Chương này giới thiệu một số chủ đề quan tâm riêng ở vài vùng của nước Mỹ, gồm ảnh hưởng của cháy rừng lên dòng chảy, vùng karst, và thuỷ văn cổ. Chương tóm lược từng chủ đề, nêu liên hệ của chúng với các phân tích thủy văn phục vụ giao thông, và cung cấp tài liệu tham khảo.
7.1 Cháy rừng và dòng chảy
Trong bối cảnh thiết kế thoát nước đường bộ, cháy rừng ảnh hưởng đến thấm, dòng chảy mặt, và nồng độ bùn cát. Tác động này còn thay đổi theo thời gian trong suốt giai đoạn phục hồi thảm phủ, khiến ước tính lưu lượng thêm bất định. Mục này bàn về các tác động của cháy rừng lên thủy văn, gồm tính chất vật lý đất và lửa, chu trình thủy văn và tài nguyên nước, cùng phục hồi lưu vực.
Cháy rừng xảy ra tự nhiên và rải rác, thường gặp nhất ở rừng vùng Tây Hoa Kỳ. Các vùng khí hậu Địa Trung Hải hoặc bán khô hạn (Nam California và Tây Nam) nói chung có đỉnh lũ sau cháy và lượng nước năm lớn hơn so với vùng cao nguyên (Dãy Rocky và Tây Bắc Thái Bình Dương). Ở các vùng này, biến đổi kết nối thủy lực trên sườn dốc do cháy làm nước dồn nhanh và nhiều hơn về sông suối (Hallema và cs., 2017). Dù do tự nhiên hay con người, cháy rừng có thể thay đổi mạnh mẽ cảnh quan ngay lập tức, trên diện rộng và kéo dài. Tác động lớn nhất thường là mất lớp thảm thực vật bảo vệ, khiến dòng chảy mặt tăng nhanh. Cháy cũng giảm khả năng thấm của đất, làm thể tích dòng chảy lớn hơn. Đáp ứng thủy văn của lưu vực bị cháy thay đổi đột ngột dẫn đến các trận dòng chảy sau cháy gây xói mòn bờ, vận chuyển lượng lớn bùn cát, gỗ lớn và rác trôi. Vì vậy, kỹ sư cần xét ảnh hưởng cháy rừng lên thủy văn, dựa trên quan trắc các trận mưa lịch sử trong vùng cháy. Dòng chảy sau cháy có thể làm tăng rủi ro lũ, nên tính đến đỉnh lũ cao hơn trong thiết kế sẽ hướng tới hạ tầng bền vững hơn.
Đường sá thường bị ảnh hưởng xấu bởi dòng chảy sau cháy do nước mặt chạy qua cống ngang. Thực hành thiết kế thông thường xác định kích thước cống, bó vỉa–rãnh và công trình thoát nước đường dựa trên dòng nước trong khi lưu vực chưa bị cháy. Khi bị cháy, bùn cát, gỗ và rác thường vượt quá năng lực của hệ thống thoát nước đường. Chi phí sửa chữa đường chiếm khoảng 20% tổng chi phí phục hồi sau cháy (Foltz và cs., 2009). Do đó, một phần lớn các biện pháp BAER (Burned Area Emergency Response – ứng phó khẩn cấp vùng cháy) liên quan đến các dự án đường bộ. Ở vùng cháy, dòng chảy sau cháy trở thành yếu tố thiết kế quan trọng cho công trình giao thông.
Ổn định khẩn cấp (Emergency Stabilization)
Các biện pháp và hoạt động ổn định khẩn cấp triển khai ngay sau cháy rừng nhằm bảo đảm an toàn cộng đồng, ổn định hiện trường và ngăn suy thoái thêm các tài nguyên tự nhiên và văn hoá bị ảnh hưởng (USDOI & USDA, 2006). Với các vụ cháy trên đất liên bang, một nhóm kỹ thuật liên ngành—gồm nhà thủy văn, kỹ sư địa kỹ thuật, nhà sinh học và chuyên gia quản lý đất đai—lập báo cáo BAER, trong đó đưa ra kế hoạch ổn định khẩn cấp.
Wildland Fire in Ecosystems: Effects of Fire on Soil and Water tổng hợp tri thức chung của các cơ quan liên bang Hoa Kỳ làm việc với cháy rừng (Neary và cs., 2008). Tài liệu này cung cấp cho các nhà quản lý đất đai và ứng phó cháy rừng thông tin về các tác động vật lý, hoá học và sinh học của lửa—hữu ích cho quản lý hệ sinh thái hiệu quả và truyền đạt cho cộng đồng về vai trò, tác động của cháy rừng.
Thiết kế thủy văn thông thường cấu hình công trình thoát nước với khả năng tiêu thoát dòng chảy trực tiếp do mưa (clearwater design flow), không tính đến lượng bùn cát, gỗ và rác có thể bị cuốn theo và vận chuyển. Tuy nhiên, ở các lưu vực dễ xảy ra cháy rừng, chỉ thiết kế cho “nước” có thể không đủ dung năng trước các tải lượng bùn cát, gỗ, rác đặc trưng của những vùng từng cháy trong lịch sử. Thiết kế tại các khu vực này cần lưu ý đặc biệt để đảm bảo chức năng, khả năng chống chịu và bền vững, bằng cách cấu hình công trình thủy lực để đáp ứng gia tăng dòng chảy sau cháy.
Hình 7.1 minh họa một điều kiện điển hình của dòng chảy sau cháy rừng—trong trường hợp này là dòng chảy mang nhiều bùn cát và rác từ một lưu vực sau vụ cháy Foothill năm 2004 tại Quận Los Angeles, California.
Viện Nghiên cứu Sa mạc (DRI) và USACE phối hợp phát triển Urban Flood Demonstration Program (UFDP) Data Clearing House (ufdp.dri.edu) — công cụ trực tuyến cung cấp mô hình, dữ liệu và tài liệu phục vụ lực lượng ứng cứu và nhà nghiên cứu quan tâm đến tác động của cháy rừng lên thủy văn. USGS cũng thực hiện đánh giá nguy cơ dòng bùn–đá sau cháy cho một số vụ cháy ở miền Tây Hoa Kỳ và công bố tại landslides.usgs.gov/hazards/postfire_debrisflow. Công cụ này cho phép dùng dữ liệu không gian về hình thái lưu vực, mức độ cháy, tính chất đất và đặc trưng mưa để ước tính xác suất và thể tích dòng bùn–đá có thể xảy ra ứng với một trận mưa thiết kế.
7.1.1 Ảnh hưởng của cháy rừng lên thủy văn
Các nhà thủy văn và kỹ sư địa kỹ thuật đánh giá tác động của cháy rừng đến dòng chảy (và do đó là ngập lụt) theo hai hướng chính:
- Tăng dòng chảy nước do giảm thấm và giảm khả năng giữ nước của lưu vực.
- Tăng tải bùn cát từ lưu vực, gây xói mòn mặt và lòng dẫn, làm “phình” dòng và tăng thêm thể tích lũ.
Báo cáo BAER thường cung cấp thông tin mô tả hữu ích cho phân tích thủy văn (bản đồ chi tiết cường độ cháy, kiểu thảm thực vật, …). Kỹ sư dựa vào hiểu biết này để lập kế hoạch ổn định và bảo vệ, giúp lưu vực phục hồi về trạng thái thủy học ổn định. Các mục sau bàn kỹ hơn về hai cơ chế trên.
7.1.1.1 Giảm thấm
Hình 7.2 cho thấy sườn dốc bị trơ trọi sau cháy. Cháy rừng loại bỏ thảm thực vật bảo vệ và thường làm giảm thấm của đất, dẫn tới thể tích dòng chảy lớn hơn và vận tốc cao hơn. Lửa phá hủy cấu trúc đất (làm sụp–nén), khiến khối lượng riêng tăng, độ rỗng giảm (Neary et al., 2008). Mưa còn kết dính hạt đất và tro, làm bít kín lỗ rỗng tầng mặt.
Có thể mô hình hóa tác động của tính kị nước của đất (hydrophobicity)—khuynh hướng kháng ướt/kháng thấm—thông qua các tham số thấm. Khi mô hình thấm, thường dùng:
- Green–Ampt, hoặc
- NRCS Curve Number (CN) (chi tiết trong HDS-2).
Để phản ánh giảm thấm do kị nước, có thể áp dụng (NRCS, 2016):
- Giảm hệ số thấm bão hòa (hydraulic conductivity) trong phương pháp Green–Ampt.
