4 – Thủy văn dòng chảy kiệt (Low Flow Hydrology)

Toàn bộ dải lưu lượng đều ảnh hưởng đến thiết kế công trình thoát nước. Dòng chảy kiệt và các công trình có thể tác động đến nó đặc biệt quan trọng vì liên quan đến duy trì sinh cảnh. Ví dụ, nếu độ dốc cống hộp/cống tròn tạo vận tốc lớn hơn vận tốc bơi của loài cá, loài đó có thể không sinh tồn được tại vị trí ấy.

Từ điển thủy văn quốc tế (WMO, 1974) mô tả dòng chảy kiệt là “dòng chảy trên sông trong thời kỳ khô hạn kéo dài”. Thời kỳ khô hạn kéo dài có thể xảy ra vào các thời điểm khác nhau theo vùng địa lý. Chẳng hạn, ở miền Tây Hoa Kỳ, mưa chủ yếu rơi từ tháng 11 đến tháng 4; nhiều nơi từ tháng 5 đến tháng 10 hầu như ít mưa. Các giai đoạn dài có dòng chảy kiệt điển hình thường do lượng mưa thấp. Ở các vùng có mùa đông lạnh, giáng thủy có thể rơi dưới dạng tuyết; thời tiết lạnh kéo dài không có tan tuyết cũng có thể gây dòng chảy kiệt kéo dài.

Do biến thiên tự nhiên, lưu lượng kiệt và lưu lượng lũ trong một con sông thay đổi theo từng năm. Một năm bất kỳ có thể là năm dị thường về thời điểm xuất hiện (hoặc không xuất hiện) dòng chảy kiệt. Cường độ và thời đoạn của kiệt có thể khác nhau rất lớn giữa các năm.

Chương này bàn về một số kỹ thuật ước tính dòng chảy kiệt phục vụ thiết kế thủy văn đường bộ và cầu:

• Phân tích thống kê dòng chảy kiệt, gồm các phân vị AEP theo năm, các thống kê nhiều ngày, và đường cong duy trì lưu lượng (Flow Duration Curve – FDC).
• Dấu hiệu nhận biết mực nước đầy bờ (bankfull indicators).
• Mô hình Rainfall–Runoff, gồm mô phỏng sự kiện và mô phỏng liên tục.

Ứng dụng của các công cụ này gồm:

• Thiết kế lối di chuyển sinh vật thủy sinh (Aquatic Organism Passage – AOP) và đánh giá hệ sinh thái.
• Quản lý và giảm thiểu dòng chảy do mưa ảnh hưởng đến chất lượng nước đô thị.
• Thiết kế các giải pháp phục hồi sông suối.
• Đánh giá vận chuyển bùn cát.
• Thực hiện đánh giá địa mạo.

(nd: bankfull)

bankfull = mực nước khi dòng vừa đầy đến mép bờ tự nhiên, bắt đầu tràn ra bãi; thường gần \(Q_1.5–Q_2\) năm (tùy sông). Dấu hiệu hay dùng: gờ bờ (break-in-slope), vệt bùn/đường bẩn, ranh giới thảm thực vật, đỉnh bar cát, hốc xói chân bờ, chuyển đổi cỡ hạt, v.v.

Low Flow versus Drought (Dòng chảy kiệt so với Hạn hán)
Hạn hán và dòng chảy kiệt đôi khi bị xem là đồng nghĩa; tuy nhiên không phải vậy. Hạn hán là khái niệm rộng hơn dòng chảy kiệt và có thể được đặc trưng bởi nhiều yếu tố khác ngoài lưu lượng nhỏ trên sông. Hạn hán được phân loại theo các tác động khí tượng – khí hậu và thường được mô tả theo mức độ sẵn có của nước cho các mục đích sử dụng khác nhau. Nói ngắn gọn, khác biệt ở chỗ dòng chảy kiệt thường là hiện tượng theo mùa, là một phần của chế độ dòng chảy bình thường của sông; còn hạn hán thường là kết quả của một thời kỳ dài lượng mưa thấp hơn trung bình.

Chương này cũng mô tả “channel forming discharge” (lưu lượng tạo hình lòng dẫn), một khái niệm dùng trong nhiều ứng dụng như phục hồi sông suối, vận chuyển bùn cát và đánh giá địa mạo… Bảng 4.1 liên kết các công cụ thủy văn kiệt với các ứng dụng tiềm năng như đã nêu trong chương.

Bảng 4.1. Phương pháp phân tích dòng chảy kiệt và ứng dụng.

Application	AEP Quantiles	Multiday Statistics	Flow Duration Curve	Bankfull Indicators	Event Runoff Depth	Continuous Simulation Runoff
Ứng dụng	Các phân vị AEP	Thống kê nhiều ngày	Đường cong duy trì lưu lượng (FDC)	Dấu hiệu nhận biết mực “bankfull”	Độ sâu dòng chảy sự kiện	Mô phỏng liên tục dòng chảy do mưa
Aquatic Organism Passage / Ecosystem Evaluation Lối di chuyển sinh vật thủy sinh / Đánh giá hệ sinh thái	X	X	X	X		X
Stormwater Runoff Quality Lượng dòng chảy do mưa đô thị		X			X	X
Stream Restoration* Phục hồi sông suối	X			X
Sediment Transport* Vận chuyển bùn cát	X		X	X	X
Geomorphological Assessment* Đánh giá địa mạo	X			X		X

* Các ứng dụng này có thể dùng “lưu lượng tạo hình lòng dẫn”, có thể ước tính bằng các công cụ được đánh dấu ở bảng trên.

4.1 Phân tích thống kê dòng chảy kiệt

Mục này mô tả các thống kê dòng chảy kiệt và cách tính. Kỹ sư thường xây dựng thống kê dòng chảy kiệt theo hai cách tổng quát: (1) kéo dài đường cong tần suất lũ đến các giá trị thường gặp, và (2) tính toán thống kê dựa trên dòng chảy nhỏ (kiệt) thay vì dòng chảy lớn (lũ).

4.1.1 Đường cong tần suất lũ

Một số tình huống (như lối di chuyển của cá) có thể yêu cầu dùng dòng chảy kiệt được xác định như một phần của trận lũ có xác suất vượt hàng năm AEP = 0.5 (tức lũ 2 năm). Tài liệu “Guidelines for Determining Flood Flow Frequency—Bulletin 17C” (England và cs., 2019) là tài liệu tham khảo chính để thực hiện phân tích tần suất lũ. Tài liệu chủ yếu tập trung vào phân tích tần suất sử dụng dòng chảy đo đạc tại trạm, đồng nhất và không điều tiết.

Thông thường, kỹ sư dùng phân tích theo Bulletin 17C để tạo các lưu lượng sự kiện hiếm, như lũ 0.01 AEP (100 năm). Phân tích Bulletin 17C cũng tạo ra các tham số thống kê của đỉnh lũ năm (trung bình, độ lệch và độ lệch chuẩn). Các thống kê này đại diện cho toàn bộ đường cong tần suất, bao gồm cả các sự kiện thường gặp hơn như 0.99 AEP—về bản chất là đỉnh lũ có thể kỳ vọng xảy ra mỗi năm theo thống kê. Hình 4.1 minh họa một đường cong tần suất lũ cho thấy các giá trị dòng chảy kiệt 0.5 và 0.99 AEP được suy ra từ phân tích tần suất đỉnh lũ.

Kỹ sư thường dùng PeakFQ (USGS, 2006) và HEC-SSP (USACE, 2019) tại các vị trí có đo đạc đỉnh lũ cực đại tức thời năm. Cả hai ứng dụng đều cho phép ước lượng đỉnh lũ cực đại tức thời năm với nhiều mức AEP khác nhau. Cả hai cũng dùng phân bố tần suất Pearson loại III để khớp logarit của chuỗi đỉnh lũ cực đại tức thời năm, theo các thủ tục của Bulletin 17C. Hình 4.1 trình bày một phân tích tần suất đỉnh lũ năm thực hiện bằng HEC-SSP.

