hình hay trong một thời kỳ khô hạn hoặc ẩm ướt bất thường. Kỹ sư cũng xác định xem nước ngầm đến từ tầng chứa nước khu vực hay tại chỗ, và từ tầng chứa nước bị giam kín hay không bị giam kín. Phương trình Darcy là một công cụ hữu ích để ước tính dòng nước ngầm chảy vào vùng đất ngập nước:

$$q = KA \left( \frac{dh}{dx} \right) \tag{11.3}$$

trong đó:

• q = Lưu lượng, ft³/s (m³/s)
• K = Độ thấm thủy lực, ft/s (m/s)
• A = Diện tích mặt cắt vuông góc với dòng chảy, ft² (m²)
• \(\frac{dh}{dx}\) = Gradient thủy lực, ft/ft (m/m)

11.1.3.2 Dòng ra (Outflows)

Dòng ra chủ yếu bao gồm thoát hơi – thoát hơi nước (ET), dòng chảy mặt ra ngoài và dòng chảy ra từ nước ngầm (thấm xuống). Một hoặc nhiều trong các dòng ra này có thể nhỏ so với các dòng còn lại. Tuy nhiên, để ước lượng khả năng cung cấp nước một cách thận trọng, các kỹ sư xem xét từng dòng ra một cách riêng biệt để tránh đánh giá quá cao lượng nước có sẵn trong một vùng đất ngập nước.

ET mô tả tổng hợp các quá trình bốc hơi từ mặt nước và thoát hơi qua thực vật. Tuy nhiên, thảm thực vật làm giảm tốc độ ET từ 30 đến 90% so với trong môi trường nước mở. Tức là, ET từ một vùng đất ngập nước thường nhỏ hơn tốc độ bốc hơi từ một hồ cùng vị trí. Tại một số địa điểm, dữ liệu ET có thể được cung cấp từ các trung tâm khí hậu của bang hoặc ước lượng từ tốc độ bốc hơi trong chảo. Trong trường hợp không có dữ liệu tại hiện trường, có một số phương pháp để ước tính ET.

Các phương pháp cân bằng năng lượng như Penman-Monteith khá phức tạp và có thể phụ thuộc vào dữ liệu khó thu thập tại hầu hết các khu vực. Các phương pháp khí hậu học như Blaney-Criddle và Thornthwaite-Mather dựa vào các biến khí hậu có sẵn hơn như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, tốc độ gió và độ ẩm tương đối.

Phương pháp Thornthwaite-Mather (Thornthwaite và Mather, 1955) chỉ sử dụng nhiệt độ không khí trung bình theo tháng và vĩ độ để cung cấp ước lượng tiềm năng của ET hàng tháng. Dưới dạng phương trình, ET tiềm năng được tính như sau:

$$ET_j = 0.63 \left( \frac{10(T_j – 32)(5 / 9)}{I} \right)^a \tag{11.4}$$

trong đó:

• \(ET_j\) = ET tiềm năng trong tháng j, đơn vị: inch
• \(T_j\) = Nhiệt độ không khí trung bình trong tháng j, đơn vị: °F
• I = Chỉ số nhiệt hàng tháng
• a = Số mũ, là hàm số của I

Chỉ số nhiệt hàng tháng II là một hàm của nhiệt độ không khí, được tính trên chu kỳ 12 tháng:

$$I = \sum_{j=1}^{12} \left( \frac{(T_j – 32)(5 / 9)}{5} \right)^{1.5} \tag{11.5}$$

Số mũ aa được tính bằng:

$$a = 0.49 + 0.01791I – 0.0000771I^2 + 0.000000675I^3 \tag{11.6}$$

Phương pháp này tạo ra chuỗi giá trị thoát hơi tiềm năng hàng tháng tại đường xích đạo (vĩ độ 0 độ). Dunne và Leopold (1978) đã phát triển các hệ số điều chỉnh nhân cho các vĩ độ khác, được tóm tắt trong Bảng 11.2.

Bảng 11.2. Hệ số điều chỉnh theo vĩ độ của phương pháp Thornthwaite-Mather

Latitude	Jan	Feb	Mar	Apr	May	Jun	Jul	Aug	Sep	Oct	Nov	Dec
60 N	0.54	0.67	0.97	1.19	1.33	1.56	1.55	1.33	1.07	0.84	0.58	0.48
50 N	0.71	0.84	0.98	1.14	1.28	1.36	1.33	1.21	1.06	0.90	0.76	0.68
40 N	0.80	0.89	0.99	1.10	1.20	1.25	1.23	1.15	1.04	0.93	0.83	0.78
30 N	0.87	0.93	1.00	1.07	1.14	1.17	1.16	1.11	1.03	0.96	0.89	0.85
20 N	0.92	0.96	1.00	1.05	1.09	1.11	1.10	1.07	1.02	0.98	0.97	0.96
10 N	0.97	0.98	1.00	1.03	1.05	1.06	1.05	1.04	1.02	0.99	0.97	0.96
0	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00

Một loại dòng ra thứ hai, dòng chảy mặt ra, phụ thuộc vào thể tích lưu trữ sẵn có trong vùng đất ngập nước và loại cấu trúc điều tiết. Nếu có cấu trúc điều tiết, độ cao và cấu hình của cấu trúc (đập tràn hoặc cửa van) sẽ quyết định lượng dòng ra dựa trên độ cao mực nước trong đất ngập nước. Các kỹ sư ước tính rằng tất cả lượng nước vượt quá một mức cao nhất định sẽ rời khỏi vùng đất ngập nước dưới dạng dòng chảy mặt trong một bước thời gian cho trước — trừ khi sử dụng bước thời gian rất ngắn.

Dòng ra từ nước ngầm là tuyến đường cuối cùng mà nước rời khỏi một vùng đất ngập nước. Giống như dòng vào từ nước ngầm, các kỹ sư có thể sử dụng phương trình Darcy (phương trình 11.3) để tính toán lượng này. Tuy nhiên, khái niệm gradient thủy lực dh/dx khó hình dung theo phương thẳng đứng. Do đó, các kỹ sư thường xem dòng ra từ nước ngầm như quá trình thấm nước, với hệ số K(dh/dx) trong phương trình Darcy được xem như là tốc độ thấm nước qua lớp đất bên dưới vùng đất ngập nước. Sử dụng diện tích của vùng đất ngập nước làm diện tích trong phương trình Darcy sẽ giúp ước tính dòng ra từ nước ngầm.

11.1.3.3 Lưu trữ (Storage)

Khả năng lưu trữ nước của vùng đất ngập nước đại diện cho thành phần cuối cùng trong cân bằng nước. Tương tự như các ao điều tiết nước mưa, các kỹ sư thường sử dụng đường cong quan hệ giữa mực nước – thể tích lưu trữ hoặc mực nước – diện tích mặt để mô tả khả năng lưu trữ của vùng đất ngập nước. Độ sâu của vùng đất ngập nước có thể dao động từ 0 (nơi không có ngập nước bề mặt) đến độ sâu tối đa tại một vị trí điều tiết, ví dụ như tại một cấu trúc điều tiết nước.

Mặc dù mối quan hệ giữa mực nước – thể tích lưu trữ phù hợp nhất với các phép tính cân bằng nước, các kỹ sư có thể thấy mối quan hệ giữa mực nước – diện tích mặt hữu ích trong việc xác định mức độ ngập lụt. Mối quan hệ này giúp kỹ sư xác định diện tích đất ngập nước phù hợp để hỗ trợ một số loại thực vật cụ thể. Cân bằng nước cũng cung cấp thông tin quan trọng về chu kỳ ngập nước (hydroperiod), giúp nhóm dự án chọn được thảm thực vật phù hợp.

11.1.3.4 Điều tiết (Routing)

Dựa trên các thông tin về dòng vào, dòng ra và lưu trữ nước, kỹ sư tiến hành dẫn dòng nước qua vùng đất ngập nước để đánh giá hiệu suất thủy văn. Kỹ sư chọn bước thời gian phân tích cho quá trình điều tiết dựa trên sự biến thiên của các nguồn cấp nước và thất thoát, các phương pháp được sử dụng để ước lượng lượng nước sẵn có, mức độ sẵn có của dữ liệu, nhu cầu của thảm thực vật và các nguồn lực sẵn có để thực hiện cân bằng nước. Hầu hết các mô hình cân bằng nước sử dụng bước thời gian theo tháng hoặc ngày, nhưng cũng có thể sử dụng theo giờ.

Sự kết hợp giữa độ sâu, thời gian và tần suất ngập được sử dụng để xác định các mục tiêu thiết kế thủy văn. Các yêu cầu trong mùa sinh trưởng có thể tiếp tục đóng vai trò hướng dẫn cho các mục tiêu thiết kế. Để đảm bảo sự sống còn của vùng đất ngập nước, nhóm thiết kế có thể thấy cần thiết phải cung cấp mực nước nhất định trong một số ngày liên tiếp. Thông thường, lượng dòng chảy mặt vào là yếu tố quyết định bước thời gian phân tích.

Ở mức tối thiểu, các kỹ sư tính toán lượng dòng chảy mặt vào theo cơ sở hàng ngày. Sau đó, họ có thể hoàn thiện cân bằng nước cho tất cả dòng vào và dòng ra trên cơ sở hàng ngày, hoặc tổng hợp dòng vào hàng ngày thành bước thời gian theo tháng và sử dụng trong mô hình cân bằng nước theo tháng. Tương tự, kỹ sư có thể tính dòng chảy ra theo giờ và tổng hợp thành giá trị hàng ngày để sử dụng trong mô hình cân bằng nước theo ngày. Do dữ liệu đầu vào không đầy đủ, các kỹ sư hiếm khi thực hiện cân bằng nước với tần suất nhỏ hơn một ngày.

11.1.3.5 Thời kỳ phân tích (Period of Analysis)

Kỹ sư cần xem xét liệu cân bằng nước được áp dụng theo điều kiện điển hình hay cực đoan, hoặc cả hai, sẽ đánh giá tốt nhất hiệu suất vùng đất ngập nước. Quyết định này, được đưa ra với sự tham vấn của nhà khoa học đất ngập nước, liên quan đến tần suất ngập nước và khả năng tồn tại lâu dài của thảm thực vật đất ngập nước.

Kỹ sư thường dựa vào tổng lượng mưa hàng năm để đánh giá một năm điển hình, nhưng cũng có thể dựa vào số ngày có mưa đo được, tổng lượng mưa trong mùa sinh trưởng hoặc các tham số khác. Việc sử dụng lượng mưa hàng năm có hạn chế là một năm với nhiều cơn mưa nhỏ có thể ảnh hưởng đến vùng đất ngập nước rất khác so với một năm có ít cơn mưa lớn hơn – mặc dù tổng lượng mưa là như nhau. Do đó, phân bố lượng mưa trong năm là yếu tố quan trọng khi lựa chọn một năm điển hình. Biểu đồ phân bố tần suất mưa (histogram) là công cụ hữu ích để nghiên cứu phân bố lượng mưa. Dù một năm điển hình ít khi là năm quyết định trong thiết kế, kỹ sư có thể thấy hữu ích khi sử dụng nó làm điều kiện tham chiếu để so sánh với các năm cực đoan.

Xác định năm cực đoan cung cấp thông tin thiết yếu để đánh giá hiệu suất vùng đất ngập nước. Năm cực đoan là năm mà vùng đất ngập nước bị căng thẳng nhưng vẫn tồn tại với đủ nước. Tương tự với năm điển hình, nhóm thiết kế xác định điều này dựa trên tổng lượng mưa trong năm, số ngày mưa, hoặc tổng lượng mưa trong mùa sinh trưởng. Điều này đặt ra câu hỏi: năm cực đoan cần “cực đoan” đến mức nào cho mục đích thiết kế? Ví dụ, nếu nhà khoa học đất ngập nước xác định rằng trong 10 năm thì có 9 năm đủ nước, thì cho mục đích thiết kế, năm cực đoan được kỹ sư lựa chọn sẽ là năm có xác suất vượt quá hàng năm là 10% (0.1).

Với các chuỗi số liệu dài, kỹ sư có thể xác định điều này bằng cách xếp hạng dữ liệu sẵn có. Với chuỗi số liệu ngắn, kỹ sư sẽ khớp dữ liệu hiện có với một phân bố xác suất phù hợp. Mặc dù xác định năm cực đoan thường chỉ liên quan đến các điều kiện khô hạn, kỹ sư cũng có thể sử dụng quy trình này để nhận diện các năm ẩm ướt quá mức nếu lượng nước dư là vấn đề.