- Tăng tỷ lệ diện tích không thấm (ví dụ trong phương pháp Rational).
- Tăng CN lên khoảng cao 90 trong phương pháp CN.
Chuyên gia BAER ước lượng giảm thấm chủ yếu từ bản đồ mức độ cháy của đất (USFS) hoặc đo đạc hiện trường. Nhà thủy văn có thể dùng các bản đồ/đánh giá địa hình này để ước tính mức độ nghiêm trọng của cháy liên quan đến thủy văn. USDA phát hành sổ tay thực địa (Parsons et al., 2010) hỗ trợ các nhóm BAER diễn giải nhất quán, kiểm chứng tại hiện trường và lập bản đồ mức độ cháy của đất, với các chỉ báo tình trạng đất giúp phân biệt các cấp độ cháy.
7.1.1.2 Gia tăng thể tích do bùn cát (Sediment Bulking)
Do tải lượng bùn cát lớn mà các lưu vực bị trơ thảm thực vật tạo ra, đỉnh và mực nước của thủy đồ sau cháy thường cao hơn. Hình 7.3 cho thấy thiệt hại nặng do lũ mang nhiều bùn cát; Hình 7.4 minh họa việc thu dọn bùn, gỗ và rác của các dòng bùn–đá sau cháy tràn qua và làm đóng tuyến I-70.
Phương trình sau liên hệ lưu lượng tổng (có bùn cát) với lưu lượng nước:
$$Q_{\text{bulked}} = Q + Q_s \tag{7.1}$$
trong đó
- Q = lưu lượng nước, ft³/s (m³/s)
- \(Q_s\) = lưu lượng bùn cát, ft³/s (m³/s)
Phương trình sau, dùng hệ số “phình dòng” thực nghiệm (bulking factor), áp dụng khi ước tính gia tăng thể tích do bùn cát trong phân tích thủy đồ sau cháy (O’Brien & Fullerton, 1989). HEC-16 (FHWA, 2023) cũng đưa ra khuyến nghị tương tự:
$$\text{BF}=\frac{Q+Q_s}{Q}=\frac{1}{1-C_v} \tag{7.2}$$
trong đó
- BF = hệ số phình dòng (bulking factor)
- \(C_v\) = nồng độ bùn cát lớn nhất theo thể tích = (thể tích bùn cát / tổng thể tích)
Khả năng xảy ra dòng bùn–đá (Debris Flow Likelihood)
USGS duy trì một trang web ước tính xác suất dòng bùn/đá phát sinh từ các vụ cháy hiện thời: landslides.usgs.gov/hazards/postfire_debrisflow/.
Trang này hữu ích cho đánh giá ban đầu ảnh hưởng đến đường sá và cho chủ tài sản trong các lưu vực bị tác động.
HEC-16 quy ước:
- BF < 1,25 → dòng nước thuần (clearwater flow);
- 1,25 < BF < 1,65 → dòng mang nhiều bùn cát (sediment-laden flow);
- BF > 1,65 → dòng bùn (mud flow).
Với dòng mang bùn cát, nồng độ theo thể tích khoảng 20–40% và nồng độ theo khối lượng khoảng 10–65%.
Trong thủy đồ dòng chảy có bùn cát, các đại lượng Q (lưu lượng nước), Qs (lưu lượng bùn cát) và BF (hệ số phình dòng) thay đổi theo thời gian. Khi thiết kế, kỹ sư thường lấy điều kiện đỉnh lũ, kể cả nồng độ bùn cát cực đại \(C_v\)—giá trị này thường xảy ra trước đỉnh của thủy đồ lũ.
Một số địa phương (ví dụ Quận Los Angeles – LACDPW, 2006) đã xây dựng các quan hệ thực nghiệm khác giữa sản lượng bùn cát với diện tích lưu vực, và giữa hệ số phình dòng (BF) với diện tích lưu vực cho các vùng thủy văn khác nhau. Các quan hệ này dựa trên lũ quan trắc, có xét đến địa chất, địa hình, thảm thực vật và đặc trưng mưa. Áp BF lên thủy đồ nước trong sẽ cho thủy đồ đã “phình” như minh họa ở Hình 7.5, thể hiện quan hệ giữa nước thuần, bùn cát, và dòng đã phình cho một trường hợp giả định.
7.1.2 Phương pháp & cách tiếp cận phân tích
Để đánh giá tác động cháy rừng đến thủy văn lưu vực, chuyên gia thường thực hiện khảo sát BAER tại hiện trường. Trong thực tế, dựa trên quan trắc ở các lưu vực sau cháy, họ dùng:
- Hồi quy USGS cho lưu vực lớn (>~5 mi² ≈ 13 km²),
- NRCS curve number methods cho lưu vực nhỏ (<~5 mi²) (Foltz và cs., 2009).
Các cách ước tính dòng chảy trước/sau cháy gồm:
- Phương trình hồi quy vùng nông thôn của USGS.
- Phương pháp đỉnh lũ và thủy đồ đơn vị của NRCS (Curve Number).
- “Quy tắc kinh nghiệm” của USDA.
USGS đã xây dựng các phương trình hồi quy vùng nông thôn trên phạm vi toàn quốc—đó là nền tảng của cách tiếp cận này. HDS-2 hướng dẫn cách áp dụng các phương trình; kỹ sư dùng rất nhiều, thường thông qua StreamStats để ước tính đỉnh lũ. Ngoài ra, USGS cũng công bố phương trình hồi quy nông thôn theo từng bang trong loạt báo cáo SIR.
Mỗi vùng thủy văn có tập biến độc lập riêng; nhà thủy văn thu thập dữ liệu thích hợp cho phương trình áp dụng và xác định biến cần điều chỉnh để phản ánh tác động cháy rừng. Thông thường, khi có, hướng dẫn theo vùng là nguồn chính để điều chỉnh tham số thủy văn cho tính kị nước của đất (hydrophobicity). Các hệ số hiệu chỉnh được áp theo mức độ cháy đất cao hoặc trung bình nhằm phản ánh phần tăng dòng chảy. Do nhiều phương trình hồi quy vùng không có biến độc lập để trực tiếp điều chỉnh cho tính kị nước, chuyên gia BAER dựa vào hướng dẫn vùng, thường dưới dạng nhân hệ số đơn giản.
NRCS cung cấp phương pháp đỉnh lũ và thủy đồ đơn vị để ước tính dòng chảy trước và sau cháy rừng. Khi cháy rừng xảy ra, có thể hiệu chỉnh:
- Curve Number (CN) → thường tăng,
- Thời gian tập trung (Tc) → thường giảm,
để phản ánh điều kiện thủy văn đã thay đổi. HDS-2 trình bày chi tiết cách chọn CN phù hợp và cách ước tính đỉnh lũ nước thuần.
Kỹ sư cũng có thể dùng quy tắc kinh nghiệm của USDA (Foltz et al., 2009) để ước tính nhanh đỉnh lũ sau cháy theo diện tích bị cháy, cường độ mưa, và hệ số phình dòng:
$$Q_p = 300\, BF\, A_s\, I \tag{7.3}$$
trong đó:
- BF = bulking factor (hệ số phình dòng, thường lấy 1.25),
- \(A_s\) = diện tích bị cháy mức cao & trung bình, mi²,
- I = cường độ mưa, in/h.
Công cụ phần mềm mô hình hóa giúp đánh giá tác động cháy rừng lên thủy văn. Các phần mềm thường dùng gồm: WATSED (USDA 1990), WEPP (Flanagan & Nearing 1995), RHEM (Nearing et al. 2011), RUSLE (USDA 2008), HEC-HMS (USACE 2021a) và Wildcat5 (Hawkins & Barreto-Munoz 2016). Thành phần thủy văn của các phần mềm này triển khai các phương pháp đã nêu trước; ngoài các phần tử thủy văn, chúng cũng ước tính xói mòn/đất mất.
Phương pháp ước tính sản lượng bùn–đá trong HEC-HMS:
Người mô hình chọn công cụ phù hợp mục tiêu dựa trên các tùy chọn sẵn có. HEC-HMS (v4.10 tại thời điểm biên soạn) có nhiều phương pháp ước tính sản lượng bùn–đá, bao gồm mô hình đánh giá khẩn cấp của USGS. Phần mềm được cập nhật định kỳ, vì vậy nên xem tài liệu hướng dẫn để nắm khả năng mới nhất.