Nhiều kỹ sư dùng HEC-SSP hoặc PeakFQ để xác định lưu lượng 0.99 AEP dựa trên các đỉnh lũ năm. Ngoài ra, 0.99 AEP cũng có thể tính từ chuỗi cực đại năm của lưu lượng trung bình ngày (lưu lượng trung bình trong một ngày). Giá trị trung bình ngày lớn nhất trong năm thường nhỏ hơn đỉnh lũ tức thời của năm, trừ các lưu vực rất lớn nơi hai giá trị xấp xỉ nhau.

Cả hai phần mềm cũng tính giới hạn tin cậy 5% và 95%, tạo thành bao tin cậy 90% quanh đường cong tần suất. Giới hạn 95% là giới hạn thấp, nghĩa là chỉ có 5% khả năng lưu lượng thực tế thấp hơn giá trị tại giới hạn 95%. Kỹ sư cần xét đến kiểm định ngoại lệ thấp trong phần mềm, vì kiểm định này có thể loại bỏ một số giá trị rất thấp, dẫn đến lưu lượng tại 0.99 AEP hơi cao hơn. Mục đích của kiểm định là loại ảnh hưởng của các giá trị ngoại lệ thấp lên việc tính toán các sự kiện ít xảy ra (Cohn và cs., 2013).

Dùng chuỗi cực trị năm (AMS) hay chuỗi thời đoạn (PDS) cho các lưu lượng nhỏ, thường gặp?
Các ước lượng lưu lượng nhỏ (tần suất thường hơn mức 0.5 AEP) lấy từ đường cong tần suất có thể khác nhau nếu dùng AMS so với PDS. Ngay cả giữa các PDS dùng ngưỡng khác nhau và phân bố khác nhau cũng cho kết quả khác. Nhìn chung, PDS cho ước lượng tốt hơn đối với các lưu lượng nhỏ (Karim và cs., 2017). Nhu cầu đánh giá các lưu lượng xác suất thấp sẽ quyết định lựa chọn loại PDS “phù hợp”.

4.1.2 Thống kê dòng chảy kiệt

Các yếu tố chi phối thủy văn hoặc sinh học thường quyết định giá trị dòng chảy kiệt phù hợp cho một ứng dụng. Việc chọn yếu tố nào quan trọng phụ thuộc vào vị trí và bối cảnh dự án. Khu vực có tác động môi trường cao thường ưu tiên dùng ngưỡng dòng chảy sinh học. Kỹ sư biểu diễn cả dòng chảy kiệt thủy văn lẫn sinh học theo thời đoạn lấy trung bình và tần suất vượt. Thời đoạn (averaging period/duration) thường tính theo ngày—ví dụ trung bình 4 ngày, 7 ngày—nhưng cũng có thể tính theo giờ.

Đối với dòng chảy kiệt thủy văn, quy trình thống kê giống như khi tính phân vị lũ (ví dụ dùng phân bố log-Pearson loại III). Khác biệt có hai điểm: (1) “vượt” ở đây nghĩa là nhỏ hơn giá trị phân vị (vì xét dòng kiệt), và (2) giá trị được lấy trung bình theo số ngày, thay vì là cực đại tức thời. Dòng chảy kiệt thủy văn được ký hiệu XQY. Thí dụ phổ biến: 7Q10 = lưu lượng trung bình 7 ngày nhỏ nhất có chu kỳ lặp 10 năm (xảy ra trung bình mỗi 10 năm một lần).

Khi tính lũ (dòng chảy lớn), kỹ sư lập chuỗi cực đại năm từ các giá trị tức thời lớn nhất đo tại trạm, sau đó khớp với phân bố xác suất thích hợp để suy ra phân vị lũ theo một AEP (hoặc chu kỳ lặp) cho trước; ví dụ 0.01 AEP tương ứng lũ 100 năm.

Để chọn giá trị dòng chảy kiệt phù hợp cho một ứng dụng, thường phải xét đến yếu tố chi phối thủy văn hoặc sinh học. Chọn yếu tố nào quan trọng tùy vị trí và bối cảnh dự án. Khu vực có rủi ro môi trường cao thường ưu tiên ngưỡng dòng chảy sinh học. Cả dòng kiệt thủy văn và sinh học đều được biểu diễn theo thời đoạn lấy trung bình và tần suất vượt. Thời đoạn thường tính theo ngày (ví dụ trung bình 4 ngày, 7 ngày), nhưng cũng có thể theo giờ.

Đối với dòng chảy kiệt thủy văn, quy trình thống kê giống như khi tính phân vị lũ (ví dụ dùng log-Pearson loại III). Khác nhau ở 2 điểm: (1) “vượt” ở đây nghĩa là nhỏ hơn giá trị phân vị (vì xét kiệt), và (2) giá trị được lấy trung bình theo số ngày thay vì cực đại tức thời. Dòng kiệt thủy văn ký hiệu XQY; ví dụ 7Q10 là lưu lượng trung bình 7 ngày nhỏ nhất xuất hiện trung bình 10 năm một lần.

Tương tự, để tính dòng kiệt thủy văn, kỹ sư lập chuỗi cực tiểu năm của trung bình x ngày nhỏ nhất trong mỗi năm và khớp chuỗi này với phân bố xác suất thích hợp. Cuối cùng, chọn chu kỳ lặp theo xác suất vượt phù hợp cho bài toán thiết kế. Với 7Q10, thời đoạn lấy trung bình là 7 ngày (x = 7) và chu kỳ lặp 10 năm; tức xác suất hàng năm có 7 ngày liên tiếp với lưu lượng thấp hơn 7Q10 là 0.1. Phương pháp thủy văn ban đầu được phát triển để trả lời các câu hỏi về cấp nước, như: “Trung bình trong 10 năm thì có bao nhiêu năm lưu lượng thấp hơn một ngưỡng nhất định?”

Hạn chế của phương pháp thủy văn là không xét tác động sinh học do nhiều lần xuất hiện dòng kiệt trong một năm. Để khắc phục, Văn phòng Nghiên cứu & Phát triển USEPA đã xây dựng phương pháp lưu lượng thiết kế dựa trên sinh học (USEPA 1986, 2021). Cách tiếp cận này nhằm trả lời các câu hỏi về phơi nhiễm của sinh vật thủy sinh và con người với chất ô nhiễm, chẳng hạn: “Trong một năm, sinh vật thủy sinh có thể chịu nồng độ chất ô nhiễm vượt ngưỡng bao nhiêu ngày trước khi bị đe dọa tồn tại?” Phương pháp sinh học đếm tất cả các sự kiện dòng kiệt dưới một ngưỡng trong cả giai đoạn quan trắc, dù nhiều sự kiện rơi vào một năm và năm khác không có. Phương pháp này không dùng phân bố xác suất; thay vào đó, nhà phân tích đếm số lần vượt ngưỡng để xét tần suất phơi nhiễm sinh học thực tế.

Dòng kiệt sinh học ký hiệu XBY. Ví dụ 4B3 là ngưỡng sinh học mà trung bình 4 ngày thấp hơn xảy ra mỗi 3 năm một lần. Tiêu chí bảo vệ sinh vật thủy sinh của USEPA quy định thời đoạn lấy trung bình và số lần cho phép vượt ngưỡng, tùy chất ô nhiễm và bối cảnh khác. USEPA dùng 1B3 cho độc tính cấp tính và 4B3 cho tác động mạn tính. Phương pháp sinh học có thể điều chỉnh cho các thời đoạn và tần suất khác (ví dụ amoniac) hay theo tiêu chí riêng của địa điểm.

Mặc dù thủy văn và các chuẩn chất lượng nước cấp bang từ lâu dùng các kỹ thuật giá trị cực trị để tính lưu lượng thiết kế thủy văn, các kỹ thuật này không nắm bắt được tính cộng dồn của tác động do các sự kiện dòng kiệt. Chúng chỉ xét sự kiện kiệt nghiêm trọng nhất trong mỗi năm. Bằng việc xét mọi sự kiện kiệt trong năm, phương pháp lưu lượng thiết kế sinh học phản ánh tác động sinh học mang tính cộng dồn liên quan đến các sự kiện dòng kiệt.