Trong thiết kế, khả năng xảy ra bất thường trong phân bố mưa hoặc các thông số khác có thể gây ra kết quả sai lệch, ảnh hưởng đến việc lựa chọn các năm cụ thể (điển hình và cực đoan). Việc sử dụng mô phỏng liên tục để thực hiện cân bằng nước cho tất cả các năm có dữ liệu là một phương án thay thế. Mặc dù tính toán tốn kém hơn nhiều, phương pháp này sử dụng toàn bộ chuỗi số liệu để đánh giá vùng đất ngập nước được đề xuất. Tuy nhiên, các chuỗi số liệu ngắn có thể thiếu các sự kiện cực đoan hoặc chứa tỷ lệ không điển hình của các sự kiện cực đoan. Khi sử dụng mô phỏng liên tục cho cân bằng nước, việc đánh giá cẩn thận tính đại diện của chuỗi số liệu là cần thiết để giải quyết vấn đề này.

11.1.4 Quy trình Thiết kế Cân bằng Nước (Water Budget Design Procedure)

Quy trình thiết kế cân bằng nước có thể khác nhau, nhưng nhìn chung bao gồm các yếu tố chung được mô tả trong các bước sau:

Bước 1. Chọn mô hình đất ngập nước.
Việc lựa chọn mô hình đất ngập nước phù hợp cho dự án cho phép kỹ sư xác định các thành phần quan trọng trong cân bằng nước. Mục 11.1.2 tóm tắt các mô hình đất ngập nước phổ biến.

Bước 2. Xác định điều kiện thiết kế.
Kỹ sư thủy văn xác định điều kiện thiết kế phối hợp với nhà khoa học đất ngập nước. Họ cùng nhau thiết lập chu kỳ ngập nước (độ sâu, thời lượng và tần suất), bao gồm xác định các điều kiện điển hình và cực đoan như mô tả trong Mục 11.1.1.4.

Các dự án giảm thiểu đất ngập nước thành công bắt đầu với mục tiêu thiết kế được xác định rõ ràng. Quá trình thiết kế có thể lặp lại. Cân bằng nước có thể không hỗ trợ những kỳ vọng ban đầu về loại đất ngập nước. Điều này có thể làm thay đổi thiết kế đất ngập nước, bao gồm cả mục tiêu chu kỳ ngập và có thể cả mô hình đất ngập nước. Phân tích cân bằng nước cũng có thể chỉ ra rằng không loại đất ngập nước nào khả thi tại vị trí đó.

Bước 3. Xác định dòng vào và dòng ra.
Kỹ sư thủy văn xác định các dòng vào và dòng ra thiết yếu dựa trên mô hình đất ngập nước và mức độ sẵn có của dữ liệu dự đoán như mô tả tại Mục 11.1.3.1 và 11.1.3.2. Cách tiếp cận bảo thủ và phù hợp là giả định một hoặc nhiều dòng vào có thể không đáng kể (trừ khi có nguy cơ nước quá nhiều) để tập trung vào nguồn cấp chính.

Bước 4. Thu thập dữ liệu.
Sau khi xác định mô hình đất ngập nước và mục tiêu thiết kế, kỹ sư thủy văn thu thập dữ liệu cho cân bằng nước. Mô hình đất ngập nước và các dòng vào – ra chính sẽ xác định loại dữ liệu cần ưu tiên, nhưng nhìn chung kỹ sư sẽ thu thập dữ liệu về diện tích lưu vực, thông số thấm nước, và đặc điểm dòng chảy như đất, địa hình, và dữ liệu sử dụng/che phủ đất.

Kỹ sư có thể xác định đóng góp của nước mặt bằng cách sử dụng dữ liệu đo lưu lượng nếu có, hoặc thông qua mô hình mưa – dòng chảy dựa trên dữ liệu mưa. Kỹ sư cũng có thể ước tính lượng bốc thoát hơi dựa trên dữ liệu khí hậu, bao gồm nhiệt độ trung bình theo tháng.

Bước 5. Phân tích dòng vào.
Sau khi thu thập dữ liệu, kỹ sư tính toán các dòng vào cho khu vực đất ngập nước. Mục 11.1.3.1 cung cấp thông tin về các phép tính này.

Bước 6. Phân tích dòng ra.
Kỹ sư thủy văn cũng tính toán các dòng ra liên quan. Mục 11.1.3.2 cung cấp thông tin về các phép tính này.

Bước 7. Đặc trưng hóa lưu trữ.
Tiếp theo, kỹ sư thủy văn đặc trưng hóa đặc tính lưu trữ của vùng đất ngập nước. Mục 11.1.3.3 cung cấp thông tin về các phép tính này.

Bước 8. Tính toán cân bằng nước.
Cuối cùng, kỹ sư thủy văn tổng hợp tất cả các thành phần và tính toán cân bằng nước. Dựa trên kết quả cân bằng nước, kỹ sư xác định liệu các yêu cầu thiết kế đã được đáp ứng hay chưa. Kỹ sư có thể lựa chọn đánh giá các giai đoạn điển hình và cực đoan (khô hoặc ướt) để có cái nhìn toàn diện hơn về khu vực và thiết kế giảm thiểu đất ngập nước tiềm năng.

Ví dụ 11.1: Ứng dụng cân bằng nước cho đất ngập nước
Mục tiêu: Tính toán cân bằng nước hàng tháng cho một vùng đất ngập nước được tạo ra, theo lượng mưa điển hình trong năm. Xem xét khả năng duy trì của vùng đất ngập nước trong năm cực đoan.

Cho:

• Một khu vực giảm thiểu đất ngập nước rộng 6 mẫu Anh (2.4 ha), nằm thượng lưu giao cắt đường phụ qua suối Clear Creek tại South Carolina (ví dụ được điều chỉnh từ AASHTO (2000)).
• Diện tích lưu vực chảy về vị trí này: 1717 mẫu Anh (695 ha).
• Dòng cơ bản cấp vào vào mùa xuân: 0.0177 ft³/s (0.00050 m³/s).
• Vĩ độ: 34 độ Bắc.
• Tính thấm của đất, K: 3.15 × 10⁻⁶ in/s (80 × 10⁻⁶ mm/s).

Bước 1. Chọn mô hình đất ngập nước.

Với vị trí này, nhóm dự án sẽ tạo vùng đất ngập nước liền kề với suối Clear Creek với nước mặt là nguồn cấp chính. Do đó, mô hình phù hợp là mô hình tạo đất ngập nước theo dạng dòng chảy ngoài (offline stream model).

Việc tạo vùng đất ngập nước theo mô hình offline stream yêu cầu sử dụng cấu trúc điều tiết nước. Kích thước của cấu trúc điều tiết phụ thuộc vào đặc điểm của vị trí và kiểu thảm thực vật dự kiến. Ban đầu, người thiết kế giả định rằng cấu trúc điều tiết sẽ tạo ra mực nước đọng tối đa là 3.28 ft.

Bước 2. Xác định điều kiện thiết kế.

Nhà khoa học đất ngập nước xác định rằng dự án giảm thiểu này yêu cầu hai loại thảm thực vật đất ngập nước:

• Thực vật ngập hoàn toàn (Submergents): cung cấp ít nhất 1.64 ft độ sâu nước trên diện tích 1.2 acres trong 90 ngày, lặp lại trong 9/10 năm.
• Thực vật mọc nhô (Emergents): cung cấp mực nước ngập từ 0 đến 1.64 ft trên diện tích 4.8 acres trong 90 ngày, lặp lại trong 9/10 năm.

Mục tiêu thiết kế — cụ thể là dự án phải cung cấp đủ nước trong 9 trên 10 năm — quyết định các tham số cho năm cực đoan. Do đó, năm khô cực đoan có xác suất vượt quá hàng năm (AEP) là 0.10.

Dựa trên mô hình đất ngập nước và mục tiêu chu kỳ ngập, kỹ sư thủy văn lựa chọn bước thời gian tính toán hàng tháng nhưng vẫn tính toán dòng chảy mặt theo ngày để có độ chính xác cao hơn.

Bước 3. Xác định dòng vào và dòng ra.

Người thiết kế xác định rằng lượng mưa trực tiếp và dòng vào từ nước mặt có khả năng là quan trọng nhất tại vị trí này, và dòng vào từ nước ngầm được giả định là không đáng kể. Đối với dòng ra, người thiết kế xác định rằng bốc thoát hơi nước (evapotranspiration), dòng ra từ nước mặt, và dòng ra từ nước ngầm đều có liên quan đến cân bằng nước này.

Bước 4. Thu thập dữ liệu.

Vì vị trí này không có dữ liệu đo dòng chảy, kỹ sư sẽ thực hiện mô hình hóa mưa/chảy tràn. Một trạm đo mưa đại diện gần đó có dữ liệu trong 47 năm, từ 1949 đến 1995. Người thiết kế chọn năm có tổng lượng mưa nằm giữa (trung vị) làm năm điển hình cho phân tích này, đó là năm 1968 với 48.7 inch mưa. Bảng 11.3 tóm tắt lượng mưa hàng ngày trong năm 1968. Năm khô nhất ghi nhận là 1954 với 27.4 inch, và năm ẩm ướt nhất là 1964 với 80 inch. Tất cả lượng mưa tại vị trí này được ghi nhận là mưa.

Người thiết kế sẽ tính toán bốc thoát hơi nước dựa trên phương pháp Thornthwaite-Mather, sử dụng vĩ độ địa điểm và nhiệt độ trung bình theo tháng. Bảng 11.4 trình bày nhiệt độ trung bình hàng tháng của vị trí này.

Bước 5. Phân tích dòng vào.

Dòng vào bao gồm lượng mưa trực tiếp và dòng vào từ nước mặt. Vì lượng mưa trực tiếp là nhỏ so với dòng vào từ nước mặt trong ví dụ này, kỹ sư bỏ qua lượng mưa trực tiếp.

Người thiết kế áp dụng phương pháp dòng chảy tràn của NRCS, giả định điều kiện ẩm trung bình ban đầu và rằng mỗi ngày có mưa sẽ tạo ra một sự kiện dòng chảy riêng biệt. Dựa trên lớp phủ đất và loại đất trong lưu vực đóng góp, người thiết kế ước tính chỉ số đường cong (CN) là 64. Khả năng giữ nước tối đa được tính theo công thức 7.5:

$$S = \frac{1000}{CN} – 10 = \frac{1000}{64} – 10 = 5.63 \text{ inches}$$

Giả sử lượng giữ lại ban đầu (Ia) bằng 20% khả năng giữ nước tối đa và theo phương trình 7.3: I_a=0.2×5.63=1.13 inches

Do đó, chỉ những ngày có lượng mưa lớn hơn 1.13 inch mới tạo ra dòng chảy. Bảng 11.5 tóm tắt các tính toán dòng chảy trong 14 ngày năm 1968 có dòng chảy. Để tính ngân sách nước theo tháng, kỹ sư cộng các giá trị dòng chảy hàng ngày trong tháng để tính tổng dòng chảy hàng tháng được tóm tắt trong Bảng 11.6. Tính toán độ sâu dòng chảy trực tiếp (Q) sử dụng phương trình 7.1.

Người thiết kế ước tính dòng chảy cơ bản (base flow) là một giá trị không đổi bằng 0.0177 ft³/s, hay 47.000 ft³/tháng. Khi có, các đo đạc dòng chảy cơ bản tại hiện trường sẽ giúp điều chỉnh ước lượng này.

Mặc dù kỹ sư sử dụng một giả định dòng chảy cơ bản không đổi trong suốt năm trong ví dụ này, nhưng một giả định như vậy có thể không phù hợp nếu dòng chảy cơ bản là một phần quan trọng trong cân bằng nước, và các biến động đáng kể thường xảy ra quanh năm. Trong ví dụ này, dòng chảy cơ bản chỉ đại diện một thành phần nhỏ trong cân bằng nước.