7.1.3 Giảm thiểu và biện pháp đối phó
Có nhiều cách giảm thiểu cho các lưu vực mà quá trình thủy văn đã bị cháy rừng làm thay đổi. Ước tính đỉnh lũ sau cháy cung cấp thông tin then chốt để chọn biện pháp cho đường giao thông, cả khẩn cấp lẫn dài hạn. Hình 7.6 minh họa biện pháp khẩn cấp đặt tại hiện trường để ngăn bùn và đá tiếp tục tràn xuống tuyến I-70 ở bang Colorado.
Về giảm thiểu dài hạn, có thể gồm nâng cấp cống, nạo vét/ gia cố mương,… Khi cấu hình biện pháp, cần xét dung tích công trình và ước tính thể tích bùn, gỗ và rác. Chương 5 & 6 của HEC-9 (FHWA 2005) nêu chi tiết biện pháp khống chế vật cản cho cống và cầu; kỹ sư có thể mở rộng áp dụng cho các công trình sông suối khác. HEC-16 (FHWA 2023) bàn chi tiết cách ước tính tải lượng bùn cát và dòng bùn-đá sau cháy. Sổ tay Lắng đọng của Sở Công chính Quận Los Angeles – LACDPW (2006) liệt kê một số biện pháp thường dùng cho các lưu vực từng cháy và dễ phát sinh dòng mang bùn rác, gồm:
- Hồ/bể chắn bùn rác (debris basins).
- Kết cấu chắn bằng dầm ray/thanh gỗ (rail & timber structures).
- Cửa thu nâng cao (elevated inlets).
- Đập giằng/đập ô (crib dams).
- Cửa thu tách bùn (desilting inlets).
Hồ/bể chắn bùn rác (debris basins) chặn và giữ lại vật cản—gồm bùn cát, sỏi, tảng đá và cây cối bật gốc—bị lũ cuốn ra khỏi các khe núi trong mưa bão. Trong khi giữ vật cản, nước vẫn được xả vào hệ thống thoát nước hạ lưu, nhờ đó giảm rủi ro ngập cho khu dân cư phía hạ lưu công trình.
Kỹ sư thường lắp đặt kết cấu chắn bằng dầm ray/thanh gỗ (xem Hình 7.8) như biện pháp khẩn cấp tạm thời, đặt xuống hạ lưu các vùng bị cháy nơi có khả năng xuất hiện dòng chảy lẫn nhiều bùn cát, có thể ảnh hưởng xấu đến hạ tầng hiện hữu. Các công trình này duy trì hoạt động cho đến khi lưu vực phục hồi đủ và nguy cơ dòng bùn–đá trở nên thấp.
Kỹ sư cũng hay thiết kế cửa thu nâng cao (elevated inlets) làm biện pháp giảm thiểu bùn rác cho các vị trí ven đường. Cửa thu được nâng cao so với đường dòng để tích tụ được thể tích bùn, gỗ và rác theo thiết kế. Một ống đứng đục lỗ với đáy ở cao trình đường dòng sẽ điều tiết dòng nhỏ chảy vào kết cấu xả của công trình.
Đập giằng/đập ô (crib dams) là kết cấu gồm khung giằng bằng các phần tử bê tông, các ô tạo thành được đổ vật liệu rời (đá dăm), như minh họa ở Hình 7.9. Công trình giữ bùn cát, gỗ và rác phía thượng lưu đập trong khi xả nước qua tràn chính.
Tương tự cửa thu nâng cao, kỹ sư thường thiết kế cửa thu tách bùn (desilting inlets) để giảm bùn rác cho các vị trí ven đường. Ở cấu hình này, vách tách bùn cho phép bùn cát/rác lắng ở phía thượng lưu của vách, còn nước tràn thì chảy qua tràn chính. Ống đứng đục lỗ với đáy đặt ở cao trình đường dòng điều tiết dòng nhỏ vào kết cấu xả của công trình.
Bảo trì là yếu tố cốt yếu để các biện pháp đối phó với bùn, gỗ và rác hoạt động bền vững. Không bảo trì định kỳ sẽ làm tích tụ bùn, gỗ, rác và cuối cùng hỏng. Vì khó dự báo tải bùn/gỗ/rác, một kế hoạch bảo trì chủ động tối thiểu phải gồm kiểm tra thường xuyên, đặc biệt sau các trận mưa lớn. Thiết kế tính đến tải bùn, gỗ, rác sẽ bền vững hơn. Kế hoạch bảo trì cũng nên có kế hoạch khẩn cấp để dọn bùn, gỗ, rác trong lúc lũ khi có nguy cơ đối với hạ tầng và tính mạng. Chương 7 của HEC-9 (FHWA, 2005) bàn về bảo trì các công trình khống chế vật cản.
7.2 Địa hình karst (cacxtơ)
Địa hình karst có thể làm thay đổi đáng kể đặc trưng dòng chảy mặt của một lưu vực so với vùng không karst. Mục này giới thiệu hiện tượng địa hình karst, cách nhận biết và các hàm ý đối với thiết kế đường bộ.
“Địa hình karst” là dạng địa mạo hình thành do hòa tan đá vôi/đôlômit, thường gồm hố sụt, suối/ngầm ngầm và hang động. Các đặc trưng karst gồm hố sụt (sinkhole), mạch lộ/suối nguồn (spring), hang (cave) và dòng chảy mất hút (sinking stream). Hố sụt/hõm tự nhiên là một lòng chảo tự nhiên không có cửa thoát mặt, chỉ tràn khi mực nước cao. Miệng hố sụt là lỗ mở trên bề mặt, dẫn nước chảy mặt từ lưu vực hố sụt vào tầng chứa nước.
Trong địa hình karst, tổn thất ban đầu và tổn thất mưa thường lớn hơn do có khả năng trữ nước bổ sung của các cấu trúc karst. Tùy thể tích tổn thất và trữ thêm từ vùng karst, ảnh hưởng đến dòng chảy ở những trận mưa nhỏ, xảy ra thường xuyên có thể lớn hơn so với trận mưa lớn—vì khi trận mưa càng lớn thì tỷ phần của các thể tích tổn thất/trữ giảm so với tổng lượng mưa trận.
Đô thị hóa trên vùng karst có thể giảm tổn thất mưa (do tăng bề mặt không thấm và san gạt lấp các hố sụt/cấu trúc karst). Khi đó, cần dự báo tăng mạnh thể tích và đỉnh dòng chảy sau phát triển ở khu vực karst, cao hơn so với kỳ vọng ở nơi không karst.
Thủy văn karst ảnh hưởng đến thiết kế công trình đường ở các khu vực có hõm tự nhiên/hố sụt, kênh hòa tan nông và mặt phân lớp nghiêng đứng (các “đới đứt gãy đá”). Ngoài các tác động thủy văn, cần cân nhắc quản lý nước mưa và kiểm soát xói mòn gắn với địa hình karst và tầng chứa nước bên dưới.
Hình 7.10 và 7.11 thể hiện các khu vực karst và tiềm năng karst ở Hoa Kỳ, chiếm khoảng 20% diện tích bề mặt đất (Weary & Doctor, 2014; Epstein & Johnson, 2003). Kỹ sư nên sử dụng các nguồn này cùng kiểm kê karst cấp bang/địa phương (nếu có), sau đó khảo sát hiện trường và điều tra địa chất trong lưu vực để xác nhận các đặc trưng karst như mạng lưới thoát nước, thay đổi thảm thực vật, các trũng/hố và lộ đá gốc.
Hình 7.12. Ảnh hố sụt Seco – cửa vào tầng chứa nước Edwards ở quận Medina, Texas, minh họa cách dòng nước mặt chảy qua hố sụt và cuối cùng vào tầng chứa nước bên dưới.
Hình 7.13. Ảnh một hang động thuộc hệ karst ở Tây Texas. Hang động, như các đặc trưng karst khác, là cửa ngõ dẫn nước ngầm vào tầng chứa nước; trong trường hợp này là tầng chứa nước Edwards.
7.2.1 Ước tính dòng chảy
Kỹ sư thoát nước dùng nhiều cách để tính đến tổn thất do địa hình karst khi ước tính dòng chảy, gồm:
- Điều chỉnh hệ số dòng chảy trong phương pháp mưa–dòng chảy.
- Dùng phân bố mưa NRCS Type I ngay cả trong khu vực Type II (Laughland, 1996).
- Điều chỉnh giá trị Curve Number (CN) hoặc hệ số tốc độ đỉnh theo phương pháp TR-20.