Khác nhau giữa 4B3 và 4Q3 là gì?
* 4B3: chỉ tiêu sinh học, là sự kiện trung bình 4 ngày thấp xảy ra trung bình 3 năm/lần; thường làm cơ sở cho tiêu chí tác động mạn tính đối với sinh vật thủy sinh của USEPA.
* 4Q3: chỉ tiêu thủy văn cho trung bình 4 ngày xảy ra trung bình 3 năm/lần, không tương đương 4B3. 4Q3 dựa trên một giá trị mỗi năm, còn 4B3 dựa trên tất cả các giá trị dưới ngưỡng trong năm.

Cẩm nang “Ước tính và Dự báo Dòng chảy Kiệt” của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) (2009) đưa ra các quy trình phân tích gợi ý để ước tính và dự báo dòng chảy kiệt tại mọi vị trí, bất kể có hay không dữ liệu quan trắc. Tài liệu này không bàn về phần mềm cụ thể.

HEC-SSP cũng cho phép người dùng thực hiện phân tích dòng chảy kiệt thủy văn như 7Q10. Với cái gọi là phân tích tần suất “thể tích” (volume frequency analysis), HEC-SSP cho phép gộp các trung bình nhiều ngày và khớp chuỗi cực tiểu năm vào phân bố xác suất. HEC-SSP tính các thống kê thủy văn bằng giá trị cực tiểu năm của một thời đoạn nhất định (ví dụ 1, 3, 7, 15 ngày) cho một chu kỳ lặp (ví dụ 10 năm), trực tiếp từ dữ liệu đo tại trạm dòng chảy. Vì trung bình nhiều ngày có thể xem như thể tích, nên áp dụng được phân tích tần suất thể tích.

HEC-SSP cũng có thể tính chỉ tiêu sinh học (ví dụ 1B3, 4B3). Tuy nhiên, vì chỉ tiêu sinh học dựa trên chuỗi cực tiểu theo thời đoạn từng phần (partial-duration minimum series) thay vì chuỗi cực tiểu năm, nên cần tiền xử lý dữ liệu trước khi dùng HEC-SSP. Chẳng hạn với 1B3, nhà phân tích giữ lại tất cả các giá trị lưu lượng ngày thấp hơn ngưỡng kiệt đã chọn trước và loại các giá trị liền kề không độc lập thống kê. Sau đó nhập dữ liệu vào HEC-SSP và ghi nhận giá trị tương ứng với chu kỳ lặp 3 năm. Với chỉ tiêu sinh học nhiều ngày như 4B3, tính trung bình trượt 3 ngày, giữ các giá trị nhỏ hơn ngưỡng, loại các giá trị liền kề không độc lập, rồi áp dụng HEC-SSP cho tập dữ liệu còn lại.

SWTtoolbox (USGS 2019a) cho phép tính phân tích tần suất n-ngày (ví dụ 1Q10, 7Q10) và chỉ tiêu dòng chảy sinh học (ví dụ 1B3, 4B3). Công cụ cũng hỗ trợ sử dụng dữ liệu NWIS (USGS National Water Information System) và tệp dữ liệu do người dùng cung cấp. Công cụ này áp dụng cho các vị trí có dữ liệu dòng chảy quan trắc.

4.1.3 Phương trình hồi quy dòng chảy kiệt

Khi lựa chọn loại chỉ tiêu dòng chảy kiệt và công cụ để ước tính lưu lượng kiệt, kỹ sư cần cân nhắc ứng dụng cụ thể và dữ liệu sẵn có. USEPA đã biên soạn Sổ tay hướng dẫn cho người soạn giấy phép NPDES (USEPA 2018) với các ví dụ chi tiết về những điều kiện nên dùng StreamStats, WREG hoặc SWTtoolbox để tính dòng chảy kiệt. Hình 4.2 trình bày lưu đồ các điều kiện người dùng có thể cân nhắc.

USGS đã phát triển nhiều phương trình hồi quy trên phạm vi toàn quốc để ước tính dòng chảy kiệt. Chương trình National Streamflow Statistics (NSS) bao gồm các phương trình này; USGS cũng phát triển các phương trình hồi quy để ước tính tần suất lũ ở Hoa Kỳ, cùng những phương trình cho các thống kê dòng chảy khác ở nhiều bang (USGS 2019b). NSS dựa vào nhập thủ công các đặc trưng lưu vực dùng làm biến giải thích trong phương trình, rồi giải phương trình để ước tính các thống kê. Các báo cáo trên trang NSS ghi lại toàn bộ phương trình trong NSS cho mọi bang, Thịnh vượng chung Puerto Rico, và một số vùng đô thị ở Hoa Kỳ, đồng thời mô tả các giới hạn sử dụng.

USGS đã tích hợp NSS vào StreamStats, bộ công cụ cho phân tích thống kê dòng chảy. Ứng dụng StreamStats trên nền web cung cấp quyền truy cập nhiều công cụ GIS phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, cũng như cho mục đích kỹ thuật và thiết kế (USGS 2017a). Kỹ sư dùng StreamStats để lập bản đồ và khảo sát diện tích lưu vực thoát nước, các trạm đo gần vị trí quan tâm. StreamStats cũng cho phép ước tính dòng chảy tại vị trí không có trạm đo.

Trong một số tình huống, kỹ sư có thể phát triển phương trình hồi quy dòng kiệt cấp vùng bằng phần mềm WREG (Weighted-Multiple-Linear Regression Program) (USGS 2017b). Các ước lượng này có thể áp dụng cho lưu vực không có trạm đo, hoặc dùng để cải thiện ước lượng tại các trạm đo lưu lượng có chuỗi liên tục nhưng ngắn. Phương trình ước tính cấp vùng là kết quả của hồi quy tuyến tính đa biến liên hệ các đặc trưng quan sát được của lưu vực (như diện tích thoát nước) với đặc trưng dòng chảy.

Ví dụ sau minh họa quy trình ước tính chỉ tiêu dòng chảy kiệt sử dụng kết quả từ StreamStats.

Ví dụ 4.1: Ngoại suy kết quả StreamStats.
Mục tiêu: Ngoại suy kết quả StreamStats để tạo lưu lượng 0.99 AEP.

Như đã nêu, lưu lượng 0.99 AEP có thể dùng làm giá trị dòng kiệt tại một vị trí. StreamStats cung cấp cách đơn giản để tạo đường cong tần suất lưu lượng tại hầu như mọi vị trí. Tuy nhiên, mức xác suất vượt nhỏ nhất mà StreamStats xuất ra là 0.5 AEP. Vì vậy, một thủ tục ngoại suy kết quả StreamStats xuống 0.99 AEP sẽ hữu ích. Bảng 4.2 trình bày một mẫu kết quả StreamStats cho một vị trí thực. Ví dụ này sẽ ngoại suy các kết quả trong Bảng 4.2 xuống mức 0.99. Kỹ sư thiết kế công trình thoát nước có thể dùng thủ tục này để tạo lưu lượng 0.99 AEP.

Bảng 4.2. Kết quả StreamStats cho suối Linda (không có trạm đo) tại Hazel Avenue, Orangevale, California.

AEP	Lưu lượng (ft³/s)
0.5	260
0.2	600
0.1	820
0.05	1,060
0.02	1,230
0.01	1,390
0.005	1,520

Phụ lục 5 của Bulletin 17B (IACWD 1982) đưa ra ba phương trình (đánh số 5-3, 5-4, 5-5 trong tài liệu gốc) để lần lượt suy ra độ lệch, độ lệch chuẩn, và giá trị trung bình từ một đường cong tần suất đã tính. Chép lại như sau:

$$G_s=-2.50+3.12\,\frac{Log(Q_{0.01}/Q_{0.1})}{Log(Q_{0.4}/Q_{0.5})}\tag{4.1}$$

$$S_s=\frac{Log(Q_{0.01}/Q_{0.5})}{K_{0.01}-K_{0.5}}\tag{4.2} $$

$$\bar X_s=Log(Q_{0.5})-K_{0.5}\,S_s \tag{4.3}$$

Mặc dù Bulletin 17C đã thay thế và cải tiến một số phương pháp tính trong 17B, các phương trình này vẫn còn hiệu lực.

Bước 1. Tính độ lệch (skew).