Bảng 11.3. Lượng mưa hàng ngày (inch) năm 1968 (năm điển hình)

Ngày	Th1	Th2	Th3	Th4	Th5	Th6	Th7	Th8	Th9	Th10	Th11	Th12
1	0.49	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.12	0.00	0.00	0.00
2	0.08	0.20	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.55
3	0.10	0.00	0.00	0.45	0.09	0.22	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.05
4	0.26	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	2.16	0.00	0.00	0.00	0.00	0.57
5	0.00	0.00	0.00	0.57	0.09	0.00	1.46	0.00	0.00	0.00	0.00	0.11
6	0.28	0.00	0.00	0.00	0.03	0.00	0.98	0.02	1.69	0.95	0.00	0.00
7	0.03	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.15	0.00	0.00
8	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	1.25	0.00	0.00	0.00	0.15	1.19	0.00
9	0.16	0.00	0.00	0.64	0.00	0.43	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
10	2.79	0.00	0.00	0.08	0.00	1.53	1.51	0.00	0.12	0.00	0.06	0.00
11	0.02	0.00	0.65	0.00	0.04	0.83	0.00	0.00	0.00	0.00	1.50	0.00
12	0.73	0.00	0.25	0.12	0.00	0.28	0.24	0.00	0.00	0.09	0.00	0.00
13	0.20	0.00	0.26	0.00	0.08	1.17	0.51	0.06	0.00	0.00	0.00	0.00
14	0.00	0.00	0.00	2.08	0.00	0.00	0.10	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
15	0.00	0.00	0.17	0.45	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.17
16	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.11	0.13	0.00	0.00
17	0.00	0.00	0.34	0.26	0.00	0.00	0.00	0.00	0.28	0.00	0.00	0.00
18	0.00	0.00	0.01	0.19	0.16	0.00	0.00	0.00	0.12	0.25	0.00	0.00
19	0.00	0.00	0.00	0.21	0.04	1.04	0.00	0.00	2.60	0.00	0.00	0.00
20	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.48	0.19	0.00	1.99	0.00	0.00	0.00
21	0.00	0.05	0.00	0.00	0.00	0.00	0.03	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
22	0.00	0.05	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
23	0.00	0.03	0.13	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.50
24	0.79	0.02	0.16	0.35	0.00	0.17	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.30
25	0.01	0.00	0.00	0.00	0.40	0.08	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
26	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.17	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
27	0.00	0.00	0.04	0.44	0.00	0.00	0.47	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
28	0.00	0.02	0.22	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
29	0.80	0.00	1.87	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.52
30	0.00	0.20	0.09	0.09	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.49
31	0.00	0.02	0.00	0.00	0.00	0.03	0.22	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
Total	5.9	1.1	1.9	4.5	4.2	5.4	9.3	1.1	2.4	6.3	3.2	3.3

Bảng 11.4. Nhiệt độ trung bình hàng tháng cho năm 1968 (năm điển hình)

Tháng	Nhiệt độ trung bình (°F)
Tháng 1	41.2
Tháng 2	40.1
Tháng 3	54.9
Tháng 4	63.9
Tháng 5	69.6
Tháng 6	77.9
Tháng 7	80.4
Tháng 8	82.9
Tháng 9	72.3
Tháng 10	64.0
Tháng 11	53.6
Tháng 12	42.6

Bảng 11.5. Tính toán dòng chảy năm 1968

Ngày / Tháng	Lượng mưa hàng ngày, P (inch)	Q (inch)	Thể tích dòng chảy (ft³)
Ngày 10 tháng 1	2.79	0.38	2,370,161
Ngày 29 tháng 4	1.87	0.09	543,063
Ngày 14 tháng 5	2.08	0.14	863,889
Ngày 8 tháng 6	1.25	0.00	16,937
Ngày 10 tháng 6	1.53	0.03	169,539
Ngày 13 tháng 6	1.17	0.00	2,226
Ngày 4 tháng 7	2.16	0.16	1,002,498
Ngày 5 tháng 7	1.46	0.02	117,360
Ngày 10 tháng 7	1.51	0.02	153,718
Ngày 6 tháng 9	1.69	0.05	321,428
Ngày 19 tháng 10	2.60	0.31	1,909,865
Ngày 20 tháng 10	1.99	0.12	718,562
Ngày 9 tháng 11	1.19	0.00	4,628
Ngày 11 tháng 11	1.50	0.02	146,079

Bảng 11.6. Thể tích dòng chảy ước tính cho năm 1968 theo tháng

Tháng	Tổng thể tích dòng chảy theo tháng (ft³)
Tháng 1	2.370.000
Tháng 2	0
Tháng 3	0
Tháng 4	543.000
Tháng 5	864.000
Tháng 6	189.000
Tháng 7	1.274.000
Tháng 8	0
Tháng 9	321.000
Tháng 10	2.628.000
Tháng 11	151.000
Tháng 12	0

Bước 6. Phân tích dòng ra (outflows).

Nhà thiết kế ước tính lượng bốc thoát hơi nước (evapotranspiration – ET) sử dụng phương pháp Thornthwaite-Mather dựa trên nhiệt độ trung bình tháng và vĩ độ. Bảng 11.7 tóm tắt các phép tính ET sử dụng nhiệt độ trung bình tháng của năm 1968. Dòng ra do ET được tính theo thể tích phụ thuộc vào diện tích bề mặt của vùng đất ngập nước, vốn cũng có thể thay đổi trong năm.

Cột thứ ba trong Bảng 11.7, ký hiệu I_j, biểu diễn giá trị hàng tháng của biểu thức:

$$\left[\frac{(T_j – 32)(5/9)}{5}\right]^{1.5}$$

Tổng các giá trị trong cột này là nghiệm của phương trình (11.5), cung cấp chỉ số nhiệt tháng (I) như sau:

$$I = \sum_{j=1}^{12} \left(\frac{(T_j – 32)(5/9)}{5} \right)^{1.5} = 79.8$$

Sau đó, nhà thiết kế tính toán số mũ a trong phương trình Thornthwaite-Mather bằng cách sử dụng phương trình (11.6):

$$a = 0.49 + 0.01791I – 0.0000771I^2 + 0.000000675I^3 = 1.77$$

Bảng 11.7. ET năm 1968

Tháng	Nhiệt độ trung bình, Tj (°F)	Ij	ET (in/tháng)	Hệ số hiệu chỉnh	ET hiệu chỉnh (in/tháng)
Tháng 1	41.2	1.03	0.29	0.84	0.24
Tháng 2	40.1	0.85	0.23	0.91	0.21
Tháng 3	54.9	4.05	1.43	1.00	1.43
Tháng 4	63.9	6.66	2.58	1.08	2.79
Tháng 5	69.6	8.55	3.46	1.16	4.02
Tháng 6	77.9	11.52	4.93	1.20	5.91
Tháng 7	80.4	12.48	5.42	1.19	6.45
Tháng 8	82.9	13.47	5.93	1.13	6.70
Tháng 9	72.3	9.48	3.92	1.03	4.03
Tháng 10	64.0	6.72	2.61	0.95	2.48
Tháng 11	53.6	3.72	1.30	0.87	1.13
Tháng 12	42.6	1.28	0.37	0.82	0.30

Nhà thiết kế xác định dòng ra của nước mặt dựa trên một cấu trúc điều khiển được thiết kế để duy trì mực nước tối đa là 3.28 ft. Do đó, mọi dòng vào vượt quá mực nước này sẽ tràn qua cấu trúc điều khiển và trở thành dòng ra. Với bước tính toán ngắn, nhà thiết kế có thể cần sử dụng phương trình weir để tính toán dòng ra như một phần của quy trình routing.

Tuy nhiên, trong trường hợp này, dòng ra xảy ra nhanh so với bước thời gian tháng, nên nhà thiết kế có thể giả định rằng cuối mỗi tháng, dòng vào dư thừa đã được xả ra khỏi cấu trúc điều khiển.

Cuối cùng, dòng ra do thấm vào đất (groundwater outflow/infiltration) sẽ được tính theo phương trình Darcy, với suất thấm là 3.15 × 10⁻⁶ in/s (tức là 0.69 ft/tháng).

Bước 7. Đặc trưng hóa lưu trữ.

Hình 11.8 và Hình 11.9 minh họa các đường cong mực nước – thể tích lưu trữ (stage-storage) và mực nước – diện tích mặt nước (stage-area), tương ứng, dựa trên độ dốc được đề xuất tại khu vực khảo sát.

Bước 8. Tính toán cân bằng nước.

Bảng 11.8 tóm tắt cân bằng nước trong suốt một năm. Hàng đầu tiên trong bảng thiết lập điều kiện ban đầu cho phân tích. Trong phân tích này, nhà thiết kế ước lượng điều kiện ban đầu là độ sâu và tổng thể tích nước được lưu trữ trong vùng đất ngập nước vào cuối tháng 12 năm 1967. Cột đầu tiên thể hiện các tháng. Hai cột tiếp theo liên quan đến lượng nước mặt chảy vào từ runoff trực tiếp và base flow, được ước lượng theo đơn vị thể tích.

Ví dụ, vào tháng 4 năm 1968, lượng runoff trực tiếp là 543.000 ft³ được cộng với 47.000 ft³ của base flow. Khi cộng với thể tích nước tồn tại trong vùng đất ngập nước từ cuối tháng trước (168.000 ft³), thể tích tạm thời được ước tính là 758.000 ft³. Khi kiểm tra đường cong mực nước – thể tích lưu trữ, ta thấy rằng thể tích này tương ứng với độ sâu 3.69 ft, sau khi tính tất cả các nguồn vào ngoại trừ lượng mưa trực tiếp. Khi trừ đi các dòng ra do:

• Bốc thoát hơi tiềm năng (PET) là 0.23 ft,
• Thấm (infiltration) là 0.69 ft,
• và cộng với lượng mưa trực tiếp là 0.377 ft,

… ta có độ sâu điều chỉnh trong vùng đất ngập nước là 3.15 ft. Vì độ sâu này nhỏ hơn độ sâu kiểm soát 3.28 ft nên trong tháng 4 sẽ không có dòng thoát bề mặt.

Nhà thiết kế so sánh kết quả tháng 4 với tháng 1, trong đó độ sâu sau khi trừ các dòng ra là 5.41 ft. Nhà thiết kế sau đó điều chỉnh độ sâu vào cuối tháng 1 xuống 3.28 ft, và phần chênh lệch được xem là dòng thoát bề mặt.

Trở lại với tính toán tháng 4, độ sâu 3.15 ft được xác định là mực nước cuối tháng. Khi tham khảo đường cong mực nước – thể tích lưu trữ, nhà thiết kế xác định thể tích tương ứng là 468.000 ft³ cho lượng nước còn lại cuối tháng. Giá trị này được dùng làm điều kiện đầu vào cho tính toán của tháng kế tiếp.

Bảng 11.8. Ngân sách nước hàng tháng năm 1968.

Tháng	Lượng runoff (1000 ft³)	Base flow (1000 ft³)	Tổng thể tích (1000 ft³)	Mực nước sau khi nhận vào (ft)	PET (ft)	Thấm (ft)	Lượng mưa (ft)	Mực nước sau khi thoát ra (ft)	Mực nước cuối tháng (ft)	Tổng thể tích (1000 ft³)
12-1967	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a	2.62	271
01-1968	2,370	47	2,688	5.63	0.02	0.69	0.495	5.41	3.28	530
02-1968	0	47	577	3.37	0.02	0.69	0.095	2.76	2.76	315
03-1968	0	47	362	2.89	0.12	0.69	0.160	2.24	2.24	168
04-1968	543	47	758	3.69	0.23	0.69	0.377	3.15	3.15	468
05-1968	864	47	1,379	4.51	0.33	0.69	0.348	3.83	3.28	530
06-1968	189	47	766	3.71	0.49	0.69	0.451	2.97	2.97	395
07-1968	1,274	47	1,716	4.85	0.54	0.69	0.773	4.39	3.28	530
08-1968	0	47	577	3.37	0.56	0.69	0.093	2.22	2.22	163
09-1968	321	47	531	3.28	0.34	0.69	0.200	2.45	2.45	222
10-1968	2,628	47	2,897	5.77	0.21	0.69	0.525	5.40	3.28	530
11-1968	151	47	728	3.64	0.09	0.69	0.268	3.13	3.13	459
12-1968	0	47	506	3.23	0.03	0.69	0.272	2.78	2.78	324
Tổng	8,340	564	n/a	n/a	2.97	8.27	4.056	n/a	n/a	n/a

Hình 11.10 tóm tắt độ sâu tối đa vào cuối mỗi tháng. Lưu ý rằng độ sâu không vượt quá 3.28 ft theo tiêu chí thiết kế. Tùy theo mùa sinh trưởng, vùng đất ngập nước có vẻ có đủ nước trong năm điển hình.

Hình 11.11 sử dụng đường cong mực nước – diện tích ngập để biểu diễn phạm vi ngập nước trong từng tháng. Nó cho thấy rằng vào cuối tháng 3 và tháng 8, diện tích ngập là khoảng 220.000 ft², trong khi ở cuối một số tháng khác, diện tích ngập tăng hơn gấp đôi. Diện tích tối đa được xác định bởi cấu trúc kiểm soát là 484.000 ft².

Nhà thiết kế tiếp theo sẽ xem xét độ nhạy của các phép tính này đối với các điều kiện khởi đầu giả định. Trong trường hợp này, tháng Một thể hiện có dòng chảy tràn vào đáng kể. Do đó, nhà thiết kế kỳ vọng rằng kết quả sẽ không nhạy cảm với các biến động lớn tương đối trong điều kiện khởi đầu.

Để xác định các tiêu chí thiết kế có được đáp ứng hay không, nhà thiết kế nội suy các giá trị độ sâu vào cuối tháng để ước lượng các giá trị độ sâu theo ngày. Sau đó, nhà thiết kế sắp xếp các giá trị theo thứ tự từ cao xuống thấp và vẽ biểu đồ như được minh họa trong Hình 11.12. Từ đường cong độ sâu–thời lượng này, nhà thiết kế có thể xác định các độ sâu đã xảy ra trong khoảng thời gian bao lâu.

Dựa vào đường cong, nếu đọc tại điểm ứng với thời lượng 90 ngày, thu được độ sâu tối đa là 3.2 ft, nghĩa là vùng đất ngập nước có độ sâu ít nhất 3.2 ft tại cấu trúc điều tiết trong 90 ngày.