- Áp dụng phương trình hồi quy được phát triển riêng cho địa hình karst.
- Áp dụng các hệ số giảm thực nghiệm.
Ba phương pháp đầu sử dụng các công cụ thủy văn phổ biến, áp dụng rộng rãi (xem Highway Hydrology, FHWA 2022a). Ví dụ, Laughland (1996) ghi nhận phần mềm PSU-IV đã dùng cách hiệu chỉnh Curve Number (CN). Dù các phân bố kiểu mưa NRCS đang dần được thay bằng các phân bố mới, cách làm ở phương pháp thứ hai vẫn có thể thích nghi với các phân bố mới. Kỹ sư dựa vào phán đoán kỹ thuật và thông tin tại chỗ để chọn mức hiệu chỉnh phù hợp cho từng tình huống.
Với phương pháp thứ tư, USGS (Flippo, 1977) nghiên cứu 8 vùng thủy văn và xây các mô hình hồi quy dùng số đo mưa và dòng chảy. Áp dụng cho West Virginia và Pennsylvania, một mô hình dành cho lưu vực có nền đá vôi/đôlômit là:
$$Q = c\,A^{x} \tag{7.4}$$
trong đó
- Q = lưu lượng dòng chảy, ft³/s;
- c = hệ số (phụ thuộc AEP – xác suất vượt hàng năm);
- x = số mũ (phụ thuộc AEP);
- A = diện tích lưu vực thoát về cửa ra, mi².
Bảng 7.1 cho hệ số theo AEP. Lưu ý: “diện tích lưu vực” là phần thật sự thoát về cửa ra. Khi có địa hình karst, cần trừ đi các vùng mà dòng chảy mất hút/biến mất vào các đặc trưng karst, hoặc nước mặt không chảy về cửa ra mà chỉ có thể đi trong hệ karst bên dưới (WVDOT 2007). Hình 7.14 minh họa trường hợp giảm diện tích lưu vực hiệu dụng: từ 20,0 mi² (theo đặc trưng bề mặt/StreamStats) còn 3,9 mi² (theo đánh giá hiện trường karst). Hệ karst có thể cắt dòng mặt bằng cách chuyển nước vào nước ngầm hay dòng khác, làm giảm diện tích hiệu dụng.
Ngược lại, Hình 7.15 cho ví dụ diện tích hiệu dụng tăng do karst: với lưu vực Big Spring Creek (miền nam trung Pennsylvania), StreamStats cho 12,0 mi², nhưng khi đánh giá tại chỗ các đặc trưng karst thì tăng lên 46,6 mi².
Bảng 7.1. Hệ số cho phương trình hồi quy USGS (Flippo, 1977)
| AEP | c | x | Sai số chuẩn |
|---|---|---|---|
| 0,50 | 23,5 | 0,880 | — |
| 0,10 | 39,8 | 0,933 | 26 |
| 0,04 | 49,1 | 0,952 | 27 |
| 0,02 | 56,0 | 0,970 | 31 |
| 0,01 | 64,4 | 0,979 | 33 |
Cơ sở của phương pháp này là số liệu thực nghiệm theo vùng. Vì hệ số thực nghiệm có thể thay đổi theo vùng và dữ liệu thủy văn ở khu vực karst thường hạn chế, khi áp dụng cần cân nhắc công nghệ hiện có và những giới hạn của nó.
Phương pháp cuối cùng ước tính dòng chảy bằng một phương pháp đỉnh lũ rồi nhân với hệ số giảm thực nghiệm, còn gọi là hệ số tổn thất karst. Laughland (1996) xây dựng hệ số này theo tỷ lệ diện tích lưu vực nằm trên nền karst (bảng 7.2). Hệ số phản ánh tổn thất/thu giữ được dẫn xuống đá gốc. Khi có thể, nên kiểm chứng & hiệu chỉnh hệ số bằng quan trắc hiện trường.
Bảng 7.2. Hệ số tổn thất karst (Laughland, 1996)
| % diện tích karst | AEP 0.50 | AEP 0.10 | AEP 0.04 | AEP 0.02 | AEP 0.01 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 0.33 | 0.43 | 0.44 | 0.46 | 0.50 |
| 90 | 0.35 | 0.46 | 0.48 | 0.50 | 0.56 |
| 80 | 0.38 | 0.51 | 0.53 | 0.56 | 0.62 |
| 70 | 0.47 | 0.58 | 0.60 | 0.62 | 0.70 |
| 60 | 0.55 | 0.66 | 0.67 | 0.70 | 0.77 |
| 50 | 0.64 | 0.73 | 0.74 | 0.76 | 0.82 |
| 40 | 0.73 | 0.80 | 0.81 | 0.83 | 0.88 |
| 30 | 0.82 | 0.86 | 0.87 | 0.87 | 0.90 |
| 20 | 0.91 | 0.92 | 0.92 | 0.92 | 0.93 |
| 10 | 1.00 | 0.98 | 0.98 | 0.98 | 0.97 |
| 0 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
Cách dùng nhanh:
Tính đỉnh lũ theo phương pháp chuẩn (không xét karst) rồi nhân với hệ số ở bảng.
Ví dụ: Lưu vực có 70% karst, AEP 10% (T≈10 năm) → hệ số 0.58. Nếu đỉnh lũ nước mặt tính được là Qp = 100 m³/s, đỉnh lũ hiệu dụng xét tổn thất karst ≈ 0.58 × 100 = 58 m³/s.
7.2.2 Các biện pháp giảm thiểu
Dòng chảy mặt từ dự án đường thường mang chất ô nhiễm & bùn cát. Ở vùng karst, một phần có thể xâm nhập vào hệ karst/tầng chứa nước. Cần áp dụng quản lý nước mưa và kiểm soát xói mòn–bồi lắng để bảo vệ nước ngầm và giảm tác động tiêu cực của đô thị hóa.
- Nắp lọc hoặc nút bê tông: bảo vệ hố sụt nhỏ–vừa (Hình 7.16 minh họa bịt hố sụt bằng lớp phủ không thấm).
- Đê bao quanh hố sụt bằng vật liệu đá lọc hoặc dải cây xanh: chắn dòng chảy đô thị vào hố sụt/karst; kết hợp biện pháp giảm tốc–lắng đọng để giảm chất ô nhiễm.
- Bộ lọc phân tầng (graded filter) – phương án sửa chữa hố sụt: đào đến đá gốc (nếu làm được), lắp các lớp: đá dăm nhỏ, sỏi, vải địa kỹ thuật, cát, đất (Hình 7.17). Giải pháp này cho phép nước mặt thấm xử lý rồi nạp vào nước ngầm, giúp giảm suy thoái chất lượng nước.
7.3 Thủy văn cổ (Paleohydrology)
Thủy văn lũ cổ nghiên cứu các trận lũ có thể nhận diện được qua lời kể nhân chứng hoặc dấu tích vật lý, nhưng không được đo đạc trực tiếp khi chúng xảy ra. Các nhà thủy văn cổ tìm kiếm và kiểm chứng thông tin về những trận lũ ngoài phạm vi quan sát của con người, thậm chí trước khi có cư trú. Khi đặt thông tin về các trận lũ quá khứ đó vào bối cảnh cường độ và thời gian, nhà thủy văn có thể bổ sung chiều sâu và phạm vi cho các nghiên cứu lũ truyền thống—chủ yếu bằng cách mở rộng về quá khứ xa hơn so với chuỗi số liệu quan trắc hệ thống.
Các Sở Giao thông vận tải bang (DOT) thường dựa vào phân tích thống kê của chuỗi số liệu trạm đo để xác định lưu lượng và mực nước thiết kế cho cầu và cống. Rất ít chuỗi trạm đo dài quá 100 năm, đa số ngắn hơn nhiều. Nghiên cứu thủy văn cổ có thể kéo dài hồ sơ lịch sử xa hơn, từ đó cải thiện ước tính thiết kế cho các sự kiện hiếm. DOT các bang có thể biện minh việc thực hiện nghiên cứu thủy văn cổ cho các vị trí ưu tiên cao, để đánh giá tính dễ tổn thương hoặc định hướng thiết kế/quản lý. Cầu, đường có lưu lượng giao thông lớn hoặc tầm quan trọng cho cứu hộ khẩn cấp có thể cần đánh giá tại chỗ. Ví dụ, các nghiên cứu thủy văn cổ trên sông Pecos (Texas) đã được tư liệu hóa tốt. Khi khoa học phát triển và dữ liệu tăng, tính khả thi của các nghiên cứu này càng cao.