Dùng phương trình (4.1):

$$\begin{aligned} G_s&=-2.50+3.12\, \frac{Log(Q_{0.01}/Q_{0.1})}{Log(Q_{0.4}/Q_{0.5})} = -2.50+3.12\, \frac{Log(1390/820)}{Log(820/260)} = -1.07 \end{aligned}$$

Dùng bảng hệ số tần suất K cho phân bố log-Pearson loại III (ví dụ trong HDS-2), nội suy theo các giá trị độ lệch −1.0 và −1.1 tại các mức xác suất vượt 0.01 và 0.5 để tính độ lệch chuẩn. Với trường hợp này, các giá trị K lần lượt là 1.5392 và 0.17497.

Bước 2. Tính độ lệch chuẩn và trung bình.
Từ (4.2) và (4.3), độ lệch chuẩn \(S_s = 0.533\) và giá trị trung bình \(\bar X_s = 2.317\).

Bước 3. Tính lưu lượng ứng với xác suất vượt 0.99.
Dùng phương trình:

$$Log Q=\bar X_s+K_{0.99}S_s \tag{4.4}$$

trong đó:
Q = lưu lượng, ft³/s;
\(\bar X_s\) = trung bình tính từ (4.3);
\(K_{0.99}\) = hệ số tần suất cho mức xác suất vượt 0.99;
\(S_s\) = độ lệch chuẩn từ (4.2).

$$Log Q=\bar X_s+KS_s=2.317+(-3.069)(0.533)=0.68$$

$$Q=10^{0.68}=4.8\ \text{ft}^3/\text{s}$$

Kết quả ví dụ 4.1: Lưu lượng tại xác suất vượt 0.99 ước tính là 4.8 ft³/s.
Nên kiểm tra mức độ phù hợp của các thống kê tạo bởi (4.1)–(4.3) so với kết quả StreamStats. Có thể dùng (4.4); mỗi mức xác suất vượt sẽ có hệ số tần suất K riêng. Lưu lượng mức 0.99 có thể dùng trong mô hình thủy lực để đánh giá tác động của công trình thoát nước.

4.1.4 Phân tích đường cong duy trì lưu lượng (Flow Duration)

Lượng nước chảy trong lòng dẫn và thời gian duy trì các điều kiện dòng chảy là thông tin then chốt cho việc quy hoạch, thiết kế, xây dựng và duy tu hạ tầng giao thông trong môi trường sông suối. Hình 4.3 minh họa đường cong duy trì lưu lượng (FDC)—đồ thị biểu diễn tỷ lệ thời gian (%) mà một giá trị lưu lượng được đạt tới hoặc vượt quá trong giai đoạn phân tích. Các giai đoạn phân tích thường dùng gồm năm, mùa, tháng, hoặc giai đoạn thi công cụ thể. Tùy mục đích, nhà thủy văn trong dự án giao thông có thể xây dựng các FDC phản ánh điều kiện lưu lượng cực đại, trung bình hoặc cực tiểu theo năm hoặc theo tháng.

Khi thiết kế hạ tầng giao thông, kỹ sư thường dùng FDC để ước tính lưu lượng tạo hình lòng dẫn (xem Mục 4.2) và năng lực vận chuyển bùn cát trung bình năm nhằm đánh giá xu thế bồi tụ hay xói lở ở quy mô đoạn sông. Thông tin này cũng được dùng để xác định điều kiện thủy văn cho lối di chuyển sinh vật thủy sinh (kể cả cá), như bàn trong Mục 4.4. Các đường cong duy trì lưu lượng mô tả điều kiện dòng chảy có khả năng xảy ra trong giai đoạn thi công và vận hành cũng giúp ích cho công tác lập kế hoạch và chuẩn bị thi công/bảo trì trong nước. HEC-16 (FHWA 2023) cung cấp chi tiết bổ sung về FDC.

Đường cong duy trì lưu lượng cho biết % thời gian một giá trị lưu lượng nào đó bị vượt. Biểu đồ cho thấy 45 cfs chỉ bị vượt 1% thời gian, còn 1 cfs bị vượt 100% thời gian. Lưu lượng 12 cfs bị vượt khoảng 50% thời gian.

4.2 Lưu lượng tạo hình lòng dẫn (Channel Forming Discharge)

Khái niệm lưu lượng tạo hình lòng dẫn xuất phát từ ý tưởng rằng với bất kỳ hình học kênh phù sa nào, tồn tại một dòng chảy ổn định đặc trưng mà, nếu kéo dài đủ lâu, sẽ tạo ra kích thước mặt cắt tương đương với kích thước do thủy đồ tự nhiên dài hạn tạo nên. Khái niệm này nay là nền tảng của nhiều thiết kế phục hồi lòng dẫn sông, đặc biệt khi thiết kế có vùng ngập lũ hoặc cần lựa chọn hình thái kênh ổn định. Mục này trình bày lưu lượng tạo hình lòng dẫn và mối liên hệ của nó với thiết kế thoát nước giao thông.

Kỹ sư làm việc với công trình thoát nước giao thông sử dụng ước lượng lưu lượng tạo hình lòng dẫn cho nhiều mục đích:

• Đánh giá và thiết kế các cấu hình kênh thay thế và đặc tính truyền tải.
• Đánh giá ổn định dài hạn dự kiến và những điều chỉnh có thể cần cho một đoạn kênh. Ví dụ, người thiết kế có thể dùng lưu lượng tạo hình trong mô hình vận chuyển bùn cát để hiểu xu thế tương đối của đoạn kênh: ổn định, bồi tụ hay xói lở.
• Đánh giá vận tốc dòng chảy trước–sau xây dựng so với vận tốc gắn với lưu lượng tạo hình.
• Đánh giá và thiết kế các vị trí vượt nước cho phép cá di chuyển qua (xem Barnard và cs., 2013).

Kỹ sư thường dùng một hoặc kết hợp ba phương pháp sau để ước tính lưu lượng tạo hình cho một kênh phù sa ổn định:

• Ước tính lưu lượng “bankfull” bằng các dấu hiệu địa mạo thực địa. (Xem HEC-16 (FHWA 2023) để nhập môn.)
• Ước tính AEP của dòng chảy làm đầy kênh trước khi tràn ra bãi ngập lũ đang hoạt động.
• Xác định lưu lượng hiệu dụng (effective discharge) dựa trên tần suất lũ và quan hệ vận chuyển bùn cát.

Dùng hai phương pháp trở lên giúp đối chiếu chéo nhằm giảm bất định của kết quả. Cả ba phương pháp trên về bản chất là mang tính xác định (deterministic), không phải suy luận thuần túy, vì giá trị có thể được xác định từ các phép tính theo một quy trình định sẵn. Tuy vậy, đừng mặc định các giá trị xác định đó chính là lưu lượng tạo hình; cần kiểm chứng bằng các dấu hiệu địa mạo thực địa có ý nghĩa (Copeland và cs., 2000).

Một cách tiếp cận khác là thực hiện phân tích “liên tục bùn cát” hoặc “tác động bùn cát”. Cách này xem xét phạm vi thông tin rộng hơn và là phương án thay thế cho thiết kế kênh ổn định trong đa số kênh phù sa. NCHRP Báo cáo 853 (Bledsoe và cs., 2017) trình bày chi tiết phương án này.

4.2.1 Lưu lượng bankfull

Lưu lượng bankfull là lưu lượng lớn nhất mà lòng dẫn có thể tải mà không tràn lên bãi ngập lũ đang hoạt động kề bên. Kỹ sư xem lưu lượng này có ý nghĩa hình thái vì nó biểu thị điểm chuyển giữa các quá trình tạo hình lòng dẫn và hình thành bãi ngập lũ.

Kỹ sư xác định lưu lượng bankfull bằng cách nhận diện mực bankfull rồi suy ra lưu lượng tương ứng với mực đó. Có nhiều cách nhận diện mực bankfull: tỷ số bề rộng/chiều sâu của kênh, điểm gãy trên đường quan hệ mực–lưu lượng, và dấu hiệu địa mạo (Knighton 1984, FISRWG 1998). Các dấu hiệu địa mạo xác định mực bankfull gồm: gãy dốc giữa lòng dẫn và bãi ngập lũ kề bên, cao trình lớn nhất của các dạng tích tụ (ví dụ point bar), thay đổi cấp phối trầm tích từ thô sang mịn, thay đổi thảm thực vật, và rễ cây lộ ra (Wolman & Leopold 1957; Dunne & Leopold 1978).