Sau đó, nhà thiết kế chuyển đổi thông tin độ sâu thành diện tích bề mặt để đánh giá mức độ ngập xảy ra ở các độ sâu khác nhau trong toàn bộ vùng đất ngập nước. Quay lại đường cong mực nước–diện tích (stage–area curve), nhà thiết kế xác định rằng tại độ sâu tối đa là 3.2 ft, tổng diện tích 461.000 ft² (hay 10.6 acres) bị ngập trong thời gian 90 ngày. Các độ sâu này dao động từ 0 đến độ sâu cực đại là 3.2 ft.

Trừ đi 1.64 ft từ 3.2 ft, nhà thiết kế tiếp tục xác định rằng 110.000 ft² (hay 2.5 acres) bị ngập với độ sâu tối thiểu là 1.64 ft, còn lại 8.1 acres bị ngập với độ sâu từ 0 đến 1.64 ft. Từ đó, nhà thiết kế kết luận rằng các giới hạn tối thiểu là 1.2 acres và 4.8 acres lần lượt được đáp ứng trong năm điển hình.

Tuy nhiên, tiêu chí đề ra là phải cung cấp đủ nước trong 9 trên 10 năm. Nhà thiết kế có thể xác định năm nào trong chuỗi số liệu đại diện tốt nhất cho xác suất vượt 0.1 (tức 10%), và thực hiện tính toán cân bằng nước cho năm đó. Một cách khác, nhà thiết kế có thể tính cân bằng nước cho tất cả các năm và đánh giá xem yêu cầu có được đáp ứng trong 42 (tức 90%) của 47 năm hay không.

Kết quả ví dụ 11.1
Tiêu chí thiết kế về ngập úng đối với thảm thực vật dự kiến đã được đáp ứng trong năm điển hình (1968). Các phân tích thêm cho các năm khác sẽ xác định liệu tiêu chí có được đáp ứng trong 9 trên 10 năm hay không.

11.1.5 Phân tích độ nhạy (Sensitivity Analysis)

Cân bằng nước phụ thuộc vào nhiều giả định kỹ thuật. Các kỹ sư thiết kế sử dụng phân tích độ nhạy để nâng cao khả năng thành công của thiết kế bằng cách xem xét mức độ ảnh hưởng của các giả định đến kết quả thiết kế. Phân tích độ nhạy cũng có thể giúp xác định các dữ liệu bổ sung cần thiết để giảm sự không chắc chắn. Nói chung, phân tích độ nhạy giúp xây dựng một cân bằng nước vững chắc hơn để đưa ra khuyến nghị thiết kế.

Ví dụ, nếu nhà thiết kế ban đầu giả định rằng dòng cơ bản (base flow) không đóng vai trò đáng kể trong tính khả thi của dự án đất ngập nước, họ có thể giả định dòng cơ bản là hằng số. Một phân tích độ nhạy có thể giảm dòng cơ bản đi 50% và tăng nó lên 100% để kiểm tra giả định đó. Nếu kết quả không thay đổi đáng kể, giả định được xác nhận là hợp lý. Tuy nhiên, nếu các kịch bản này dẫn đến sự thay đổi trong kết luận, điều đó cho thấy cần phân tích thêm và thu thập thêm dữ liệu liên quan đến dòng cơ bản.

Theo phần 11.1.4, nhà thiết kế sẽ chọn bước thời gian để tính toán cân bằng nước. Vì bước thời gian có thể ảnh hưởng đến kết quả, nhà thiết kế có thể thực hiện phân tích độ nhạy đối với bước thời gian. Trong ví dụ trước đó, cân bằng nước được tính theo bước thời gian hàng tháng, kết quả cho thấy diện tích ngập phù hợp với cây thủy sinh ngập hoàn toàn (submergents) và cây thủy sinh bán ngập (emergents) lần lượt là 2.5 và 8.1 acres trong năm điển hình. Hình 11.13 cho thấy nếu thực hiện phân tích cân bằng nước trong cùng năm đó nhưng với bước thời gian hàng ngày, kết quả sẽ có chút khác biệt.

Việc tạo một đường cong độ sâu – thời gian tương tự và áp dụng các quy trình như trước dẫn đến kết quả là diện tích phù hợp với cây thủy sinh ngập hoàn toàn (submergents) và cây thủy sinh bán ngập (emergents) lần lượt là 2.0 và 7.7 acres. Dựa trên kết quả này, bước thời gian theo tháng đã ước tính quá mức diện tích ngập so với khi sử dụng bước thời gian theo ngày.
Đối với năm điển hình, các tiêu chí thiết kế vẫn được đáp ứng, nhưng điều này có thể không đúng với các năm khô hơn. Khi có đủ dữ liệu hỗ trợ phân tích, các kỹ sư thường ưu tiên sử dụng bước thời gian hàng ngày thay vì hàng tháng.

11.2 Tan tuyết (Snowmelt)

Tuyết đóng vai trò quan trọng trong sự biến đổi lưu lượng dòng chảy hằng năm tại những vùng mà tuyết chiếm một phần đáng kể trong chu trình thủy văn. Nó có thể gây lũ lụt, gây hư hỏng đường sá hoặc góp phần tạo ra thủy đồ lũ.

Việc tan tuyết gặp phải tổn thất tương tự như mưa, chủ yếu là thấm vào đất. Nếu có mưa cùng lúc, các nhà thủy văn sẽ kết hợp lượng mưa dư với lượng tuyết tan dư để ước tính tổng lượng dòng chảy mặt. Sau đó, họ sử dụng kết quả đó với các phương pháp thủy văn khác để xây dựng thủy đồ dòng chảy do mưa.

Mật độ của tuyết mới rơi và lớp tuyết phủ có thể thay đổi đáng kể. SWE – Snow Water Equivalent (Lượng nước tương đương từ tuyết) là độ sâu của nước thu được bằng cách làm tan một lượng tuyết rơi cụ thể, và kỹ sư thường biểu thị nó bằng độ sâu tương đương của nước.

Tuyết mới thường có mật độ (hàm lượng nước) khoảng 10%, nghĩa là 10 inch tuyết rơi tương đương với 1 inch SWE. Tuy nhiên, mật độ này có thể dao động từ 5% đến 25%. Mật độ đại diện cho tỷ lệ thể tích tuyết chiếm bởi lượng nước tương đương của nó. Mật độ tuyết rơi tăng dần theo thời gian và thường đạt cao nhất khoảng 60% ngay trước khi mùa tan tuyết bắt đầu.

11.2.1 Dòng chảy do tan tuyết

Tuyết bắt đầu tan khi nhiệt độ không khí trên lớp tuyết vượt quá 0°C (32°F). Quá trình tan xảy ra từ bề mặt với nước chảy thấm ngược trở lại lớp tuyết. Ban đầu, nước tan di chuyển một chút xuống dưới bề mặt, nơi nó bị đông lại khi tiếp xúc với lớp tuyết lạnh bên dưới.
Lớp tuyết ấm lên chậm nhờ năng lượng được giải phóng khi nước đông lại. Nhiệt cũng đến từ không khí phía trên và đất phía dưới. Khi nhiệt độ lớp tuyết tăng lên, nước tan tiếp tục thấm sâu vào lớp tuyết.
Các màng nước mỏng xuất hiện bao quanh tinh thể tuyết hoặc băng, cho đến khi lớp tuyết đạt tới ngưỡng lưu trữ nước dạng lỏng tối đa. Các nhà thủy văn gọi tuyết tại thời điểm này là “tuyết chín” (ripe) – và mọi sự tan chảy tiếp theo sẽ tạo ra dòng chảy mặt.

Dòng chảy do tuyết tan xảy ra từ năng lượng thuần (net energy) – tức tổng đại số của nhiều thành phần năng lượng cộng và trừ vào khối tuyết:

$$E_m = E_{sn} + E_{ln} + E_h + E_e + E_p + E_g + \Delta E_i \tag(11.7)$$

trong đó:

E_m = Năng lượng có sẵn để tan tuyết

E_sn = Năng lượng từ bức xạ sóng ngắn (mặt trời)

E_ln = Năng lượng từ bức xạ sóng dài

E_h = Trao đổi nhiệt đối lưu

E_e = Nhiệt từ quá trình ngưng tụ (latent heat of condensation)

E_p = Nhiệt từ mưa ấm

E_g = Nhiệt dẫn từ mặt đất

\(\Delta E_i\) = Thay đổi năng lượng lưu trữ bên trong (nội năng – hàm lạnh)

Tuyết bắt đầu tan khi phần năng lượng lạnh bên trong (cold content hay heat deficit) bằng 0. “Cold content” là năng lượng cần thiết để làm ấm khối tuyết lên đến 0°C (32°F).

Hai cách tiếp cận để ước tính dòng chảy do tan tuyết:

1. Tính toán từng thành phần năng lượng, sau đó cộng lại để tìm năng lượng thuần (net energy), rồi dùng để tính lượng tuyết tan.
2. Tính riêng từng phần dòng chảy do tan tuyết gắn với từng thành phần năng lượng.

→ Bộ Công binh Lục quân Hoa Kỳ (USACE) thường sử dụng cách thứ hai, và chương này cũng sử dụng phương pháp đó.

Nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat):
Là lượng năng lượng cần để thay đổi trạng thái của một chất (ví dụ nước), mà không thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất.
Việc tuyết tan chịu ảnh hưởng bởi các chuyển đổi dạng năng lượng này:
+ Quá trình kết tinh (nước → băng) giải phóng năng lượng
+ Quá trình bay hơi (nước → hơi nước) thu năng lượng
Tất cả đều dựa trên nhiệt tiềm ẩn

Các phương trình được trình bày trong phần thảo luận sau nhìn chung dựa trên các tài liệu Runoff from Snowmelt (USACE 1998) và Snowmelt (NRCS 2004c). Chúng mô tả quy trình tuyết tan theo các phương pháp do USACE sử dụng và được đưa vào HEC-1 (USACE 1990). HEC-HMS (phiên bản 4.8, USACE 2020) phần nào đã áp dụng các phương trình này nhưng chưa bao gồm phương pháp cân bằng năng lượng. USACE cho biết họ đang phát triển một mô-đun cân bằng năng lượng cho HEC-HMS.

Bức xạ, đối lưu không khí, ngưng tụ hơi nước, mưa ấm (lan truyền nhiệt), và dẫn nhiệt từ đất là các yếu tố gây tuyết tan. Trong đó, bức xạ, đối lưu không khí, và ngưng tụ hơi nước thường là những biến số quan trọng nhất. Mưa đôi khi ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng đỉnh. Dẫn nhiệt từ đất thường có ảnh hưởng không đáng kể.

11.2.1.1 Tuyết tan do bức xạ sóng ngắn

Tuyết tan do bức xạ mặt trời (sóng ngắn) chiếu xuống làm chuyển tuyết thành nước dựa trên phương trình ước tính tốc độ tuyết tan hàng ngày:

$$M_{sw} = \frac{(1 – A)E_i}{L\rho_w B} \tag{11.8}$$

trong đó:

• \(M_{sw}\) = Lượng tuyết tan do bức xạ sóng ngắn, m/ngày
• A = Suất phản xạ (albedo), không thứ nguyên
• \(E_i\) = Bức xạ sóng ngắn mặt trời chiếu xuống hàng ngày, kJ/m²/ngày
• L = Nhiệt nóng chảy của băng, 334.9 kJ/kg
• \(\rho_w\) = Tỷ trọng của nước, 1000 kg/m³
• B = Chất lượng nhiệt của tuyết, không thứ nguyên

Albedo mô tả độ phản xạ của bức xạ sóng ngắn từ tuyết. Giá trị albedo của tuyết có thể thay đổi từ khoảng 40% đối với tuyết cũ đang tan, đến 80–90% đối với tuyết mới rơi.

Chất lượng nhiệt của tuyết phản ánh hàm lượng nước trong lớp tuyết. Các nhà thủy văn đo nó bằng tỷ lệ khối lượng băng so với tổng khối lượng mẫu tuyết, hoặc bằng tỷ lệ nhiệt cần thiết để làm tan một đơn vị khối lượng tuyết so với băng ở 32°F. Thông thường, chất lượng nhiệt xấp xỉ 0.95; trong thời kỳ tuyết tan mạnh có thể giảm xuống 0.7 hoặc thấp hơn. Một lớp tuyết “già” thường chứa khoảng 3–5% nước lỏng, vì vậy chất lượng nhiệt của tuyết thường dao động từ 0.95 đến 0.97.

Điều chỉnh phương trình cho bức xạ mặt trời theo đơn vị Langleys (ly) (1 ly = 41.9 kJ/m²) cho ta phương trình tuyết tan hàng ngày do bức xạ sóng ngắn:

$$M_{sw} = \frac{0.00493(1 – A)E_i}{B} \tag{11.9}$$

trong đó:

• \(M_{sw}\) = Lượng tuyết tan do bức xạ sóng ngắn, in/ngày
• A = Suất phản xạ (albedo), không thứ nguyên
• \(E_i\) = Bức xạ sóng ngắn mặt trời chiếu xuống hàng ngày, ly/ngày
• B = Chất lượng nhiệt của tuyết, không thứ nguyên

Cường độ bức xạ mặt trời (bức xạ sóng ngắn) tại rìa của khí quyển Trái Đất và vuông góc với phương truyền của bức xạ gần như là một hằng số: 1.94 ly/phút (tương đương 1.35 kJ/m²/s). Độ che phủ mây, vĩ độ, mùa trong năm, thời gian trong ngày, địa hình, lớp phủ tuyết và thảm thực vật đều ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời đến được mặt đất. Hình 11.14 cung cấp ước lượng về bức xạ mặt trời theo mùa và vĩ độ.