Nghiên cứu thủy văn cổ còn có thể đóng góp thông tin giá trị ở quy mô bang/khu vực. Do tập trung vào các trận lũ rất hiếm (cực đoan), chúng có thể hỗ trợ xây dựng bản đồ độ lệch tổng quát (generalized skew) và phương trình hồi quy khu vực (xem HDS-2 để biết chi tiết). Ví dụ, Kohn et al. (2016) đã phát triển phương trình hồi quy ở Colorado sử dụng thông tin thủy văn cổ, bổ sung cho chuỗi hệ thống tại 44/188 trạm, giúp cải thiện ước tính lũ cực đoan.
Thực hiện nghiên cứu thủy văn cổ đòi hỏi kỹ năng chuyên sâu. Thời gian, đào tạo và chuyên môn cần thiết thường vượt ngoài kỳ vọng đối với một kỹ sư thiết kế. Khi cần, DOT bang thường hợp đồng với các chuyên gia (đại học, USGS, hoặc tổ chức khác). Một DOT lớn có thể có nhà khảo cổ hoặc nhóm nghiên cứu môi trường hỗ trợ tổ chức và hậu cần, nhưng đội ngũ liên ngành vẫn thường thiết yếu.
Gợi ý cho công tác phòng chống thiên tai
Nghiên cứu thủy văn cổ có thể cung cấp thông tin hữu ích cho chuẩn bị ứng phó thiên tai (lũ, cháy rừng, nước dâng do bão, thậm chí động đất). Vì lũ thảm họa có quy mô khó hình dung, việc biết chúng đã từng xảy ra trong quá khứ thường hữu ích hơn so với chỉ dựa vào khái niệm xác suất trừu tượng.
7.3.1 Khoa học về thủy văn cổ
Thủy văn lũ cổ bắt nguồn từ địa mạo sông ngòi — ngành nghiên cứu hình thái (dáng hình) và động lực của sông, suối. Khi địa mạo sông ngòi phát triển và khả năng nhận diện dấu tích do lũ để lại được cải thiện, việc định thời (xác định thời điểm) cho các trận lũ nhận biết bằng địa mạo trở nên khả thi và cần thiết hơn.
Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng các kỹ thuật của thủy văn, khảo cổ học và cổ khí hậu học nhằm xác định niên đại các trận lũ. Như Hình 7.18 cho thấy, thủy văn lũ cổ nằm tại giao điểm của bốn lĩnh vực này và tiếp thu–chia sẻ phương pháp, công nghệ với chúng. Thủy văn lũ cổ vừa kế thừa thông tin thu thập từ các ngành kia, vừa cung cấp dữ liệu hữu ích trở lại cho nghiên cứu của các ngành đó.
Nội dung hình 7.18
Sơ đồ Venn minh họa mối quan hệ giữa bốn ngành gốc và thủy văn lũ cổ:
cổ khí hậu học ở bên trái, thủy văn ở giữa phía trên, khảo cổ học ở bên phải, và địa mạo sông ngòi ở giữa phía dưới. Ở trung tâm—giao điểm của bốn ngành—là thủy văn lũ cổ.
Các nhà địa mạo sông ngòi đã áp dụng các kỹ thuật định tuổi từ khảo cổ học (nghiên cứu và tái dựng đời sống/hoạt động của con người trong quá khứ). Họ có thể dùng định tuổi C-14 (radiocarbon) khi có vật chất hữu cơ, và kích phát phát quang quang học – OSL khi không có vật chất hữu cơ để định tuổi các trầm tích. (Xem mục 7.3.3 về C-14 và OSL.) Tình cờ là di chỉ khảo cổ và điểm lũ cổ thường trùng vị trí, cùng mối quan tâm và sự kiện, nên hỗ trợ lẫn nhau. Lũ hẳn là những sự kiện quan trọng đối với cư dân nguyên thủy; tầng trầm tích lũ tại các di chỉ có người ở thường giúp bảo tồn hiện vật và cung cấp bối cảnh địa tầng.
Cổ khí hậu học (nghiên cứu khí hậu cổ xưa, trước khi có số liệu đo đạc phổ biến) sử dụng chứng cứ vật lý để khảo cứu khí hậu quá khứ và biến đổi khí hậu. Ngành này dựa nhiều vào chuỗi vòng năm cây liên tục để phác họa khí hậu cổ, cả ở toàn cầu lẫn khu vực (xem 7.3.3 về niên đại vòng năm). Trầm tích biển – hồ, đất, lõi băng và nhiều bằng chứng sinh học khác cũng đóng góp thông tin cổ khí hậu.
Tương tự địa mạo sông ngòi, cổ khí hậu học chia sẻ kỹ thuật, địa điểm và các sự kiện quan trọng với khảo cổ học. Khí hậu tạo bối cảnh cho khả năng xuất hiện lũ lớn. Lũ lớn có xu hướng gắn với các giai đoạn khí hậu ẩm ướt, mưa lớn kéo dài nhiều năm/ nhiều thập kỷ hơn là các giai đoạn khô hạn; tuy vậy, ẩm ướt không đảm bảo có lũ lớn, cũng như khô hạn không loại trừ chúng. Thủy văn lũ cổ quan tâm trước hết tới các trận lũ lớn, vì khả năng để lại dấu tích bảo tồn được cao hơn.
Cách nhau khoảng 20 năm, hai tuyển tập bài báo khoa học—Flood Geomorphology (Baker và cs., 1988) và Ancient Floods, Modern Hazards (House và cs., 2002)—đã ghi nhận việc mở rộng địa mạo sông ngòi sang thủy văn lũ cổ Tuyển tập sau phản ánh nghiên cứu liên kết địa mạo sông ngòi với cả ước tính lưu lượng lũ và ước tính niên đại.
Các nhà thủy văn cổ nhận diện các trận lũ cổ và ước tính mức nước của chúng bằng cách tìm dấu vết sinh học hoặc trầm tích về thời điểm và cao trình xảy ra. Những dấu vết này gọi là chỉ dấu mực nước cổ (paleostage indicators – PSI).
Ví dụ PSI sinh học
- Cây bị nghiêng: Cây bị nước lũ đẩy ngã, sau đó mọc chồi thẳng đứng từ thân nghiêng. So sánh tuổi chồi với tuổi thân (bằng niên đại vòng năm) cho biết năm xảy ra trận lũ.
- Vật chất hữu cơ trong lớp trầm tích do lũ: Dùng định tuổi C-14 cho gỗ, hạt giống, xác động vật,… (Hình 7.19 minh họa vật chất hữu cơ bị vùi lấp).
- Gỗ lớn trong trầm tích: Cành/thân cây để lại có thể cung cấp chuỗi vòng năm; nếu chuỗi đủ dài/đầy đủ, có thể đối sánh với cơ sở dữ liệu vòng năm khu vực để xác định thời điểm.
- Cây có vết sẹo: Gỗ/đá bị lũ cuốn va đập tạo vết thương trên thân cây. Các vết này cho thông tin thời gian (qua vòng năm) và cao trình mực nước (qua cao độ vết). Lưu ý: các đặc điểm trên thân không “trôi” lên theo chiều cao khi cây lớn.
Ví dụ PSI trầm tích học
- Thềm lũ (floodplain terraces): Chỉ ra bờ sông cũ, có thể gắn với khí hậu khác trong quá khứ; cũng phản ánh biến đổi độ sâu & hình dạng lòng dẫn theo thời gian. (Hình 7.20 minh họa các tầng lắng đọng do lũ.)
- Trầm tích nước tù (slackwater deposits): Tích tụ ở nơi bị ngập bởi nước tĩnh (không chảy xiết) — đóng vai trò dấu mực nước cao. Thường gặp ở vị trí kín, được che chắn khỏi xói mòn & phong hoá (hang, khe nứt,…). Có thể định tuổi bằng C-14 nếu có hữu cơ (như gỗ), hoặc bằng OSL đối với lớp không bị xáo trộn và không hề tiếp xúc ánh sáng từ khi lắng đọng.
- Trầm tích hồ: Nơi sông đổ vào hồ, chuỗi lớp trầm tích đáy hồ là một chuỗi thời gian, có thể ghi nhận sự kiện lũ thảm hoạ. Các lớp này phản ánh thời điểm và cường độ tương đối của lũ; nên kiểm chứng thêm bằng chứng khác khi suy ra mức độ.