Hình 4.4 minh họa mực bankfull như là cao độ tại đó tỷ số bề rộng/chiều sâu đạt cực tiểu (Knighton 1984). Cách này có tính hệ thống và dựa vào đo đạc thực địa chính xác. Hình 4.5 minh họa việc xác định lưu lượng bankfull tại điểm gãy rõ rệt trên đường đặc tính mực–lưu lượng do khả năng tải của bãi ngập lũ (dựa trên số liệu đo hoặc mô hình thủy lực). Độ chính xác của đường đặc tính dùng để ước tính bankfull phụ thuộc vào bất định của các hệ số nhám thủy lực được gán và hình học mặt cắt. Bất định lớn nhất khi đường đặc tính mực–lưu lượng được suy ra chỉ từ một mặt cắt. Tài liệu HEC-16 của FHWA (FHWA 2023) mô tả việc sử dụng dấu hiệu địa mạo để ước tính lưu lượng bankfull.

Khái niệm lưu lượng bankfull phù hợp nhất cho các dòng chảy có bãi ngập lũ nhận diện được và giả định kênh ổn định. Vì vậy, đo đạc dấu hiệu mực bankfull ở đoạn kênh không ổn định (đang xói hạ thấp hoặc bồi nâng) hay ở đoạn kênh không phải phù sa là không hợp lệ. Tương tự, ở suối phù sa theo mùa trong vùng khô hạn hoặc ở lưu vực đô thị hóa cao, các dấu hiệu mực bankfull có thể không tồn tại hoặc không chắc chắn.

4.2.2 Lưu lượng theo AEP cụ thể

Khi khó (hoặc không thể) xác định mực bankfull và lưu lượng tương ứng, nhiều nghiên cứu liên hệ lưu lượng tạo hình lòng dẫn với một lưu lượng có AEP cụ thể. Nói chung, với các kênh ổn định, lưu lượng bankfull thường tương ứng chu kỳ lặp khoảng 1.01–2.5 năm (AEP ≈ 0.99 đến 0.40). Leopold (1994) kết luận lưu lượng 1.5 năm (AEP 0.67) là giá trị trung bình đại diện cho nhiều con sông.

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, lưu lượng tạo hình không nằm trong khoảng 1.01–2.5 năm, ví dụ kênh có thủy văn phản ứng nhanh (flashy). Williams (1978) ghi nhận, trong 35 bãi ngập lũ khảo sát ở Hoa Kỳ, lưu lượng bankfull biến thiên từ 1.01 năm đến 32 năm (AEP 0.99 đến 0.031). Ông cũng thấy chỉ khoảng 1/3 số sông có AEP của lưu lượng bankfull nằm trong 1.01–5 năm (AEP 0.99 đến 0.2). Nghiên cứu tương tự của Pickup & Warner (1976) cho thấy AEP bankfull trong khoảng 4–10 năm (AEP 0.25 đến 0.1). Vì sự bất nhất như vậy, nhiều tác giả kết luận tiếp cận theo AEP thường ước tính kém đối với lưu lượng bankfull.

Giả định “lưu lượng tạo hình có AEP trong khoảng 1.01–2.5 năm (AEP 0.99–0.4)” có thể đủ cho khảo sát sơ bộ, nhưng trong thiết kế cần kiểm chứng thực địa rằng lưu lượng chọn ra phản ánh đặc trưng hình thái có ý nghĩa. Kiểm chứng có thể qua khảo sát các đoạn tham chiếu, thu thập số liệu, và so sánh với các ước tính bankfull khác. Điều này đặc biệt quan trọng với sông suối bị cải tạo mạnh (đô thị, khai khoáng) và suối tạm thời (ephemeral) ở vùng khô hạn/bán khô hạn.

4.2.3 Lưu lượng hiệu dụng (Effective Discharge)

Andrews (1980) định nghĩa lưu lượng hiệu dụng là giá trị trung bình của dải lưu lượng vận chuyển phần lớn nhất tải lượng bùn cát hằng năm trong nhiều năm. Wolman & Miller (1960) bổ sung: lưu lượng hiệu dụng là hàm của cả cường độ sự kiện và tần suất xuất hiện. Kỹ sư tính lưu lượng hiệu dụng từ phân bố tần suất lưu lượng kết hợp với đường đặc tính tải vật liệu đáy. Vật liệu đáy là phần tải bùn cát gồm các cỡ hạt có mặt trên đáy sông. Hình 4.6 minh họa quan hệ giữa vận chuyển bùn cát, tần suất vận chuyển, và lưu lượng hiệu dụng. Đỉnh của đường cong III giả thuyết là nơi thực hiện nhiều “công” tạo hình kênh nhất. Biedenharn và cs. (2000) trình bày chi tiết kèm ví dụ cách tính lưu lượng hiệu dụng; quy trình gồm ba bước như minh họa.

Bước 1. Suy dẫn phân bố tần suất lưu lượng

• Kỹ sư thường dùng lưu lượng trung bình ngày để lập FDC. Với các suối nhỏ có sự kiện lũ chỉ kéo dài vài giờ, có thể dùng chuỗi theo giờ hoặc dưới giờ.
• FDC có thể được xây dựng từ số liệu trạm đo hoặc từ lưu vực tương đồng hình thái. Để có phân bố tần suất lưu lượng, chia FDC thành các khoảng lưu lượng và tính tần suất xuất hiện cho từng khoảng.

Khi có số liệu trạm, có thể dùng trực tiếp để lập FDC nếu điều kiện lưu vực không đổi trong giai đoạn lịch sử chọn phân tích. Thời đoạn số liệu thích hợp phải đủ dài để bao trùm dải lưu lượng có ý nghĩa hình thái, nhưng không quá dài đến mức các thay đổi về khí hậu, sử dụng đất, đặc tính dòng chảy làm sai lệch xu thế theo thời gian. Tối thiểu hợp lý cho tính lưu lượng hiệu dụng là khoảng 10 năm; 20 năm sẽ tin cậy hơn vì đại diện đầy đủ dải lưu lượng có ý nghĩa hình thái.

(Trục tung: (A) Tần suất, (B) Đường đặc tính lưu lượng bùn cát, (C) Lưu lượng bùn cát tổng hợp; trục hoành: Lưu lượng.)

Phương pháp đường cong duy trì lưu lượng theo lưu vực (FDC theo lưu vực thoát nước) dựa vào dữ liệu trạm đo tại nhiều vị trí trên con sông của dự án. FDC cho mỗi trạm được lập cho khoảng thời gian quan trắc chung dài nhất. Nếu quan sát thấy lưu lượng trên một đơn vị diện tích lưu vực giảm đều theo chiều hạ lưu, thì đồ thị lưu lượng ứng với một mức xác suất vượt theo diện tích lưu vực thượng lưu sẽ cho hàm lũy thừa với độ phân tán nhỏ quanh đường hồi quy khớp tốt. Hình 4.7 minh họa ví dụ áp dụng phương pháp này cho sông Wye (Vương quốc Anh) (Hey 1975). Cách làm này cho phép xác định FDC tại vị trí không có trạm đo như một hàm của diện tích lưu vực thượng lưu của vị trí đó.

Phương pháp quy mô vùng (regional-scaling) dựa vào sự sẵn có của dữ liệu từ các lưu vực có đặc trưng tương tự và sự tồn tại của phương trình hồi quy cấp vùng. Bước đầu để lập FDC vùng là xây dựng tỷ số lưu lượng từ một lưu vực có trạm đo thích hợp. Watson và cs. (1997) đề xuất dùng lưu lượng 2 năm \(Q_2\) để chuẩn hóa đường cong duy trì lưu lượng của một lưu vực tương tự có trạm đo, dưới dạng Q/\(Q_2\), nhằm tạo ra FDC vô thứ nguyên. Nếu có hơn một trạm tương tự, có thể lấy trung bình để có FDC vô thứ nguyên điển hình cho các trạm. Ở bước 2, tính \(Q_2\) cho vị trí không có trạm bằng một phương trình hồi quy hoặc phương pháp phù hợp khác. Cuối cùng, FDC tại vị trí không có trạm được tính bằng cách nhân FDC vô thứ nguyên (bước 1) với \(Q_2\) của vị trí đó (bước 2).