11.2.1.2 Bức xạ bước sóng dài gây tan tuyết

Một phần của bức xạ mặt trời sót lại có thể trở thành bức xạ bước sóng dài. Khối tuyết mất bức xạ bước sóng dài vào khí quyển. Nếu bầu trời quang đãng, phần lớn bức xạ bước sóng dài từ khối tuyết sẽ thoát ra ngoài và mất đi. Nếu trời nhiều mây hoặc có tán rừng, nhiều bức xạ bước sóng dài sẽ phản xạ lại khối tuyết.

Các nhà thủy văn ước lượng lượng bức xạ bước sóng dài bị mất từ khối tuyết dựa theo định luật Stefan–Boltzmann đối với một vật đen. Vật đen là công cụ vật lý học dùng để tính toán sự hấp thụ và phát xạ năng lượng. Nó hấp thụ toàn bộ bức xạ rơi vào và phát lại theo định luật Stefan–Boltzmann:

$$E_l = \varepsilon \cdot \sigma \cdot T_s^4 \tag{11.10}$$

trong đó:

• \(E_l\): Bức xạ bước sóng dài (ly/ngày)
• ε: Hệ số phát xạ = 0.99 đối với tuyết sạch
• σ: Hằng số Stefan–Boltzmann, \(8.26 \times 10^{-10} \, \text{ly}/(\text{phút} \cdot K^4)\)
• \(T_s\): Nhiệt độ bề mặt tuyết, đơn vị Kelvin (K)

Phương trình trên áp dụng cho bức xạ bước sóng dài phát ra từ khối tuyết vào khí quyển, không tính phần bức xạ bị phản xạ lại do mây hoặc tán rừng. Do phản xạ lại là hiện tượng phức tạp, USACE đã phát triển phương trình riêng cho bức xạ bước sóng dài khi trời quang để tính mức tan tuyết do bức xạ bước sóng dài:

$$M_l = 0.0212(T_s – 32) – 0.84 \tag{11.11}$$

trong đó:

• \(M_l\): Lượng tuyết tan do bức xạ bước sóng dài trong điều kiện trời quang (in/ngày)
• \(T_s\): Nhiệt độ bề mặt tuyết (°F)

Tương tự, đối với quá trình tan tuyết dưới điều kiện trời nhiều mây hoặc có tán rừng, lượng tuyết tan do bức xạ bước sóng dài được tính theo:

$$M_l = 0.029(T_s – 32) \tag{11.12}$$

trong đó:

• \(M_l\): Lượng tuyết tan do bức xạ bước sóng dài trong điều kiện trời quang (in/ngày)
• \(T_s\): Nhiệt độ bề mặt tuyết (°F)

Hình 11.15 và Hình 11.16 trình bày lượng tuyết tan hàng ngày do bức xạ mặt trời và bức xạ bước sóng dài thuần trong mùa xuân và mùa đông. USACE đã xây dựng các hình này dựa vào các phương trình sau cho bức xạ ngắn và bức xạ dài phản xạ:

$$M_r = M_{rs} + M_{rl} \tag{11.13}$$

$$M_{rs} = m_s \left[1 – (0.82 – 0.024Z)N \right] \tag{11.14}$$

$$M_{rl} = m_l \left[1 – (1.0 – 0.024Z)N \right] \tag{11.15}$$

trong đó:

• \(M_r\): Lượng tuyết tan do tổng bức xạ (in/ngày)
• \(M_{rs}\): Lượng tuyết tan do bức xạ mặt trời (in/ngày)
• \(M_{rl}\): Lượng tuyết tan do bức xạ bước sóng dài phản xạ (in/ngày)
• \)m_s\): Hệ số theo mùa đối với bức xạ mặt trời (2.0 cho ngày 20 tháng 5 và 0.5 cho ngày 15 tháng 2)
• \(m_l\): Hệ số theo mùa đối với bức xạ bước sóng dài (–0.41 cho ngày 20 tháng 5 và –0.84 cho ngày 15 tháng 2)
• N: Mức độ che phủ của mây
• Z: Chiều cao của mây (nghìn feet)

Các hình vẽ cho thấy tổng lượng tuyết tan do bức xạ lớn hơn vào mùa xuân so với mùa đông. Lượng tuyết tan vào mùa xuân giảm khi độ che phủ của mây tăng và chiều cao của mây giảm. Ngược lại, vào mùa đông, lượng tuyết tan do bức xạ tăng lên khi độ che phủ của mây tăng và chiều cao của mây giảm. Bức xạ bước sóng dài đóng vai trò nổi bật hơn vào mùa đông so với mùa xuân.

11.2.1.3 Tan tuyết do đối lưu không khí

Đối lưu truyền nhiệt cảm biến từ lớp không khí phía trên xuống lớp tuyết. Lượng tuyết tan phụ thuộc vào vận tốc gió, nhiệt độ không khí và hệ số truyền nhiệt tổng hợp. Các nhà nghiên cứu xác định hệ số truyền nhiệt này thông qua thực nghiệm. Do đó, USACE đã thực hiện các nghiên cứu để xác định hệ số truyền nhiệt tổng hợp. Kết quả được đưa vào phương trình truyền nhiệt do đối lưu không khí, với lượng tuyết tan do đối lưu được tính bằng:

$$M_h = 0.00179u_z(T_a – 32) \tag{11.16}$$

trong đó:

• \(M_h\): Lượng tuyết tan do đối lưu không khí, in/ngày
• \(u_z\): Vận tốc gió phía trên bề mặt tuyết, ft/s
• \(T_a\): Nhiệt độ không khí, °F

11.2.1.4 Tan tuyết do ngưng tụ hơi nước (nhiệt ẩn)

Khi hơi nước mang độ ẩm cao tiếp xúc với bề mặt tuyết lạnh hơn thông qua quá trình trộn rối trong khí quyển, hơi nước ngưng tụ thành pha lỏng trên lớp tuyết và giải phóng năng lượng nhiệt. Lượng nhiệt giải phóng phụ thuộc vào áp suất hơi nước trong khí quyển, áp suất khí tại bề mặt tuyết, vận tốc gió và hệ số truyền nhiệt ẩn tổng hợp. Tương tự như các hệ số truyền nhiệt khác, các nhà nghiên cứu xác định hệ số truyền nhiệt ẩn tổng hợp thông qua thực nghiệm. Các nghiên cứu của USACE đưa ra phương trình tính lượng tuyết tan do ngưng tụ như sau:

$$M_e = 0.0065u_z(T_d – 32) \tag{11.17}$$

trong đó:

• \(M_e\): Lượng tuyết tan do ngưng tụ hơi nước, in/ngày
• \(u_z\): Vận tốc gió phía trên bề mặt tuyết, ft/s
• \(T_d\): Nhiệt độ điểm sương (dew point), °F

Lưu ý: Nhiệt độ điểm sương phải vượt quá 32°F (0°C) thì quá trình ngưng tụ mới xảy ra, và nếu nhiệt độ điểm sương giảm xuống dưới 32°F (0°C), quá trình bay hơi sẽ xảy ra trên bề mặt tuyết.

11.2.1.5 Tan tuyết do mưa ấm (nhiệt ẩn đối lưu)

Nếu nhiệt độ của mưa gần bằng điểm đóng băng, thì năng lượng cung cấp cho khối tuyết là rất nhỏ. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các giọt mưa cao hơn đáng kể so với điểm đóng băng, thì các giọt mưa trở thành một nguồn nhiệt đáng kể. Các nhà thủy văn thường giả định rằng nhiệt độ của giọt mưa bằng với nhiệt độ không khí. Phương trình của USACE để tính lượng tuyết tan do mưa ấm là:

$$M_p = 0.007P_r(T_r – 32) \tag{11.18}$$

trong đó:

• \(M_p\): Lượng tuyết tan do mưa ấm, in/ngày
• \(P_r\): Lượng mưa hàng ngày, inch
• \(T_r\): Nhiệt độ của mưa, °F

11.2.2 Mô hình hóa quá trình tan tuyết

Như đã trình bày trong phần trước, các nhà thủy văn ước tính quá trình tan tuyết bằng các mối quan hệ phức tạp với dữ liệu thường không có sẵn hoặc khó thu thập. Do đó, họ đã phát triển các phương pháp xấp xỉ cho các quá trình này bằng cách sử dụng các biến dễ thu thập hơn. Giống như mọi mô hình khác, các nhà thủy văn sẽ kiểm tra hoặc hiệu chỉnh mô hình tan tuyết bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực tế về dòng chảy, nếu có thể.

11.2.2.1 Phương pháp cân bằng năng lượng

Phương pháp cân bằng năng lượng đơn giản hóa các mối quan hệ lý thuyết đã được trình bày trước đó. USACE đã phát triển các dạng xấp xỉ cho các mối quan hệ phức tạp này bằng cách sử dụng phân tích hồi quy, tuyến tính hóa các phương trình, và sử dụng các giá trị tham số đại diện, dễ thu thập (USACE 1998). USACE đã xem xét riêng hai điều kiện tổng quát: các sự kiện mưa-trên-tuyết và các sự kiện chỉ có tuyết rơi. Hai trong số các phương trình này sẽ được trình bày ở đây, chính là các phương trình đã được tích hợp trong mô hình thủy văn HEC-1 của USACE. Để xem toàn bộ các phương trình và mô tả đầy đủ về quá trình phát triển mô hình, tham khảo USACE (1998).

11.2.2.1.1 Tan tuyết do mưa trên tuyết (Rain-on-Snow Snowmelt)

USACE đã phát triển hai phương trình để ước tính lượng tuyết tan khi mưa là một yếu tố góp phần. Mỗi phương trình áp dụng cho một mức độ khác nhau của tán rừng. Đối với mưa trên tuyết, HEC-1 (USACE 1990) sử dụng:

$$M = C \left[ (0.029 + 0.00504v + 0.007P_r)(T_a – T_f) + 0.09 \right] \tag{11.19}$$

trong đó:

• M = Độ sâu tuyết tan, in/ngày
• C = Hệ số (thường bằng 1 trong hầu hết các trường hợp)
• vv = Vận tốc gió ở độ cao 50 ft phía trên tuyết, mi/h
• P_r = Lượng mưa, in/ngày
• T_a = Nhiệt độ không khí, °F
• T_f = Nhiệt độ xảy ra hiện tượng tan (thường giả định là 32 °F), °F

Phương trình này áp dụng cho các điều kiện có tán rừng từ 10 đến 80 phần trăm. Với các điều kiện tán rừng ngoài khoảng này, kỹ sư có thể xem xét các phương trình khác do USACE (1998) cung cấp.

Kỹ sư sử dụng hệ số CC để hiệu chỉnh kết quả mô hình với dữ liệu thực tế hoặc để tính đến những điều kiện khác biệt so với giả định phát triển mô hình. Thành phần đầu tiên trong phương trình tính đến bức xạ sóng dài. Thành phần thứ hai kết hợp hiệu ứng đối lưu và ngưng tụ trong tuyết tan, còn thành phần thứ ba tính đến năng lượng từ mưa. Thành phần thứ tư (một hằng số) tính đến bức xạ mặt trời và tuyết tan do mặt đất. Vì các phương trình này áp dụng cho ngày có mưa, nên giả định trời có mây đầy đủ.

Trong một sự kiện mưa, đối lưu và ngưng tụ là cơ chế chính cung cấp nhiệt cho tuyết, gây tan tuyết. Điều kiện này giả định có mây hoàn toàn và do đó bức xạ mặt trời nhỏ.

11.2.2.1.2 Tan tuyết không có mưa (Rain-Free Snowmelt)

USACE (1998) đã phát triển bốn phương trình để ước tính lượng tuyết tan khi mưa không phải là yếu tố góp phần. Các phương trình này được xây dựng từ phân tích hồi quy với các giá trị phần trăm tán rừng khác nhau. Tuyết tan dựa trên tán rừng 50% và có hiệu lực cho khoảng từ 10% đến 60% như trong HEC-1 (USACE 1998, NRCS 2004c) được ước tính bằng:

$$M = C \left[ 0.002 I_i(1 – A) + 0.0145(T_a – T_f) + 0.0011v(T_a – T_f) + 0.0039v(T_d – T_f) \right] \tag{11.20}$$

trong đó:

• M = Độ sâu tuyết tan, in/ngày
• C = Hệ số (thường bằng 1 trong hầu hết các trường hợp)
• vv = Vận tốc gió ở độ cao 50 ft phía trên tuyết, mi/h
• I_i = Bức xạ mặt trời, ly/ngày
• A = Hệ số phản xạ (albedo), không thứ nguyên
• T_a = Nhiệt độ không khí, °F
• T_f= Nhiệt độ xảy ra hiện tượng tan (thường giả định là 32 °F), °F
• T_d = Nhiệt độ điểm sương, °F

Trong các giai đoạn không có mưa, bức xạ sóng ngắn (shortwave) và sóng dài (longwave) trở nên quan trọng, còn đối lưu và ngưng tụ ít quan trọng hơn. Thành phần thứ nhất và thứ hai trong phương trình tính đến bức xạ sóng ngắn và sóng dài tương ứng. Thành phần thứ ba và thứ tư thể hiện ảnh hưởng của đối lưu và ngưng tụ.