- Thạch nhũ/hảo thạch (speleothems): Trong hang bị ngập lũ, các kết tủa khoáng vật tạo thành cấu trúc địa chất. Biến đổi phân lớp của chúng giúp suy ra mực nước và tuổi của sự kiện.
Dendrochronology là gì?
Mỗi năm cây tăng trưởng một lớp gỗ mới; độ dày lớp phản ánh điều kiện năm đó. Bằng cách nghiên cứu vòng năm, nhà khoa học có thể biết thời tiết các năm trước. Khi ghép & đối sánh chuỗi vòng năm của nhiều cây, ta có thể định niên đại cho những cây khác (kể cả đã chết từ lâu). Lĩnh vực này gọi là dendrochronology – niên đại học vòng cây.
7.3.2 Lũ lịch sử, lũ cổ và phân tích thống kê
Kỹ sư thủy văn dùng lịch sử lũ của một sông/vùng để mô tả quan hệ tần suất–lưu lượng (cơ sở cho thiết kế theo rủi ro). Chuỗi số liệu trạm đo mực/lưu lượng là một mẫu đại diện của lịch sử lũ trên con sông đó và cung cấp thông tin quan trọng về hành vi lũ.
Ngoài số liệu trạm đo, còn có nguồn thông tin bổ trợ: kiến thức địa phương về các trận lũ trước khi đặt trạm, dấu mực nước cao, tin tức báo chí, biên niên sử địa phương… Các tài liệu này cho biết độ lớn và thời điểm các trận lũ đã ghi nhận; ngay cả thời đoạn quan sát của con người cũng là thông tin hữu ích. Ví dụ, nếu trong 300 năm, một thị trấn có ghi chép các trận đại hồng thủy (năm xảy ra và mực nước), thì những ghi chép đó giúp định tính đặc trưng lũ của con sông. Trước khi trạm đo phổ biến, cộng đồng vẫn dùng quan sát truyền khẩu để lập kế hoạch và xây dựng hạ tầng. Trong một số trường hợp, biết rằng không hề có lũ thảm họa trong một giai đoạn dài cũng là thông tin có giá trị.
Thủy văn cổ mở rộng lịch sử lũ xa hơn cả lịch sử con người. Trọng tâm là ước tính độ lớn và “tuổi” của các trận lũ xưa dựa vào chỉ dấu mực nước cổ (PSI). Nếu xác định được dấu vết của một trận lũ xảy ra trước thời có người chứng kiến, nhiều khả năng đó là lũ rất lớn. Từ dấu tích địa mạo do lũ để lại có thể suy ra mực nước của trận lũ; từ mực nước có thể ước lưu lượng. Bằng các công cụ đã nêu, cũng có thể ước năm/thời điểm xảy ra.
Bulletin 17B (IACWD, 1982) và Bulletin 17C (England et al., 2019) đều thừa nhận giá trị của thông tin lũ lịch sử (truyền khẩu/tư liệu) và lũ cổ. Phụ lục 6 của 17B giới thiệu các phương pháp chính quy để dùng các thông tin này. 17C nêu rõ: “Lũ lịch sử có thể là nguồn dữ liệu hiệu quả nhất để xác định tần suất lũ; nếu dữ liệu tin cậy, nên ưu tiên lớn nhất cho chúng khi dựng đường cong tần suất.”
Vì chuỗi trạm đo thường ngắn và độ tin cậy của dữ liệu lịch sử có hạn, các cách xử lý truyền thống (17B/17C) bị ràng buộc. Tuy nhiên, Thuật toán Momen Kỳ vọng (EMA) của 17C cho phép đưa vào phân tích thống kê đỉnh lũ lịch sử (dù chỉ biết khoảng giá trị) và lũ cổ, cùng với số liệu đo đạc. Dù lưu lượng của một trận lũ cổ khó biết chính xác như lũ đo đạc, thường vẫn ước được một khoảng; EMA xử lý được thông tin theo khoảng này.
Vì các PSI xác định được thường gắn với sự kiện lớn/hiếm, thông tin lũ cổ giúp làm rõ “đuôi” (vùng hiếm) của đường cong tần suất lũ. Lưu ý: dữ liệu lũ cổ không nhất thiết làm giảm độ không chắc chắn của ước tính, vì độ không chắc thường bắt nguồn từ tính phức tạp của bài toán, không chỉ từ độ dài chuỗi.
Sản phẩm trực tiếp của nghiên cứu lũ cổ là thông tin về mực nước (stage). Để dùng trong phân tích thống kê theo 17C, kỹ sư cần chuyển mực nước thành lưu lượng bằng tính toán thủy lực dựa trên hình học lòng dẫn. Thường xây dựng đường quan hệ mực–lưu (rating curve) (ví dụ dựa trên phương trình Manning) để biểu diễn mối quan hệ giữa cao độ mặt nước và lưu lượng.
7.3.3 Các kỹ thuật khoa học
Mục này giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản dùng trong nghiên cứu lũ cổ và các ngành liên quan. Trong Quantitative Paleoflood Hydrology, Benito và cs. (2020) trình bày các kỹ thuật khảo sát hiện trường hữu ích cho cổ thủy văn. Khảo sát hiện trường cung cấp thông tin phục vụ phân tích trong phòng thí nghiệm, ước tính lưu lượng, cũng như các kết luận cho mục tiêu khảo cổ hoặc khí hậu học.
Các trường đại học và tổ chức khoa học như USGS có năng lực thực hiện phân tích phòng thí nghiệm về niên đại vòng năm cây (dendrochronology) và định tuổi trầm tích (bằng OSL hoặc C-14/radiocarbon). Quy trình phòng thí nghiệm cho các công việc này đã được tư liệu hóa đầy đủ, và không chỉ dùng riêng cho thủy văn cổ.
7.3.3.1 Dendrochronology (niên đại vòng năm cây)
Dendrochronology nghiên cứu cây gỗ, chủ yếu thông qua vòng sinh trưởng hằng năm, để suy ra chuỗi thời gian về thời tiết chi phối. Khái quát: năm nào thuận lợi cho sinh trưởng (ví dụ mưa nhiều), vòng năm dày; năm nào cây chịu stress (hạn), vòng năm mỏng. Trong một vùng, nhà nghiên cứu có thể đối sánh các mẫu vòng năm từ những cây có chuỗi năm chồng lấn nhau để kéo dài hồ sơ về quá khứ—đôi khi tới hàng nghìn năm.
Các cơ sở dữ liệu trực tuyến về dendrochronology tích lũy thông tin để tái dựng các mốc thời gian lịch sử gắn với khí hậu. Nhờ đó, hầu như bất kỳ mảnh gỗ nào còn vòng năm (kể cả gỗ tìm thấy trong trầm tích lũ) đều có thể được định vị thời gian cho gần như mọi khu vực trên thế giới.
Dendrochronology đòi hỏi đào tạo chuyên sâu và kinh nghiệm trong lấy mẫu, chuẩn bị và phân tích phòng thí nghiệm, áp dụng cho cả gỗ tươi lẫn gỗ “hóa thạch”.
7.3.3.2 Định tuổi carbon phóng xạ (Radiocarbon)
Các nhà khoa học có thể xác định tuổi của các trầm tích bằng định tuổi carbon phóng xạ (carbon-14), phát triển từ thập niên 1950. Phương pháp này chỉ áp dụng cho vật liệu hữu cơ, như than củi, gỗ, hạt giống…—những thứ có thể là dấu mốc mực nước lũ cổ. Không dùng để định tuổi khoáng vật vô cơ như các hạt trầm tích.
Carbon-14 tồn tại tự nhiên như đồng vị phóng xạ của carbon thường. Người ta cho rằng C-14 hình thành ở tầng khí quyển trên khi tia vũ trụ tương tác với các đồng vị carbon khác.
Mọi sinh vật và cả các vật liệu hữu cơ không sống (như vỏ sò) đều chứa carbon. Khi còn sống, sinh vật có tỷ lệ C-14/C-12 xấp xỉ tỷ lệ trong khí quyển. Khi chết, nguồn carbon không còn được bổ sung; do C-14 phóng xạ và không bền, nó suy giảm dần theo thời gian, làm thay đổi tỷ lệ carbon. Cuối cùng, không còn phát hiện được C-14.