Bước 2. Suy dẫn đường đặc tính tải vật liệu đáy

Dùng dữ liệu bùn cát để xây dựng đường đặc tính (rating curve) tải vật liệu đáy. Dữ liệu có thể lấy từ trạm đo (nếu gần đoạn dự án) và phải có tỷ phần theo cấp hạt để tách được phần vật liệu đáy trong tổng tải đo được. Nếu vật liệu đáy vừa đi dưới dạng tải đáy vừa đi lơ lửng, cần dùng cả số đo tải đáy và tải lơ lửng để xác định tải vật liệu đáy.

Ở các sông chiếm ưu thế bởi tải lơ lửng, có thể khớp đường hồi quy tốt nhất cho dữ liệu để thu được hàm tải vật liệu đáy; thường dưới dạng hàm lũy thừa:

$$Q_s=a\,Q^{b}\tag{4.5}$$

trong đó:
\(Q_s\) = tải vật liệu đáy;
Q = lưu lượng nước;
a = hệ số hồi quy;
b = số mũ hồi quy.

Tuy nhiên, hàm lũy thừa không phải lúc nào cũng phù hợp. Đôi khi ở lưu lượng lớn, tốc độ tăng nồng độ bùn cát theo lưu lượng bắt đầu giảm, nhất là với cát mịn; khi đó nên dùng dạng hàm khớp khác. Ở sông đáy thô, một lớp bề mặt hạt thô có thể hình thành khi lưu lượng thấp, giảm đáng kể khả năng vận chuyển bùn cát. Quá trình này gồm phân loại thủy lực trên đáy và hiệu ứng che phủ: hạt nhỏ ẩn sau hạt lớn. Thông thường, nếu xây dựng đường đặc tính vận chuyển bùn cát từ một duy nhất đường cấp phối đáy, kết quả sẽ đánh giá quá cao vận chuyển ở lưu lượng thấp.

Khi thiếu dữ liệu đo để ước tính đường đặc tính tải vật liệu đáy, có thể dùng các phương trình vận chuyển bùn cát hoặc mô hình như mô tả trong HEC-16 (FHWA 2023). Phần mềm HEC-RAS (USACE 2021c) hoặc SRH-D (USBR 2020) có thể dùng để ước tính đường đặc tính hoặc mô phỏng vận chuyển bùn cát trên đoạn quan tâm. Ngoài ra, có thể xây dựng đường đặc tính vận chuyển bùn cát bằng cách ước tính sức tải (sediment capacity) cho một số mức lưu lượng theo quy trình trong nghiên cứu NCHRP 24-40 (NASEM 2017).

Bước 3. Suy dẫn biểu đồ tần suất tải vật liệu đáy (histogram).

Các lưu lượng dùng để lập biểu đồ này là lưu lượng trung bình của từng khoảng/lớp lưu lượng trong phân bố tần suất lưu lượng. Biểu đồ được tạo bằng cách lấy lưu lượng đại diện của từng lớp, tra đường đặc tính tải vật liệu đáy, tính tải vật liệu đáy cho lớp đó rồi nhân với tần suất xuất hiện của lớp. Kết quả được vẽ thành biểu đồ histogram biểu diễn tổng lượng vật liệu đáy do từng lớp lưu lượng vận chuyển trong giai đoạn quan trắc.

Như ở Hình 4.6, biểu đồ này thường cho phân bố liên tục có một đỉnh (mốt). Khi đó, lưu lượng hiệu dụng bằng lưu lượng trung bình của lớp có mốt (đỉnh của histogram). Nếu khó xác định lớp mốt, có thể ước tính lưu lượng hiệu dụng bằng cách vẽ một đường trơn qua đỉnh các cột của histogram và nội suy giá trị tại đỉnh của đường đó. Nếu lớp mốt rơi vào lớp lưu lượng thấp nhất, nhiều khả năng lưu lượng hiệu dụng suy ra là sai. Khi ấy nên điều chỉnh quy trình: hoặc tăng số lớp lưu lượng, hoặc chỉnh đường đặc tính tải vật liệu đáy (và lưu ý các thận trọng tương ứng).

4.3 Mô hình Rainfall–Runoff

Các phương pháp thống kê dòng kiệt (Mục 4.1) hoặc lưu lượng tạo hình lòng dẫn (Mục 4.2) đôi khi đủ để suy ra lưu lượng tại vị trí quan tâm. Tuy nhiên, mô phỏng vị trí bằng mô hình Rainfall–Runoff có thể cung cấp thông tin chi tiết hơn về dòng chảy do mưa tại đó. Lưu lượng tính được cũng là đầu vào quan trọng cho phần mềm thủy lực khi đánh giá tác động thủy lực do công trình thoát nước mới gây ra, như thay đổi vận tốc hoặc tác động bùn cát.

Khi phát triển mô hình cho một vị trí dự án, có thể dùng mô hình sự kiện đơn (single event) hoặc mô hình mô phỏng liên tục. Việc chọn loại mô phỏng phụ thuộc mục tiêu dự án. Thông thường, các mô hình dựa trên sự kiện được dùng để đánh giá biện pháp và phương án giảm rủi ro lũ; ít khi dùng để tính giá trị dòng kiệt tại một vị trí. Dù vậy, vì mô hình sự kiện đơn thường được áp dụng rộng rãi hơn mô hình liên tục, mục này vẫn trình bày để so sánh với mô phỏng liên tục. Thời lượng mưa và bước thời gian phụ thuộc thời gian đáp ứng của lưu vực phía thượng lưu vị trí: đáp ứng ngắn thì nên dùng bước thời gian ngắn; đáp ứng dài (cỡ vài ngày) cho phép dùng bước thời gian dài hơn.

Hiệu chỉnh mô hình là then chốt để tin rằng mô hình có thể tái hiện một sự kiện quan trắc. Vì quan tâm đến dòng kiệt, việc hiệu chỉnh để mô hình tái hiện các giai đoạn lưu lượng thấp là quan trọng.

4.3.1 Mô hình sự kiện đơn (Single Event Modeling)

Kỹ sư xây dựng mô hình sự kiện đơn để tái hiện một sự kiện dòng chảy ngắn hạn cụ thể. Sự kiện thường được biểu diễn bằng thủy đồ dòng chảy do mưa với nhánh lên và nhánh rút kéo dài qua vài ngày; có thể chỉ định như “sự kiện tháng 6/2003” hoặc “tháng 12/1964”.

Hình 4.8 minh họa một sự kiện lũ. Sự kiện thường được đặc trưng bởi thời gian từ lúc bắt đầu nhánh lên của thủy đồ đến khi kết thúc nhánh rút. Mô hình dựa trên sự kiện thường được dùng để tái dựng các trận lũ đã quan trắc, sau đó hiệu chỉnh theo nhiều sự kiện và dùng mô hình để dự đoán các sự kiện giả định như lũ 1% AEP (lũ 100 năm). Có nhiều phương pháp để lựa chọn khi xây dựng mô hình (USACE 2021c).

Mô hình Rainfall–Runoff phụ thuộc chủ yếu vào mưa làm đầu vào. NOAA Atlas 14 – PFDS (Precipitation Frequency Data Server) trên website NOAA cung cấp dữ liệu mưa mà kỹ sư có thể dùng để tính dòng chảy kiệt tại một vị trí cho một sự kiện (thiết kế) đơn. Người phân tích chọn vị trí quan tâm và hệ thống sẽ trả về lượng mưa ứng với các mức AEP khác nhau dựa trên chuỗi cực đại năm (AMS), hoặc chu kỳ lặp năm (ARI) đối với chuỗi thời đoạn. Chọn một AEP/ARI cho sự kiện mưa thường gặp, mô hình Rainfall–Runoff sẽ tạo ra lưu lượng nhỏ tương ứng. Nếu thấy dữ liệu NOAA 14 không đại diện đủ tốt cho mưa tại vị trí dự án, có thể thực hiện phân tích tần suất mưa địa phương để xác định các giá trị mưa dùng trong mô hình.