Chương trình HEC-1 sử dụng tốc độ gió, bức xạ mặt trời và dữ liệu nhiệt độ làm đầu vào. Phiên bản hiện tại của HEC-HMS (phiên bản 4.10) chưa bao gồm mô-đun cân bằng năng lượng tuyết tan.

HEC-1 tính toán hệ số phản xạ (albedo) nội bộ. Giá trị của nó phản ánh số ngày kể từ trận tuyết rơi cuối cùng và dao động từ giá trị ban đầu 0.75 đến giá trị tối thiểu 0.4. Chương trình cũng tự động giảm nhiệt độ điểm sương theo độ cao với hệ số bằng 0.2 lần tốc độ giảm nhiệt độ theo độ cao.

11.2.2.2 Phương pháp Degree-Day (Ngày-Độ)

Phương pháp ngày-độ đơn giản hóa thêm mối quan hệ giữa tuyết tan và các yếu tố ảnh hưởng bằng cách phát triển phân tích tương quan giữa nhiệt độ và tuyết tan. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuyết tan hoặc liên quan trực tiếp đến nhiệt độ hoặc có mối tương quan nào đó với nhiệt độ. Nhiệt độ khí quyển phản ánh mức độ bức xạ và áp suất hơi nước trong không khí, và nó cũng nhạy cảm với gió. Ngoài ra, nhiệt độ không khí thường là dữ liệu khí tượng duy nhất sẵn có.

Ngày-độ biểu thị lượng nhiệt cần thiết để gây ra tuyết tan và được định nghĩa là độ lệch của nhiệt độ trung bình hằng ngày so với nhiệt độ tham chiếu trong 24 giờ. Nhiệt độ chuẩn cho các phép tính tuyết tan thường là 32 °F (0 °C). Ví dụ, nếu nhiệt độ trung bình hằng ngày là 5 °C, thì ngày đó có 5 ngày-độ trên điểm đóng băng. Nhiệt độ trung bình hằng ngày đôi khi được tính bằng trung bình cộng giữa nhiệt độ cao và thấp trong ngày.

Phương pháp ngày-độ thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt độ và số ngày-độ với lượng tuyết tan. Một hệ số tan liên kết giữa ngày-độ và tuyết tan:

$$M = C_m (T_a – T_f) \tag{11.21}$$

trong đó:

• M = độ sâu tuyết tan, in/day (mm/day)
• C_m = hệ số tan, in/(day·°F) [mm/(day·°C)]
• T_a = nhiệt độ không khí, °F (°C)
• T_f = nhiệt độ tại đó tuyết tan xảy ra (thường giả định là 32 °F hay 0 °C)

Phương pháp ngày-độ thường được áp dụng cho các khu vực rừng rậm, nơi bức xạ mặt trời và gió ít quan trọng hơn trong việc ước tính tuyết tan. Các nghiên cứu báo cáo hệ số tan nằm trong khoảng 0.06 đến 0.09 in/°F/day (Horton 1945), 0.02 đến 0.039 in/°F/day cho rừng (USACE 1956), và 0.05 đến 0.10 in/°F/day (Linsley et al. 1982). Một nguồn khác ước tính hệ số tan trong mô hình Snowmelt Runoff Model (Martinec et al. 2008). Người mô phỏng có thể sử dụng giá trị lớn hơn của hệ số tan đối với các khoảng thời gian có gió mạnh hoặc độ ẩm cao.

Triển khai trong HEC-HMS:
HEC-HMS (USACE 2020) chứa hai phương pháp để ước tính tuyết tan — cả hai đều dựa trên phương pháp ngày-độ, được USACE gọi là phương pháp Chỉ số Nhiệt độ (Temperature Index). Cả hai phương pháp đều sử dụng một tham số tan và hiệu số giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ tham chiếu (thường là điểm đóng băng). Một cách tiếp cận phức tạp hơn là phương pháp theo lưới, sử dụng nhiều dữ liệu hơn so với cách tiếp cận gộp, nhưng vẫn dựa trên phương pháp ngày-độ. HEC-HMS hiện chưa bao gồm phương pháp cân bằng năng lượng.

Ví dụ 11.2: Tính toán tuyết tan
Mục tiêu: Ước tính lượng tuyết tan của lưu vực trong ngày bằng phương pháp ngày-độ.

Cho : Dữ liệu trong Bảng 11.9.

Bảng 11.9. Dữ liệu tuyết tan dùng làm ví dụ

Tham số	Giá trị
Nhiệt độ không khí	39 °F
Nhiệt độ tuyết tan	32 °F
Hệ số tuyết tan	0.08 in/ngày

Bước 1. Dùng Phương trình 11.12 để tính tuyết tan.

$$M = C_m (T_a – T_f) = 0.08 (39 – 32) = 0.56 \text{ in/day}$$

Kết quả ví dụ 11.2: Lượng tuyết tan ước tính là 0.56 in/ngày.

11.2.2.3 Biến thiên nhiệt độ theo độ cao

Nhiệt độ không khí nói chung giảm theo độ cao, giả định rằng các yếu tố khác không đổi. Các nhà mô phỏng thường giả định tốc độ giảm nhiệt độ này là 3.3 °F cho mỗi 1.000 ft. Vì nhiều quá trình tuyết tan phụ thuộc vào nhiệt độ, nên khi đánh giá lưu vực có địa hình dốc lớn, người mô phỏng thường chia lưu vực thành các vùng độ cao khác nhau. Độ chênh cao dùng để xác định các vùng độ cao này thường nằm trong khoảng 650 đến 1300 ft.

Mô hình tuyết tan trong HEC-HMS có thể tính toán tuyết tan biến đổi theo độ cao bằng cách cung cấp nhiệt độ tại đáy của vùng thấp nhất, tốc độ giảm nhiệt độ theo độ cao, và thông tin về các vùng độ cao. Mô hình sẽ ước tính tuyết tan cho từng vùng độ cao và tính trung bình theo diện tích để ra lượng tuyết tan trung bình cho toàn bộ lưu vực.

Ví dụ 11.3: Tính toán tuyết tan với nhiều vùng độ cao
Mục tiêu: Tính toán lượng tuyết tan trung bình của lưu vực cho một sự kiện kéo dài 24 giờ bằng phương pháp ngày-độ.

Cho: Dữ liệu trong Bảng 11.10.

Bảng 11.10. Dữ liệu vùng tuyết tan dùng làm ví dụ

Tham số	Vùng 1	Vùng 2
Diện tích lưu vực	220 ac	100 ac
Nhiệt độ không khí	39 °F	37 °F
Nhiệt độ tuyết tan	32 °F	32 °F
Hệ số tuyết tan	0.08 in/ngày	0.08 in/ngày

Bước 1. Tính toán lượng tuyết tan cho từng vùng.

Vùng 1:

$$M = C_m (T_a – T_f) = 0.08 (39 – 32) = 0.56 \text{ in/day}$$

Vùng 2:

$$M = C_m (T_a – T_f) = 0.08 (37 – 32) = 0.40 \text{ in/day}$$

Bước 2. Tính lượng tuyết tan có trọng số theo diện tích cho từng vùng.

Tổng diện tích lưu vực là 320 acres. Tỷ lệ diện tích lưu vực thuộc vùng 1 là: \(0.69 = \frac{220}{320}\)

Tỷ lệ thuộc vùng 2 là: \(0.31 = \frac{100}{320}\)

Do đó, lượng tuyết tan có trọng số cho từng vùng là:

\(M_1 = (0.56 \text{ inches}) (0.69) = 0.39 \text{ in/day}\)

\(M_2 = (0.40 \text{ inches}) (0.31) = 0.12 \text{ in/day}\)

Bước 3. Cộng hai giá trị tuyết tan có trọng số để tính tuyết tan trung bình theo diện tích cho toàn bộ sự kiện.

M=0.39+0.12=0.51 in/day

Kết quả ví dụ 11.3:
Lượng tuyết tan trung bình theo diện tích của lưu vực, tính bằng phương pháp ngày-độ, là 0.51 in/ngày.

Việc tính toán tuyết tan bằng phương pháp cân bằng năng lượng tuân theo cùng một mô hình, nhưng đòi hỏi nhiều biến và tham số hơn. Các giải pháp cho phương pháp cân bằng năng lượng thường được tính bằng phần mềm.

Với các lưu vực có khả năng bị ngập do tuyết tan hoặc các sự kiện mưa trên tuyết — hoặc cả hai, kỹ sư thường sử dụng thể tích tuyết tan hằng ngày để tạo thủy đồ. Với các sự kiện mưa trên tuyết, thủy đồ sẽ bao gồm cả thể tích tuyết tan và lượng mưa.

11.3 Vùng đất khô hạn (Arid Lands)

Các nhà khoa học phân loại nhiều khu vực phía Tây Hoa Kỳ là vùng khô hạn hoặc bán khô hạn. Họ dựa vào mức độ lượng mưa để phân loại. Các yếu tố bổ sung trong việc phân loại bao gồm thảm thực vật và đất đai. Nói chung, các vùng đất khô hạn có lượng mưa tự nhiên không đủ để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng. Các vùng bán khô hạn chỉ có lượng mưa đủ để hỗ trợ các cây trồng mùa ngắn.

Thủy văn kỹ thuật mô tả các vùng đất khô hạn và bán khô hạn là có lượng mưa ít, và khi có thì thường có cường độ cao, phản ứng nhanh và tạo ra dòng chảy đột ngột. Lũ quét là một mối quan tâm chính ở những khu vực như vậy. Những hiện tượng này cũng có thể tạo ra lượng lớn trầm tích. Phần này mô tả các phân tích thủy văn đặc thù cho các môi trường khô hạn và bán khô hạn. Các phân tích này bao gồm: phân tích số liệu lưu lượng có ghi nhận nhưng chứa giá trị bằng 0; phương trình hồi quy cho các vùng khô hạn; và các phương pháp để ước lượng tổn thất truyền tải, đánh giá các quạt phù sa (alluvial fans), và ước tính thể tích dòng chảy tổng.

Các vùng đất khô hạn và bán khô hạn thường không có dữ liệu thủy văn, hoặc nếu có thì không đáng kể. Khi có trạm đo, các số liệu của chúng thường có những năm không có mưa, mưa ít, hoặc không có dòng chảy và vì vậy không có lũ đáng kể. Trong các năm khác, lượng mưa dữ dội trong thời gian ngắn tạo ra đỉnh lũ cao so với tổng lượng dòng chảy. Những yếu tố này khiến việc ước lượng độ lớn hoặc xác suất xảy ra lũ trở nên khó khăn.

Nhiều khu vực khô hạn cũng có quạt phù sa. Phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về quạt phù sa và tầm quan trọng của chúng đối với thiết kế đường bộ.

11.3.1 Phân tích số liệu lưu lượng có giá trị bằng 0 (Gaged Flow Analysis of Records with Zero Flows)

Các trận lũ hàng năm ở các khu vực khô hạn thường tuân theo phân bố log-normal hoặc phân bố giá trị cực trị. Kỹ thuật hiệu chỉnh đường cong loại III của Pearson-log (Log-Pearson type III) cũng được áp dụng, miễn là chuỗi số liệu đỉnh hàng năm có các giá trị khác 0. Tuy nhiên, các vùng khô hạn thường có số liệu đỉnh lũ hàng năm bao gồm các giá trị bằng 0.

Vì vậy, việc phát triển đường cong tần suất dựa trên logarithm (như log-Pearson type III) cần có sự điều chỉnh vì logarithm của 0 là âm vô cực. Trong các trường hợp như vậy, Bulletin 17C (England et al. 2019) cung cấp một phương pháp gọi là Kiểm định Multiple Grubbs-Beck (MGBT) để tính đường cong tần suất một cách chính xác, bao gồm cả các năm không có lũ (zero-flood years) và xác định các lũ nhỏ có ảnh hưởng tiềm tàng (PILFs – Potentially Influential Low Floods). Bulletin 17C (mục 5.1.3.2 và 5.1.3.3) trình bày chi tiết hơn về cách xử lý các giá trị bằng 0 này.

Thủ tục đề xuất khi phân tích số liệu bao gồm các năm có lũ bằng 0 bao gồm 5 bước, được trình bày bên dưới.