Chu kỳ bán rã của C-14 vào khoảng 5.730 năm (± ~40 năm). Tức là sau từng khoảng thời gian này, lượng C-14 còn một nửa so với lúc sinh vật chết. Đo tỷ lệ C-14/C-12 trong vật liệu hữu cơ cho phép ước tính thời gian kể từ khi sinh vật chết, tối đa khoảng 55.000 năm; vượt quá ngưỡng đó, C-14 còn lại quá ít để định tuổi tin cậy.
Các kỹ thuật phổ biến để đo C-14 gồm:
- Đếm tỉ lệ khí theo nguyên lý tỉ lệ (gas proportional counting – đo trên CO₂),
- Đếm nhấp nháy lỏng (liquid scintillation counting – trên dung dịch chứa carbon),
- Phổ khối gia tốc (AMS) – trên mẫu rắn chứa carbon.
Đo tỷ lệ carbon thường cần chuẩn bị mẫu công phu: chuyển carbon của mẫu sang dạng khí, lỏng hoặc rắn đã biến đổi; loại bỏ nhiễm bẩn tại chỗ (rễ cây nhỏ, vi sinh vật…) và tránh nhiễm bẩn trong phòng thí nghiệm. Cả phòng thí nghiệm thương mại lẫn cơ sở nghiên cứu đều thực hiện định tuổi C-14.
Carbon bền và carbon phóng xạ
Đồng vị phổ biến nhất là carbon-12. Tỷ lệ điển hình so với C-12:
* Carbon-13: khoảng 1 : 93 so với C-12.
* Carbon-14: khoảng 1 : 1.000.000.000.000 so với C-12.
Tỷ lệ C-14/C-12 trong môi trường thay đổi theo thời gian. Ví dụ:
* Đốt nhiên liệu hóa thạch (gần như không chứa C-14) làm tăng tỷ phần C-12 trong khí quyển hiện nay so với 100 năm trước → giảm tỷ lệ C-14/C-12.
* Ngược lại, thời kỳ thử nghiệm hạt nhân trong khí quyển làm tăng C-14 do tạo ra C-14 từ các vụ nổ hạt nhân.
7.3.3.3 Phát quang kích thích quang học – OSL
OSL (Optically Stimulated Luminescence) ước tính thời gian kể từ lần cuối hạt trầm tích được phơi sáng. Cơ chế dựa trên việc các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong khoáng vật phát ra bức xạ; bức xạ này tạo các điện tử tự do và một phần bị “bẫy” trong khuyết tật mạng tinh thể của khoáng vật (thạch anh, fenspat…).
- Khi chiếu ánh sáng kích thích với bước sóng thích hợp, các điện tử bị bẫy được giải phóng, làm khoáng vật phát sáng (luminesce).
- Cường độ phát sáng tỉ lệ với số điện tử được giải phóng ⇒ cho phép ước tính tổng liều bức xạ tích lũy và từ đó suy ra thời gian chôn vùi (kể từ khi “đồng hồ” được đặt lại).
Lưu ý lớn với trầm tích sông suối: mẫu OSL chỉ cho tuổi hợp lệ nếu các hạt được “tẩy trắng hoàn toàn” (phơi nắng đủ lâu) trước khi lắng đọng.
- Phơi sáng làm giải phóng điện tử bị bẫy ⇒ đặt lại đồng hồ liều đo.
- Tẩy trắng không hoàn toàn (ví dụ do nước đục vận chuyển nhanh) để lại điện tử dư, khiến tuổi chôn vùi bị ước tính quá lớn.
- Tinh thể cũng có thể bị bão hòa (mọi bẫy đều đầy), khi đó đồng hồ ngừng chạy, cho ra tuổi quá ngắn đối với thời gian chôn vùi thực.
- Phòng thí nghiệm OSL (thường ở các viện/nghiên cứu) sẽ hiệu chuẩn tốc độ liều, kiểm tra tẩy trắng không hoàn toàn hay bão hòa cho từng mẫu.
Điện tử bị bẫy
Một số khoáng (thạch anh, fenspat…) dưới bức xạ tự nhiên sẽ “bẫy” điện tử trong khuyết tật mạng tinh thể. Số điện tử bị bẫy hoạt động như “liều kế”: phản ánh tổng liều bức xạ mà tinh thể đã nhận. Nếu biết tốc độ liều, liều kế này là đồng hồ đo thời gian kể từ lúc tinh thể bắt đầu bẫy điện tử (sau lần tẩy trắng hoặc nung).
Thực hành OSL hiệu quả
- Cần kế hoạch và lấy mẫu cẩn thận, xử lý mẫu trong tối để không làm tẩy trắng thêm.
- Phải xác định tốc độ liều theo thời gian tại vị trí chôn vùi (đôi khi cần đo phóng xạ tại hiện trường).
- Với các yếu tố trên, DOT/đơn vị thiết kế nên làm việc sớm với phòng thí nghiệm để đánh giá tính khả thi, lập kế hoạch và tài liệu hóa; thời gian xử lý có thể tới ~6 tháng.
Phương pháp liên quan: Nhiệt phát quang – TL
TL (Thermoluminescence) cũng giải phóng điện tử bị bẫy, nhưng đặt lại đồng hồ xảy ra khi đối tượng từng bị nung nóng mạnh (ví dụ trong đám cháy). TL hữu ích với trầm tích nằm cạnh hiện vật bị đốt nóng như đá lửa, mảnh gốm, cho phép định tuổi từ lần nung gần nhất.
OSL & TL. Hai phương pháp này có thể cho “tuổi” từ 50.000–150.000 năm về trước, tùy loại khoáng, điều kiện chôn vùi và tốc độ liều bức xạ nền.
- Liều cao → dễ bão hòa sớm, đồng hồ không ghi thêm liều.
- Liều thấp → có thể sai số do phông phóng xạ nền tích lũy trong thời gian dài.
7.3.3.4 Speleothems (khoáng vật thứ sinh trong hang)
Các khối khoáng vật kết tủa trong hang có thể cung cấp thông tin mực nước và thời điểm cho cổ thủy văn. Khi khoáng do nước mang vào tích tụ thành speleothem (như măng đá và nhũ đá), các khối này đôi khi bị ngập bởi lũ từ sông suối gần đó.
- Biến đổi trong phân lớp hay thành phần của lớp khoáng kết tủa có thể ghi lại chính xác mực nước.
- Tương tự vòng năm của cây, có thể quan sát tốc độ sinh trưởng và lớp phân tầng trên speleothem.
- Việc dùng speleothem làm PSI (chỉ thị mực nước cổ) còn mới, nhưng có tiềm năng cho dữ liệu độ phân giải rất cao khi sẵn có.
Hình 7.21 minh họa một số đặc điểm này. Dù hang trong ảnh hiện không chịu ngập lũ, ảnh cho thấy speleothem có thể chỉ ra mực lũ khi nước tràn vào hang như thế nào. Bùn, trầm tích hoặc nước có thành phần hoá học khác bám trên các cấu trúc đứng (măng, nhũ) có thể cho biết mực nước tối đa.
7.3.4 Giới hạn và điều kiện
Mỗi môi trường có điều kiện riêng và giới hạn cho nghiên cứu cổ thủy văn. Nói chung, các nghiên cứu này phù hợp nhất ở vùng nông thôn. Khu vực hẻo lánh, chưa canh tác là lý tưởng vì giảm nguy cơ xóa mờ các PSI và di chỉ khảo cổ.
Những yếu tố giúp bảo tồn PSI và tăng khả năng nhận diện gồm:
- Hang động, các khu được che chở khỏi xói mòn, hay hẻm núi dốc.
Ở vùng rừng ẩm, khả năng tìm thấy bằng chứng vòng năm tăng, nhưng PSI trầm tích lại khó nhận diện do thảm thực vật dày; rễ cây có thể làm xáo trộn và biến đổi hoá học các lớp trầm tích. Vì vậy, ở khô hạn, nghiên cứu thường tập trung vào PSI trầm tích và trầm tích học.
Hoạt động của con người thường làm xáo trộn nặng nề môi trường đô thị, khiến PSI mất dấu hoặc khó diễn giải. Tuy vậy, các đô thị tồn tại hàng thế kỷ có thể còn dấu mực nước cao trên công trình và hồ sơ trong nhà thờ/lưu trữ thành phố. Các nghiên cứu tại khu nông thôn thượng – hạ lưu có thể bổ khuyết lịch sử lũ cho khu vực đô thị.