4.3.2 Mô phỏng liên tục (Continuous Simulation Modeling)

Mô hình mô phỏng liên tục có thể chạy trong nhiều ngày, nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Giai đoạn mô phỏng có thể bao gồm cả thời kỳ dòng chảy do mưa lớn và thời kỳ kiệt. Kỹ sư đôi khi dùng các mô hình này khi đánh giá vấn đề môi trường. Vì mô phỏng liên tục đòi hỏi nhiều dữ liệu đầu vào, trước tiên cần cân nhắc liệu dự án có đáng để đầu tư công sức này hay chỉ cần ước tính theo phương pháp ở Mục 4.1 hoặc 4.2.

Kỹ sư dùng mô phỏng liên tục để tái hiện các lưu lượng lớn và nhỏ xảy ra theo thời gian dài, và để đánh giá tác động của dự án lên dòng chảy (hoặc ngược lại) trong cùng thời kỳ. Quan trọng là mô hình thời gian dài phải có cơ chế cân bằng ẩm đất (soil moisture accounting): cho phép đất thấm nước khi có mưa và khô khi không mưa. Hình 4.9 minh họa một ví dụ dùng mô phỏng liên tục trong phân tích môi trường.

Ví dụ: nếu tại một vị trí có 2–3 năm số liệu lưu lượng và mưa quan trắc, kỹ sư có thể xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng liên tục cho đúng 2–3 năm dữ liệu đó. Sau đó có thể dùng chuỗi mưa dài hơn (ví dụ 30 năm) đưa vào mô hình để chạy giai đoạn dự báo 30 năm. Các lưu lượng kiệt mô hình dự đoán (trong các khoảng giữa những trận mưa) có thể dùng để ước tính dòng chảy kiệt tại vị trí.

4.3.3 Phần mềm Rainfall–Runoff

Các mô hình mô phỏng theo sự kiện và mô phỏng liên tục đã được phát triển bởi USGS, USACE, USEPA và nhiều tổ chức khác. Mục này điểm qua một số công cụ phổ biến miễn phí. Mỗi công cụ đều có khả năng mô phỏng sự kiện đơn hoặc mô phỏng liên tục. Để chọn công cụ phù hợp cho dự án, kỹ sư cần hiểu cách phần mềm xử lý các tình huống cụ thể. Trang web của từng tổ chức cung cấp mô tả chi tiết năng lực phần mềm.

4.3.3.1 Hệ thống Mô hình Thủy văn (HEC-HMS)

HEC-HMS do Văn phòng Hydrologic Engineering Center (USACE) phát triển; có thể tải cùng tài liệu hướng dẫn từ trang HEC (USACE 2021a). HEC-HMS mô phỏng các quá trình mưa–dòng chảy của hệ lưu vực dạng cây và áp dụng rộng rãi cho nhiều loại bài toán: từ thủy văn cấp lưu vực sông lớn (cấp nước, lũ) đến dòng chảy đô thị nhỏ hay lưu vực tự nhiên. Kỹ sư có thể dùng thủy đồ do phần mềm tạo trực tiếp hoặc kết hợp phần mềm khác để nghiên cứu khả dụng nguồn nước, thoát nước đô thị, dự báo dòng chảy, tác động đô thị hóa tương lai, thiết kế tràn xả lũ hồ chứa, giảm thiểu thiệt hại do lũ, quy hoạch vùng ngập lũ, và vận hành hệ thống.

4.3.3.2 Mô hình Quản lý Nước mưa Đô thị (SWMM)

SWMM do USEPA phát triển; có thể tải phần mềm và tài liệu hướng dẫn từ website USEPA (USEPA 2020). SWMM là mô hình mưa–dòng chảy động lực, dùng cho sự kiện đơn hoặc mô phỏng dài hạn (liên tục) về lượng và chất lượng dòng chảy, chủ yếu ở khu vực đô thị. Thành phần dòng chảy mặt của SWMM làm việc trên một tập tiểu lưu vực, mỗi tiểu lưu vực nhận mưa và tạo dòng chảy + tải ô nhiễm. Thành phần truyền dẫn của SWMM vận chuyển dòng chảy qua hệ thống ống, kênh, bể chứa/thiết bị xử lý, bơm và các thiết bị điều tiết. SWMM theo dõi lưu lượng và chất lượng nước trong từng tiểu lưu vực, từng phần tử dẫn/ chứa, cũng như tại nút giao giữa các phần tử, trong suốt khoảng thời gian mô phỏng gồm nhiều bước thời gian.

4.3.3.3 Hệ thống Mô hình Mưa–Dòng chảy (PRMS)

PRMS do USGS phát triển (USGS 2021); có thể tải kèm tài liệu hướng dẫn từ website USGS. Đây là mô hình tất định, tham số phân bố, dựa trên các quá trình vật lý để đánh giá phản ứng của dòng chảy sông và thủy văn lưu vực trước các tổ hợp khí hậu và sử dụng đất khác nhau. PRMS mô phỏng các quá trình: bốc hơi, thoát hơi qua thực vật, tích lũy và tan tuyết, dòng chảy mặt, thấm, và dòng chảy trung gian. Mô hình cung cấp nhiều tùy chọn tính toán các quá trình này dựa trên cân bằng năng lượng và nước của tán cây, tầng đất, và lớp tuyết, với dữ liệu khí hậu phân bố theo không gian (nhiệt độ tối đa/tối thiểu, lượng mưa, bốc thoát hơi tiềm năng, bức xạ Mặt Trời, ẩm không khí, tốc độ gió).

4.3.3.4 Phân tích Thủy văn Bề mặt–Tầng ngậm nước dạng Lưới (GSSHA)

GSSHA do Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển Kỹ sư (ERDC) – USACE phát triển (USACE 2021b); có thể tải từ trang Wiki của GSSHA. GSSHA là mô hình vật lý, tham số phân bố cho thủy văn, vận chuyển bùn cát và vận chuyển/số phận các chất. Tính năng gồm: dòng chảy tràn mặt 2D, dòng chảy sông 1D, thấm 1D, nước ngầm 2D, và liên kết đầy đủ giữa nước ngầm, đất nông, sông suối và dòng chảy tràn mặt. Bùn cát và các chất được mô phỏng trong đất nông, trên mặt tràn, và trong sông/kênh. GSSHA có thể chạy theo sự kiện hoặc liên tục, trong đó ẩm đất bề mặt, mực nước ngầm, tương tác sông–nước ngầm, và vận mệnh các chất được mô phỏng liên tục. Cơ chế liên kết đầy đủ nước ngầm–nước mặt cho phép GSSHA mô phỏng lưu vực ở cả môi trường khô hạn lẫn ẩm ướt.

4.4 Lưu lượng thiết kế cho AOP/Hệ sinh thái

Như đã bàn trong HEC-26 (FHWA 2010), các phương pháp thiết kế cống truyền thống thường tập trung vào điều kiện thủy lực do lũ thiết kế gây ra, hay dùng các mức 0.04, 0.02, 0.01 AEP. Do không xét đầy đủ phổ lưu lượng (kể cả lưu lượng nhỏ), nhiều thiết kế đã tạo ra rào cản thủy lực (vận tốc, độ sâu hoặc “nhảy nước”) và vấn đề bồi lắng tại một số vị trí đường vượt sông.

Thiết kế lối di chuyển sinh vật thủy sinh (AOP) và các phương án thiết kế hệ sinh thái khác nhấn mạnh các lưu lượng nhỏ, xảy ra thường xuyên hơn lũ thiết kế. Tùy loại công trình vượt sông theo AOP, có thể cần xác định lưu lượng đại diện cho các mức thường gặp, chẳng hạn 0.5 AEP hoặc nhỏ hơn, để xét thay đổi độ sâu ứng với lưu lượng nhỏ nhất dự kiến khi loài mục tiêu hiện diện. Nhiều bang đã ban hành chỉ tiêu lưu lượng nhỏ riêng cho thiết kế AOP (xem hộp). Như đã nêu, mô phỏng dòng suối hướng đến việc bắt chước vận tốc và độ sâu tự nhiên trong một dải lưu lượng, nhờ đó giảm nhu cầu phải tập trung vào từng loài hoặc một lưu lượng thiết kế duy nhất.