Bước 1. Tính các moment thống kê.

Tách chuỗi số liệu thành hai phần: tất cả các năm có lũ khác 0 và các năm có lũ bằng 0. Tính trung bình, độ lệch chuẩn và độ nghiêng (skew) cho các năm có lũ khác 0 bằng cách sử dụng các phương trình trong Mục 5.1.5.

Bước 2. Kiểm tra giá trị ngoại lai.

Mục 5.1.3.2 trình bày phương pháp kiểm tra ngoại lai từ Bulletin 17C (England et al. 2019). Trong khi các giá trị ngoại lai thấp thường phổ biến hơn so với các ngoại lai cao trong hồ sơ lũ ở các vùng khô hạn, hãy kiểm tra cả hai. Mục 5.1.3.2 cũng trình bày quy trình tổng quát hóa cho ngoại lai thấp, dựa trên phương pháp MGBT.

Bước 3. Tính đường cong tần suất cho các năm có lũ khác 0.

Sử dụng các moment (trung bình logarit, độ lệch chuẩn logarit) từ bước 1, hoặc từ bước 2 nếu đã xác định giá trị ngoại lai, để tính đường cong tần suất. Với bước này, dùng hệ số skew của trạm thay vì hệ số skew có trọng số.
Với các xác suất vượt nhất định, tra bảng 5.15 để lấy giá trị độ lệch log-Pearson type III (K) tương ứng. Sau đó, tính logarit của lưu lượng lũ theo công thức:

$$Y = \overline{Y} + K S_y \tag{11.22}$$

trong đó:

• \(\overline{Y}\): giá trị trung bình logarit
• \(S_y\): độ lệch chuẩn logarit
• K: độ lệch log-Pearson tương ứng với xác suất vượt ngưỡng

Bước 4. Tính đường cong tần suất sử dụng EMA.

Sử dụng Thuật toán Moment Kỳ vọng (EMA) như quy định trong Bulletin 17C để hiệu chỉnh đường cong tần suất, nhằm xét đến các giá trị bằng 0 và ngoại lai.
Do EMA phức tạp, kỹ sư thường sử dụng phần mềm để phát triển đường cong tần suất có xét đến giá trị bằng 0 và ngoại lai, như mô tả trong Mục 5.1.3. Một số phần mềm phổ biến gồm:

• USGS PeakFQ (Flynn et al. 2006)
• USACE HEC-SSP (Bartles et al. 2019)

Bước 5. Sử dụng đường cong tần suất để ước lượng.

Bốn bước đầu tạo ra đường cong tần suất. Đánh giá mức độ phù hợp bằng cách so sánh với dữ liệu đo được. Vẽ đường cong trên thang xác suất-logarit bằng cách sử dụng các giá trị Y và xác suất vượt P_e để tìm giá trị K tương ứng. Vẽ điểm dữ liệu bằng công thức tính vị trí theo xác suất như Cunnane hoặc Weibull.
Sau đó, dùng thống kê để tính lưu lượng theo công thức:

$$Q = 10^{\overline{Y} + K S_y} \tag{11.23}$$

Khi kiểm tra đường cong tần suất, hãy tính vị trí theo xác suất dựa trên tổng số năm số liệu ghi nhận hoặc độ dài chuỗi số liệu lịch sử H, nếu sử dụng hiệu chỉnh lịch sử.

Ví dụ 11.4: Đường cong tần suất cho một trạm có số liệu đo đạc.
Mục tiêu: Xây dựng đường cong tần suất chưa hiệu chỉnh và hiệu chỉnh bằng EMA cho một trạm đo đạc.

Bảng 11.11 chứa số liệu lưu lượng đỉnh năm (1932–1973) của sông Orestimba Creek gần Newman, California (trạm USGS 11-2745). Bulletin 17C phân tích chuỗi số liệu này và bao gồm cả những năm không có dòng chảy hoặc có dòng chảy dưới ngưỡng.

Bước 1. Tính các moment thống kê.

Loại bỏ 6 giá trị bằng 0 khỏi chuỗi số liệu, ta có:
$$n = N_t – n_z = 36$$

Tính các moment của logarit theo phương pháp Bulletin 17C:

$$\begin{align*} \overline{Y} &= 3.08 \\ S_y &= 0.64 \\ G_y &= -0.84 \end{align*}$$

Làm tròn skew đến chữ số thập phân thứ nhất, trong trường hợp này là -0.8.

Bước 2. Kiểm tra ngoại lai.

Sử dụng quy trình trong Bulletin 17C, Mục 5.1.3.2.
Ngưỡng PILF được tính là 782 ft³/s.
Trong 42 năm số liệu, 18 năm có giá trị dưới ngưỡng PILF → loại bỏ.
Chỉ còn 24 năm dùng để phân tích tần suất ở các bước sau.

Bước 3. Tính đường cong tần suất cho các năm có lũ khác 0.

Tính đường cong tần suất dựa trên 36 giá trị khác 0.
Bảng 11.11 tóm tắt kết quả dựa trên các moment từ Bước 1.
Cột 3 của bảng được tính theo công thức:

$$\log Q = \overline{Y} + K S_y = 3.08 + 0.64K$$

Bước 4. Tính đường cong tần suất sử dụng EMA.

Sử dụng chuỗi số liệu đã loại bỏ (n = 24), tính đường cong tần suất theo EMA dựa trên điều chỉnh của Bulletin 17C.

Tra bảng 5.15 để lấy các giá trị K tương ứng với xác suất vượt.
Skew sử dụng trong EMA (không có điều chỉnh vùng) là -1.117 (lấy từ PeakFQ).
Đường cong EMA với skew trạm:

\(\log Q = \overline{Y} + K S_y = 2.89 + 0.83K\)

Áp dụng EMA lần nữa, lần này kết hợp cả skew vùng và skew trạm.
Skew tổng hợp theo Bulletin 17C là -0.349.
Tính toán trong Bảng 11.14:

\(\log Q = \overline{Y} + K S_y = 3.00 + 0.64K\)

Bảng 11.11. Chuỗi lưu lượng đỉnh năm, sông Orestimba Creek, California

Năm	Lưu lượng (ft³/s)	Log (lưu lượng)	(Exceedance Plotting Probability)
1932	4.260	3.629	0.222
1933	345	low outlier
1934	516	low outlier
1935	1.320	3.121	0.556
1936	1.200	3.079	0.611
1937	2.180	3.338	0.417
1938	3.230	3.509	0.333
1939	115	low outlier
1940	3.440	3.537	0.306
1941	3.070	3.487	0.361
1942	1.880	3.274	0.444
1943	6.450	3.810	0.083
1944	1.290	3.111	0.583
1945	5.970	3.776	0.111
1946	782	2.893	0.667
1947	0	na
1948	0	na
1949	335	low outlier
1950	175	low outlier
1951	2.920	3.465	0.389
1952	3.660	3.563	0.278
1953	147	low outlier
1954	0	na
1955	16	low outlier
1956	5.620	3.750	0.139
1957	1.440	3.158	0.528
1958	10.200	4.009	0.028
1959	5.380	3.731	0.167
1960	448	low outlier
1961	0	na

Chú thích:

• low outlier: số liệu ngoại lai thấp (thấp hơn ngưỡng PILF – Potentially Influential Low Flow).
• na: không có dòng chảy (zero flow), không có log.
• Xác suất vượt (Exceedance Plotting Probability) được dùng để xây dựng đường cong tần suất.

Bảng 11.11 (tiếp theo).

Năm	Lưu lượng (ft³/s)	Log (lưu lượng)	Xác suất vượt ngưỡng (Exceedance Plotting Probability)
1962	1.740	3.241	0.472
1963	8.300	3.919	0.056
1964	156	low outlier
1965	560	low outlier
1966	128	low outlier
1967	4.200	3.623	0.250
1968	0	na
1969	5.080	3.706	0.194
1970	1.010	3.006	0.639
1971	584	low outlier
1972	0	na
1973	1.510	3.179	0.500

Bảng 11.12. Tính toán đường cong tần suất

Xác suất vượt \(P_e\)	Độ lệch Log-Pearson III K với G=−0.840	log Q	Q (ft³/s)
0.8	-0.775524	2.579	379
0.7	-0.406770	2.817	655
0.5	0.138422	3.168	1.472
0.2	0.855346	3.630	4.262
0.1	1.158292	3.825	6.681
0.04	1.431758	4.001	10.023
0.02	1.583168	4.099	12.547
0.01	1.703630	4.176	15.002
0.002	1.905812	4.306	20.250

Bảng 11.13. Đường tần suất EMA không dùng hệ số xiên vùng.

Xác suất vượt \(P_e\)	Độ lệch log-Pearson III (K) với G=−1.117	log Q	Q (ft³/s)
0.8	-0.74319	2.271	187
0.7	-0.36171	2.588	387
0.5	0.18231	3.040	1,096
0.2	0.84734	3.593	3,913
0.1	1.10366	3.806	6,390
0.04	1.31702	3.983	9,612
0.02	1.42577	4.073	11,835
0.01	1.50641	4.140	13,809
0.002	1.62726	4.241	17,402

Bảng 11.14. Đường tần suất EMA có dùng hệ số xiên vùng.

Xác suất vượt \(P_e\)	Độ lệch log-Pearson III (K) với G=−0.349	log Q	Q (ft³/s)
0.8	-0.82022	2.470	295
0.7	-0.47941	2.689	488
0.5	0.05789	3.034	1,082
0.2	0.85392	3.546	3,515
0.1	1.23843	3.793	6,210
0.04	1.62527	4.042	11,010
0.02	1.86272	4.194	15,647
0.01	2.06813	4.326	21,208
0.002	2.46077	4.579	37,926

Bước 5. Sử dụng đường tần suất để đưa ra các ước lượng.

Hình 11.17 là biểu đồ thể hiện đồ thị đường tần suất EMA sử dụng hệ số xiên trung bình có trọng số. Biểu đồ cho thấy đường tần suất được hiệu chỉnh với 24 điểm dữ liệu đo và các giới hạn tin cậy.

Kết quả ví dụ 11.14:
Đường tần suất chưa hiệu chỉnh không phản ánh sát xu hướng của dữ liệu đo được, đặc biệt là ở phần đuôi thấp. Tuy nhiên, phần trên của đường cong — nơi các giá trị thiết kế thường được yêu cầu — lại cho kết quả tương đối phù hợp. Đường cong EMA được hiệu chỉnh dựa một phần vào hệ số nghiêng tại trạm đo và hệ số nghiêng tổng quát (khu vực), giúp phản ánh tính khu vực hóa của các giá trị từ những lưu vực có đặc tính thủy văn khác với lưu vực Orestimba Creek. Bằng cách loại bỏ các giá trị bằng 0 và dưới ngưỡng, đường cong hiệu chỉnh mô tả tốt hơn xu hướng của các lưu lượng lũ lớn hơn – điều này phù hợp với các cấu trúc thoát nước đường bộ thông thường.

11.3.2 Phương trình hồi quy cho khu vực Tây Nam Hoa Kỳ

USGS (Thomas và cộng sự, 1997) đã cung cấp các phương trình hồi quy cho khu vực Tây Nam Hoa Kỳ, phù hợp với các vùng khô hạn trong khu vực đó. Dạng tổng quát của các phương trình này thường biểu diễn lưu lượng ở các khu vực sa mạc Tây Nam như là hàm số của diện tích lưu vực và lượng mưa trung bình năm. Mục 6.1.4 trình bày chi tiết các phương trình này và cách thiết lập chúng.

11.3.3 Mất mát truyền dẫn

Để tính đến tổn thất truyền dẫn, các nhà thủy văn học ở vùng khô hạn có thể điều chỉnh đường thủy đồ thiết kế (xem Chương 8). Khi phần đầu của đường thủy đồ chảy tràn vào và di chuyển qua một lòng kênh khô, một lượng đáng kể nước có thể thấm vào đáy và hai bên bờ của dòng chảy, tạo ra tổn thất truyền dẫn. Tốc độ tổn thất truyền dẫn có thể thay đổi rất lớn theo thời gian của một đường thủy đồ lũ và giữa các khu vực khác nhau. Những tổn thất này rất quan trọng vì chúng có thể làm thay đổi đáng kể hình dạng của thủy đồ, tổng lượng runoff, và đỉnh lũ ở các đoạn kênh phía hạ lưu.

Mức độ tổn thất phụ thuộc vào đặc tính vật liệu của mặt cắt dòng chảy, diện tích bề mặt của đáy và bờ dòng chảy, vị trí của mực nước ngầm, độ ẩm trước đó của mặt cắt, và sự tồn tại cũng như loại thực vật trong dòng. Các nhà thiết kế thường không tính đến độ ẩm ban đầu và thảm thực vật vì những yếu tố này dễ thay đổi.

Kỹ sư có thể sử dụng phương pháp sau để ước tính tổn thất truyền dẫn trong điều kiện có dữ liệu quan trắc lưu lượng vào và ra, không có dòng chảy phụ ngang, và không có dòng tràn bờ. Chương 19 của National Engineering Handbook (NRCS 2007b) thảo luận chi tiết về phương pháp này cùng với các giả định và giới hạn của nó.