7.3.5 Nghiên cứu tình huống
Mỗi hiện trường có đặc điểm riêng và mỗi nghiên cứu có thể có mục tiêu khác nhau, nên các nghiên cứu cổ thủy văn không theo một quy trình chuẩn cố định. Mục này đưa ra một ca điển hình để minh họa loại thông tin và các phân tích thường dùng, đồng thời cho thấy mối liên hệ giữa khảo cổ học, cổ thủy văn lũ và các chỉ thị mực nước cổ (PSI). Vì bảo vệ di chỉ khảo cổ—đặc biệt là các “mái đá/hốc đá trú ẩn”—bài viết không nêu vị trí cụ thể.
Mục tiêu đánh giá là xác định nguồn gốc trầm tích trong một số mái đá bám trên vách hẻm núi. Nhóm nghiên cứu nêu hai giả thuyết:
- Dòng nước dềnh/ngược (backwater) trong đoạn sông đã lắng đọng trầm tích vào mái đá;
- Con người mang trầm tích đến các mái đá.
Liên quan giả thuyết (1), nhóm xem xét độ lớn các lưu lượng lũ lịch sử trong hẻm núi. Thông tin khái quát về khu vực:
- Khu vực hiểm trở, hẻo lánh, khô hạn (lượng mưa năm trung bình hiện nay khoảng 18 in) gần hợp lưu của hai sông.
- Sông chính chảy trong hẻm núi xẻ sâu, vách gần thẳng đứng; lưu vực trải qua nhiều bang ở hai quốc gia, địa chất đa dạng gồm đá trầm tích và đá magma.
- Hẻm nhánh tương tự (xẻ sâu) có diện tích đóng góp khoảng 11 mi², địa chất trầm tích carbonate tương đối đồng nhất.
- Hẻm nhánh có ba di chỉ khảo cổ dạng mái đá, cách cửa hẻm < 0,5 mi. Các nghiên cứu hình thức cho thấy con người cư trú gián đoạn khoảng 12.000 năm.
- Trầm tích sông chính và trầm tích hẻm nhánh khác nhau về thành phần khoáng, nên dễ phân biệt.
- Các lớp trầm tích của sông chính đôi khi cắt ngang các lớp vật liệu do người để lại (chủ yếu tro) trong mái đá; các lớp này phù hợp với trầm tích “nước tù” (slackwater) do lũ lớn trên sông chính.
- Vật chất hữu cơ trong vật liệu do người để lại (hạt giống, than củi, sợi thực vật) có thể định tuổi C-14. Nguyên lý chồng lớp (lớp trẻ nằm trên lớp già) cho phép định niên đại lớp nước tù bằng cách đặt nó giữa lớp người bên dưới và lớp người bên trên.
- Đã từng có trạm đo trên sông chính trong nhiều năm, cách cửa hẻm nhánh < 0,5 mi. Hồ sơ trạm có 71 năm số liệu lưu lượng, và 42 năm số liệu mực + lưu. Đoạn hẻm có vách gần thẳng đứng, có thể xấp xỉ kênh chữ nhật với quan hệ mực–lưu khá quy chuẩn.
Nhóm nghiên cứu dự đoán việc con người cư trú đã làm xáo trộn một phần trầm tích trong các mái đá, nhưng bề mặt gồ ghề của vách hẻm núi vẫn tạo ra nhiều vị trí có thể còn giữ các lớp lắng đọng không bị xáo trộn ở những nơi khó tiếp cận. Cao trình của các lớp trầm tích trong mái đá giúp định vị những lắng đọng do lũ nhưng còn nguyên vẹn ở các hốc nhỏ, khe nứt và gờ đá.
Hình 7.22 cho thấy cảnh nhìn vào mái đá thấp (mái 1); lưu ý vách đá gần như thẳng đứng và địa hình rất hiểm trở. Hình 7.23 chụp mái đá 2, gồm cả vật liệu bên trong mái (hỗn hợp trầm tích và tàn tích do con người sinh sống). Các nhà khảo cổ đang nghiên cứu những di chỉ này đã tổ chức công tác nhằm bảo tồn các phần chưa bị xáo trộn để phục vụ nghiên cứu sau này. Hình 7.24 cho thấy vách hẻm núi, gồm một gờ đá khó tiếp cận, các khe nứt và những mái đá không có cư trú nằm dưới các phần nhô ra. Khảo sát các đặc điểm này có thể phát hiện trầm tích nước tù (slackwater). Gờ đá có thảm thực vật sa mạc, vì thế có lớp đất để cây bám rễ; lớp đất đó nhiều khả năng chứa trầm tích nước tù. Việc khó tiếp cận vừa làm tăng khả năng các lớp lắng đọng ở đó chưa bị xáo trộn, nhưng đồng thời gây khó khăn cho việc lấy mẫu phục vụ nghiên cứu lũ cổ.
Nhóm nghiên cứu đo cao trình các mái đá trong hẻm nhánh và ước tính lưu lượng cần thiết để mực nước trên sông đạt tới các cao trình đó. Bảng 7.3 tóm tắt các cao trình và lưu lượng tương ứng.
- Lưu lượng để ngập tới mức cao nhất của mái đá cao nhất vào khoảng 750.000 ft³/s, tương ứng mực nước > 106 ft.
- Khoảng 260.000 ft³/s sẽ ngập hoàn toàn mái đá thấp.
- Trong thời kỳ có trạm đo, đã xảy ra một trận lũ xấp xỉ 202.000 ft³/s; tuy nhiên không lưu lại số đo mực nước cho trận lũ đó.
Nhóm tính mực nước tại trạm đo tương ứng với các cao trình ở những mái đá trong hẻm nhánh bằng độ dốc sông nêu trong tài liệu trạm đo. Họ cũng ước tính lưu lượng trên sông chính có thể tạo nên mực nước “nước tù” (slackwater) tại các mái đá và gây lắng đọng trầm tích sông trong đó. Hình 7.25 trình bày quan hệ mực–lưu cho các giá trị đã đo cùng với các giá trị ngoại suy (lưu lượng và cao trình) đối với các mái đá.
Trên một sông nhánh khác có chiều dài tương tự sông chính, cách vị trí nghiên cứu khoảng 14 dặm, có một trạm đo ghi nhận đỉnh lũ năm gần 1.000.000 ft³/s vào giữa thế kỷ XX. Trận lũ này chỉ do một trận mưa trên một phần lưu vực cỡ 5.000 dặm² gây ra. Số liệu đo chứng tỏ rằng trong điều kiện khí hậu hiện nay đã từng có lưu lượng đủ lớn để chạm tới mức cao nhất ở mái đá cao nhất.
Bảng 7.3. Mức mực nước tại trạm và lưu lượng tương ứng
| Mái đá / cao trình | Mực đo tại trạm (ft) | Lưu lượng (ft³/s) |
|---|---|---|
| #1 / Chân (Bottom) | 57.39 | 220,000 |
| #1 / Đỉnh (Top) | 63.29 | 260,000 |
| #2 / Chân | 75.43 | 370,000 |
| #2 / Đỉnh | 82.98 | 450,000 |
| #3 / Chân | 98.89 | 640,000 |
| #3 / Đỉnh | 106.60 | 750,000 |
Nghiên cứu sâu thêm về hẻm nhánh nhiều khả năng sẽ tìm thấy các lớp nước tù còn nguyên vẹn, có thể định tuổi bằng C-14 hoặc OSL. Dựa trên thông tin khảo cổ ở các mái đá, các trận lũ cực lớn có thể được truy vết lùi về tận 12.000 năm trước; các chỉ thị cổ khí hậu (sinh học và địa chất) có thể bổ sung bối cảnh.
Nghiên cứu tình huống ngắn này cho thấy mối liên hệ giữa các ngành mẹ và cách chúng bổ trợ nhau để nhận diện & ghi chép lũ cổ — đồng thời chỉ minh họa một phần nhỏ của một nghiên cứu đầy đủ. Ngoài thông tin từ trạm đo, các dữ liệu còn lại đều từ khảo cổ. Tuy vậy, sự hiện diện trầm tích sông trong cả ba mái đá cho thấy lũ cực lớn đã từng đạt tới các vị trí đó. Trước đây khảo cổ thường tập trung vào tầng cư trú của con người; chỉ những năm gần đây vai trò của cổ khí hậu và lũ cổ đối với cuộc sống cư dân mới được quan tâm. Các yếu tố thủy lực thuận tiện (địa hình, số liệu mực/cao trình) khiến chúng dễ áp dụng trong phân tích.
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.