Nếu có số liệu trạm đo, đây là cách chính xác nhất để tính lưu lượng AOP; nhưng do ít suối có trạm, vị trí dự án thường không có dữ liệu. Vì vậy, kỹ sư thường ước tính lưu lượng AOP bằng các phương pháp thủy văn như ở Mục 4.1.

Do các phương pháp này còn bất định, và vì vận tốc rất quan trọng khi đánh giá điều kiện AOP, nhà phân tích cần xem xét bất định của các ước lượng và chạy phân tích nhạy cảm. Kinh nghiệm kỹ thuật đặc biệt quan trọng khi ước tính lưu lượng AOP ở lưu vực dốc và khu vực đô thị/đang đô thị hóa, nơi thay đổi sử dụng đất và thủy văn lưu vực trong vòng đời dự án có thể ảnh hưởng đến lưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất.

Lưu lượng nhỏ ở Oregon
Theo Sở Cá & Động vật hoang dã Oregon (ODFW), lưu lượng nhỏ dùng cho một số thiết kế có thể là một trong hai:
* 7Q2 ứng với 0.5 AEP (chu kỳ 2 năm): lưu lượng trung bình 7 ngày nhỏ nhất xảy ra trung bình 2 năm một lần.
* Lưu lượng có xác suất vượt 95% (Q95).

4.5 Chất lượng nước và “first flush”

Các cơ quan giao thông phải xử lý các tác động lên chất lượng nước do dòng chảy do mưa từ đường cao tốc, đường bộ, cầu và các công trình giao thông khác. Việc xây dựng, vận hành và bảo trì đường sá ảnh hưởng đến chất lượng nước mưa chảy tràn. Nước chảy trên mặt đường chứa bùn cát, dầu mỡ, bụi bẩn và các chất ô nhiễm khác. Bùn cát lơ lửng làm tăng độ đục và các chất ô nhiễm thường bám vào hạt mịn—cả hai đều gây hại đến chất lượng nước.

Việc áp dụng các biện pháp quản lý tốt nhất (BMP) một cách sáng tạo và thúc đẩy phối hợp giữa ngành đường bộ với các cơ quan liên quan đến nước giúp bảo vệ chất lượng nước trong các dự án đường sá. NASEM (2006) cung cấp tổng quan sâu về chất lượng nước, BMP và first flush cho ứng dụng đường bộ. Sở Giao thông California cũng có mô tả chi tiết hiện tượng first flush (Stenstrom & Kayhanian, 2005).

Các tiêu chuẩn quốc gia và tiểu bang cùng phương pháp ước tính dòng chảy rất hữu ích cho giảm thiểu tác động chất lượng nước. USEPA (2011) tổng hợp tiêu chuẩn nước mưa đô thị của các bang, trình bày toàn diện các thực hành (bao gồm xử lý first flush) cho cả 50 bang và Đặc khu Columbia. HEC-16 (FHWA 2023) cũng có mục về chất lượng nước, tóm lược khối lượng nghiên cứu lớn do FHWA tài trợ cùng USGS.

Trong một trận mưa đơn, nồng độ chất ô nhiễm cao nhất thường xuất hiện ở giai đoạn đầu dòng chảy, gọi là “first flush”. Ở vùng khô hạn và bán khô hạn, trận mưa đầu mùa ẩm ướt thường tạo ra dòng chảy có nồng độ ô nhiễm cao nhất; “first flush theo mùa” này cuốn trôi các chất ô nhiễm tích tụ trong mùa khô.

Việc xác định và định lượng first flush theo sự kiện và theo mùa tạo cơ hội giảm thiểu tác động chất lượng nước tốt hơn. Xử lý hiệu quả phần nồng độ cao của first flush có thể kinh tế hơn so với xử lý đều cho toàn bộ thể tích dòng chảy; vì chi phí xử lý tỉ lệ với thể tích nước, trong khi hiệu quả giữ–loại bỏ thường tăng khi nồng độ chất ô nhiễm cao.

Kỹ sư có thể ước tính thể tích “first flush” dựa trên độ sâu dòng chảy tràn (ví dụ 0,5 hoặc 0,75 inch), hàm ý một tần suất xuất hiện, rồi nhân với diện tích lưu vực thoát nước. Ví dụ, Giấy phép Nước mưa Đô thị Los Angeles yêu cầu xử lý 0,75 inch đầu của dòng chảy tràn, xấp xỉ phân vị 85%. Tương tự, có thể ước tính thể tích first flush dựa trên một lượng mưa chỉ định (như 1 inch), và tỷ phần thể tích dòng chảy:

$$V = A\,P\,C_R \tag{4.6}$$

trong đó:
V = thể tích dòng chảy, ft³ (m³);
A = diện tích lưu vực thoát nước, ft² (m²);
P = lượng mưa, ft (m);
\(C_R\) = tỷ phần thể tích dòng chảy.

Một cách khác để ước tính thể tích dòng chảy cho chất lượng nước là dùng mô phỏng liên tục. Như đã nêu ở Mục 4.3.2 và các tài liệu khác (ví dụ WSDOT 2019), mô phỏng liên tục hữu ích khi cần tái hiện các giai đoạn kiệt kéo dài trong các bài toán môi trường—liên quan trực tiếp đến nội dung này. Do nồng độ chất ô nhiễm cao hơn thường xảy ra khi lưu lượng nhỏ, người thiết kế thường quy mô các công trình xử lý dựa trên thể tích dòng chảy của các trận mưa xuất hiện thường xuyên; ví dụ lũ 2 năm hoặc phân vị 85%–90% của dòng chảy.

Tải lượng chất ô nhiễm liên hệ thể tích dòng chảy và nồng độ theo:

$$L=\frac{c\,V}{\alpha} \tag{4.7}$$

trong đó:
L = tải lượng chất ô nhiễm, lb (kg);
c = nồng độ, mg/L;
V = thể tích dòng chảy, ft³ (m³);
α = hằng số đổi đơn vị, 16 000 (hệ CU), 1 000 (hệ SI).

Quan hệ này áp dụng cho mỗi nguồn chất ô nhiễm; tổng các tải lượng là tổng tải. Với thể tích dòng chảy và tải lượng ước tính, kỹ sư có thể chọn BMP phù hợp để loại bỏ phần đáng kể tải ô nhiễm.

Các phần mềm mô hình chất lượng nước/first flush thường mô phỏng các chỉ số: TSS (chất rắn lơ lửng), BOD, COD, TN, TP, E. coli… Ví dụ, SWMM của USEPA là mô hình mưa–dòng chảy động lực, dùng cho sự kiện đơn hoặc mô phỏng dài hạn, mô phỏng cả lượng và chất lượng dòng chảy, chủ yếu cho đô thị (Rossman 2015). SWMM được phát triển từ 1971, là một trong các công cụ phổ biến nhất cho mô hình quản lý nước mưa. Ngoài bản công khai, một số phiên bản thương mại đã bổ sung giao diện đồ họa và các chức năng thân thiện người dùng.

Mô hình SELDM (Stochastic Empirical Loading and Dilution Model) do USGS phát triển phối hợp với FHWA là công cụ ở mức quy hoạch, ước tính nồng độ trung bình, lưu lượng và tải lượng chất ô nhiễm trong dòng chảy do mưa (Granato 2013). SELDM là mô hình ngẫu nhiên dùng để đánh giá rủi ro tác động bất lợi của dòng chảy tràn lên nguồn tiếp nhận, nhu cầu áp dụng biện pháp giảm thiểu, và hiệu quả tiềm năng của các biện pháp quản lý nhằm giảm các rủi ro này.

Mô hình thoát nước đô thị MOUSE (Model for Urban Sewers) mô phỏng hệ thống nước mưa đô thị, do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển (DHI 2003). MOUSE là một trong các bộ tính toán của phần mềm mô hình thủy lực MIKE URBAN. Khả năng của nó gồm mô phỏng chất lượng nước và vận chuyển bùn cát trong hệ thống nước mưa, và có thể so sánh với SWMM. SWMM thường được dùng nhiều hơn ở Bắc Mỹ, trong khi MOUSE được dùng nhiều hơn ngoài Bắc Mỹ.

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