Phương pháp này ước tính lượng nước thoát ra Q_d ở cuối đoạn dòng chảy dựa trên thể tích tại đầu trên của đoạn, Q_u. Khi có dữ liệu đo được từ các sự kiện mưa trước đó, mô hình sản lượng nước tuyến tính được sử dụng:

$$Q_d = \begin{cases} 0 & \text{nếu } Q_u \le Q_o \\ a + b Q_u & \text{nếu } Q_o < Q_u < Q_1 \\ Q_u – V & \text{nếu } Q_1 \le Q_u \end{cases} \tag{11.24}$$

trong đó:

• a, b: hệ số hồi quy
• V: tổn thất tiềm năng tối đa
• Q₁: ngưỡng thể tích tổn thất tối đa
• Q_o: ngưỡng thể tích tổn thất tối thiểu

Q_o được tính theo công thức:

$$Q_o = \frac{-a}{b} \tag{11.25}$$

Phương pháp này có các ràng buộc sau đối với các hệ số hồi quy:

$$a \le 0 \quad \text{và} \quad 0 \le b \le 1 \tag{11.26}$$

Nếu các hệ số hồi quy không thỏa mãn các ràng buộc này, cần kiểm tra dữ liệu để phát hiện các điểm dữ liệu bất thường có thể gây ra sự phi lý. Phân tích đồ họa hữu ích trong việc xác định các điểm dữ liệu đáng ngờ.

Lưu lượng đỉnh tương ứng được tính bằng:

$$q_d = \begin{cases} 0 & \text{nếu } Q_d = 0 \\ \frac{(Q_d – Q_u)}{D} + b’ q_u & \text{nếu } Q_d > 0 \end{cases} \tag{11.27}$$

trong đó:

• b′: độ dốc hồi quy hiệu chỉnh (b’ = b nếu \(Q_u < Q_1\))
• D: thời lượng dòng vào, đơn vị giây (s)
• q_u: lưu lượng đỉnh dòng vào ở đầu trên, ft³/s (m³/s)

Ước lượng các tham số hồi quy tuyến tính từ dữ liệu đo được như sau:

$$a = \bar{Q}_d – b\bar{Q}_u \tag{11.28} $$

$$b = \frac{\sum_{i=1}^{n} \left[(Q_{di} – \bar{Q}_d)(Q_{ui} – \bar{Q}_u)\right]}{\sum_{i=1}^{n} (Q_{ui} – \bar{Q}_u)^2} \tag{11.29}$$

trong đó:

• \(\bar{Q}_d\) = Lưu lượng thoát trung bình, ft³/s (m³/s)
• \(\bar{Q}_u\) = Lưu lượng vào trung bình, ft³/s (m³/s)

NRCS (2007b) cung cấp các mở rộng của phương pháp này để tính đến dòng chảy bên và các địa điểm không có dữ liệu đo.

11.3.4 Alluvial Fans (Quạt Bồi tích)

Phổ biến ở các môi trường khô hạn và bán khô hạn, quạt bồi tích là các trầm tích có hình dạng giống như quạt được hình thành tại nơi dòng chảy từ một thung lũng hẹp có độ dốc cao chảy ra một đồng bằng hoặc thung lũng rộng có độ dốc thấp. Một nón bồi tích (alluvial cone) hình thành từ vật liệu mịn lơ lửng trong dòng chảy, trong khi một nón mảnh vụn (debris cone) là hỗn hợp các loại vật liệu có kích thước và loại khác nhau. Để hiểu rõ quá trình hình thành quạt bồi tích, các kỹ sư thường dựa vào chuyên môn về thủy văn, thủy lực kênh hở, địa chất, vận chuyển trầm tích, và địa mạo học.

Quá trình hình thành quạt bồi tích phụ thuộc vào nguồn gốc trầm tích và mảnh vụn, cũng như phương thức vận chuyển vật liệu đến vùng lắng đọng. Tại khu vực lắng đọng, việc mở rộng diện tích dòng chảy sẽ làm giảm khả năng tải trầm tích của dòng chảy ban đầu.

Đặc điểm của quạt bồi tích bao gồm:

• Đỉnh địa hình (topographic apex): điểm cao nhất của quạt bồi tích đang hoạt động.
• Đỉnh thủy đồ (hydrographic apex): điểm cao nhất nơi dòng chảy bị hạn chế nhất.

Một quạt bồi tích đang hoạt động có các hướng dòng không chắc chắn, có thể phân tán và/hoặc hội tụ lại, như thể hiện trong Hình 11.18.

Đường đi của dòng chảy có thể thay đổi trong mỗi sự kiện mưa hoặc giữa các sự kiện khác nhau. Dòng chảy có thể là dòng mảnh vụn, dòng nước, hoặc sự kết hợp của cả hai. Những sự thay đổi và dòng chảy phức tạp này gây ra thách thức lớn trong thiết kế đường giao thông khi đi qua quạt bồi tích.

Việc đánh giá đặc điểm thủy văn và thủy lực của quạt bồi tích bao gồm ba giai đoạn:

1. Giai đoạn đầu tiên: Xác định sự hiện diện của các quạt bồi tích trong vùng dự án thông qua bản đồ đất, bản đồ địa chất, bản đồ địa hình, và ảnh hàng không. Các chuyến khảo sát thực địa cũng cung cấp thông tin quý giá.
2. Giai đoạn thứ hai: Xác định vùng hoạt động và không hoạt động trên quạt bồi tích.
   • Vùng không hoạt động có thể được bao phủ bởi thực vật và dòng chảy sẽ tập trung trong kênh đã hình thành.
   • Vùng hoạt động có trầm tích mới và ít thực vật. Nếu có dòng lớn hơn hoặc điều kiện thay đổi, dòng có thể vượt ra khỏi kênh hiện có trong một quá trình gọi là sự phân dòng (avulsion), làm cho dòng chảy mới vượt qua vùng dự án tại một vị trí khác.
3. Giai đoạn thứ ba trong đánh giá quạt bồi tích mô tả lưu lượng thiết kế tại một điểm cụ thể trên quạt. Điều này không chỉ phụ thuộc vào lượng mưa và các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy, mà còn phụ thuộc vào xác suất ngập lụt tại bất kỳ vị trí nào trên phần quạt đang hoạt động. Hàm lượng trầm tích trong dòng chảy có thể thay đổi từ không đáng kể đến hơn 50% trầm tích và mảnh vụn, làm tăng khối lượng dòng chảy (bulked flow), từ đó phát sinh nhu cầu thiết kế các công trình vượt qua dòng và các cấu trúc khác để xử lý khối lượng dòng chảy tăng này.

Xem Mục 11.3.5 để biết thêm về dòng chảy có trầm tích (bulked flow).

Việc đánh giá xác suất điều kiện của lũ lụt tại tất cả các vị trí trong phần hoạt động của quạt sẽ giúp xác định đúng lũ lụt có xác suất vượt ngưỡng hàng năm (AEP) tại một vị trí cụ thể.

Người đọc có thể tham khảo các tài liệu sau để biết thêm thông tin về quạt bồi tích:

• HEC-16 (FHWA 2023) trình bày tổng quan về các phương pháp phân tích và các biện pháp giảm thiểu rủi ro cho quạt bồi tích.
• Tài liệu Guidance for Flood Risk Analysis and Mapping – Alluvial Fans của Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA 2016) mô tả ba giai đoạn xác định và lập bản đồ lũ quạt bồi tích, phù hợp với ba giai đoạn đánh giá quạt bồi tích đã nêu ở trên.
• Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (USACE) đã phát triển một phương pháp luận và chương trình máy tính sử dụng các nguyên tắc phân tích dựa trên rủi ro để ước tính nguy cơ lũ lụt trên quạt bồi tích. Tài liệu Guidelines of Risk and Uncertainty Analysis in Water Resources Planning (USACE 1992) mô tả phương pháp này.
• FEMA cũng đã phát triển một chương trình máy tính tên là FAN để phân tích quạt bồi tích. Chương trình này được cung cấp và trình bày trong tài liệu FAN, An Alluvial Fan Flooding Computer Program User’s Manual and Program Disk (FEMA 1990), có thể yêu cầu từ thư viện của FEMA.
• Các chương trình mô phỏng hai chiều, chẳng hạn như SRH-2D (USBR 2008), cũng có thể được sử dụng để mô phỏng dòng chảy trên quạt bồi tích. Các mô hình này có thể ước tính các đặc tính dòng chảy có lượng lớn trầm tích, dòng chảy không giới hạn, dòng chảy phân nhánh, bùn và dòng mảnh vụn, cũng như lũ lụt đô thị phức tạp.
• Tài liệu Assessment of Structural Flood-Control Measures on Alluvial Fans của USACE (USACE 1993) liệt kê nhiều loại biện pháp kiểm soát lũ lụt được sử dụng trên quạt bồi tích, cùng với ưu điểm và hạn chế, đồng thời trình bày một số nghiên cứu tình huống về việc áp dụng các biện pháp này.

11.3.5 Bulked Flow

Dòng chảy bulking và bulked là sự kết hợp giữa dòng chảy clear-water và nồng độ trầm tích cao. Hiện tượng này xảy ra thường xuyên hơn ở địa hình núi thuộc vùng khô hạn và bán khô hạn, nơi dễ xảy ra cháy rừng thiêu rụi lớp thảm thực vật trên bề mặt đất. Bulking cũng xảy ra ở các vùng núi nơi đất có thể dễ dàng bị cuốn trôi.

Việc ước lượng nồng độ trầm tích và mảnh vụn có mức độ không chắc chắn cao do đặc điểm biến đổi của quá trình vận chuyển trầm tích. Trong thiết kế thực tiễn, giả định dòng chảy clear-water có thể làm đánh giá thấp lưu lượng nếu bỏ qua tải lượng trầm tích và mảnh vụn, điều này có thể rất quan trọng tại các hệ thống alluvial và vùng cháy rừng gần đây. Do đó, dòng chảy bulking mang lại hệ số an toàn khi thiết kế các công trình thủy lực với năng lực đầy đủ. Dòng chảy bulking được ước lượng từ dòng chảy clear-water như sau:

$$ QB=cBFQC(11.30)Q_B = c_{BF} Q_C \tag{11.30}$$

trong đó:

• Q_B= Dòng chảy bulking, ft³/s (m³/s)
• c_BF = Hệ số bulking
• Q_C = Dòng chảy clear-water, ft³/s (m³/s)

Phương trình cho hệ số bulking là:

$$c_{BF} = \frac{Q + Q_s}{Q} = 1 + \frac{C_V}{1 – C_V} = 1 + \frac{C_W}{S_g (1 – C_W)} \tag{11.31}$$

trong đó:

• c_BF = Hệ số bulking
• Q = Lưu lượng nước, ft³/s (m³/s)
• Q_s = Lưu lượng trầm tích, ft³/s (m³/s)
• C_V = Nồng độ theo thể tích (thể tích trầm tích / tổng thể tích)
• S_g = Tỷ trọng riêng của trầm tích
• C_W = Nồng độ theo khối lượng (khối lượng trầm tích / tổng khối lượng)

Ở một số khu vực thủy văn, các mối quan hệ thực nghiệm từ các trận lũ có trầm tích trong lịch sử được sử dụng để xác định hệ số bulking. Trong các vùng dễ cháy rừng, việc sản sinh trầm tích và mảnh vụn có thể đủ lớn để tiềm ẩn nguy cơ làm tắc nghẽn hoặc bít kín các công trình thủy lực ở hạ lưu.

Tài liệu HEC-19 (FHWA 2022a) cung cấp thêm thông tin chi tiết về hiện tượng bulking trầm tích cũng như các biện pháp đối phó nhằm bảo vệ công trình thủy lực hạ lưu. HEC-16 (FHWA 2023) cũng cung cấp thêm thông tin bổ sung về hiện tượng bulking trầm tích.

Ví dụ: Ứng dụng hệ số bulking
Tại San Bernardino, California, các kỹ sư đã thiết kế thay thế hai cây cầu liền kề bắc qua City Creek, trên đường Boulder Avenue và đường Base Line Street. Các kỹ sư thiết kế cả hai cây cầu để chịu được một dòng chảy 100 năm với lưu lượng 10.470 ft³/s. Các cây cầu này nằm trong khu vực có nồng độ trầm tích cao, và theo lịch sử, các cây cầu trước đó đã bị cuốn trôi tại khu vực này
Để tính đến khả năng tăng lưu lượng do tải lượng trầm tích gây ra, các kỹ sư đã hiệu chỉnh lưu lượng thiết kế bằng cách sử dụng hệ số bulking là 1.5, tương ứng với nồng độ trầm tích thể hiện một trận lũ bùn. Điều này dẫn đến lưu lượng bulking 100 năm bằng: \(10.470 \text{ ft}^3/\text{s} \times 1.5 = 15.705 \text{ ft}^3/\text{s}\)

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA