- 7.1 NRCS (SCS) Curve Number Method
- 7.1.1 Ước lượng độ sâu của dòng chảy do mưa (Runoff Depth Estimation)
- 7.1.2 Khả năng giữ nước tối đa và Curve Number
- 7.1.3 Phân loại nhóm đất thủy văn
- 7.1.4 Phân loại tổ hợp lớp phủ
- 7.1.5 Điều kiện ban đầu
- 7.1.6 Bảng Curve Number
- 7.1.7 Ước lượng giá trị CN cho các mục đích sử dụng đất đô thị
- 7.1.8 Ảnh hưởng của diện tích không thấm không kết nối đến Curve Number
- 7.2 Mô hình thấm Green-Ampt
- 7.3 Các mô hình tổn thất khác
Khi thiết kế các công trình thoát nước đường bộ như cống và cầu, kỹ sư thường ước lượng lưu lượng đỉnh của dòng chảy với xác suất xuất hiện định sẵn. Các kỹ sư có nhiều cách để ước lượng lưu lượng này, mỗi cách có các giới hạn riêng. Phân tích số liệu trạm đo phụ thuộc vào sự tồn tại lâu dài của trạm đo tại lưu vực quan tâm. Như đã đề cập trong Mục 6.1, các phương trình hồi quy khu vực thường áp dụng cho các lưu vực tự nhiên, không có ảnh hưởng của con người, nơi đặc điểm lưu vực tương đối phù hợp với dữ liệu được sử dụng để xây dựng phương trình. Phương pháp Rational chỉ áp dụng cho lưu vực nhỏ, thường là 200 mẫu Anh (acres) trở xuống. Nếu các phương pháp khác không phù hợp, kỹ sư có thể chọn mô hình hóa quá trình dòng chảy do mưa gây ra. Phương pháp phổ biến nhất là phương pháp thủy đồ đơn vị (unit hydrograph), được trình bày chi tiết trong Mục 8.1.
Mô hình hóa lưu vực bằng phương pháp thủy đồ đơn vị sử dụng dữ liệu thực nghiệm về quan hệ độ sâu-thời lượng-tần suất (depth-duration-frequency) của lượng mưa. Tuy nhiên, phần lớn lượng mưa không trở thành dòng chảy do mưa (runoff) mà bị “mất đi” do thấm, bốc hơi và lưu trữ trong lưu vực. Các phương pháp mô hình hóa quá trình ước tính lượng mưa không trở thành dòng chảy do mưa được gọi là “mô hình tổn thất (loss models)”. Phần lượng mưa không bị mất trở thành dòng chảy do mưa. Chương này tập trung vào các mô hình tổn thất, từ đó có thể sử dụng với thủy đồ đơn vị để tạo ra thủy đồ dòng chảy do mưa.
7.1 NRCS (SCS) Curve Number Method
Trong nhiều phương pháp ước tính lưu lượng, các biến quan trọng phản ánh diện tích lưu vực, lượng mưa có thể xảy ra trong một trận mưa, khả năng lưu vực tích trữ nước, và đặc điểm phản ứng theo thời gian của lưu vực. Phương pháp mô hình hóa Rainfall-Runoff của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS), ban đầu gọi là Cơ quan Bảo tồn Đất (SCS), là ví dụ điển hình cho nhiều phương pháp mô hình dựa trên các đặc tính như đã mô tả.
7.1.1 Ước lượng độ sâu của dòng chảy do mưa (Runoff Depth Estimation)
Thể tích dòng chảy do mưa do mưa phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lượng mưa trong một trận mưa là yếu tố tự nhiên quan trọng. Với các lưu vực lớn, kỹ sư có thể gặp khó khăn trong việc phân biệt dòng chảy do mưa của một sự kiện mưa hiện tại với dòng chảy do mưa còn lại từ các trận mưa trước đó. Tuy nhiên, khi sử dụng trận mưa thiết kế, người ta thường giả định rằng dòng chảy do mưa chỉ đến từ trận mưa thiết kế đó.
Các yếu tố khác ngoài lượng mưa cũng ảnh hưởng đến thể tích của dòng chảy do mưa. Khi mô hình hóa rainfall and runoff, các nhà phân tích thường sử dụng giả định đơn giản rằng lượng mưa sẵn có sẽ được phân thành ba nhóm: phần tạo thành dòng chảy do mưa, phần tổn thất ban đầu (initial abstraction), và phần tổn thất theo thời gian.
Các yếu tố được cho là ảnh hưởng đến sự phân chia giữa tổn thất và dòng trực tiếp do mưa bao gồm: lượng mưa, lớp phủ và mục đích sử dụng đất, loại đất, và điều kiện ẩm ban đầu. Lớp phủ và sử dụng đất xác định lượng trữ trong các vùng trũng và lượng nước bị chắn giữ trên bề mặt. Xem Chương 3 để biết mô tả về các dạng tổn thất (abstractions).
7.1.2 Khả năng giữ nước tối đa và Curve Number
Trong quá trình phát triển mối quan hệ giữa lượng mưa và dòng chảy do mưa, NRCS đã xây dựng khái niệm rằng mỗi lưu vực sẽ giữ lại một phần lượng mưa rơi xuống lưu vực đó. NRCS gọi lượng mưa giữ lại tối đa này là khả năng giữ nước tối đa, ký hiệu là S (một độ sâu). Nó là một hàm phụ thuộc vào các tính chất của đất, mục đích sử dụng đất, dạng phủ bề mặt, và độ ẩm sẵn có trong đất. Trong khuôn khổ này, dòng chảy do mưa từ một trận mưa là hàm của độ sâu mưa, tổn thất ban đầu, và S. Độ sâu mưa được chia thành ba thành phần: dòng trực tiếp do mưa (Q), khả năng giữ nước thực tế (F), và tổn thất ban đầu (Ia). NRCS đã xây dựng phương trình:
$$Q = \frac{(P – I_a)^2}{(P – I_a) + S} \tag{7.1}$$
trong đó:
- P = Lượng mưa, inch (mm)
- Ia = Lượng tổn thất ban đầu, inch (mm)
- S = Lượng giữ nước tối đa, inch (mm)
- Q = Dòng trực tiếp do mưa, inch (mm)
Mặc dù Q và P có đơn vị là chiều sâu, chúng thường được gọi là thể tích. Giả định rằng các chiều sâu đó xảy ra đồng đều trên toàn bộ lưu vực. Lượng giữ nước thực tế đối với một trận mưa được tính bằng tổng lượng mưa trừ đi chiều sâu dòng chảy do mưa:
$$F = P – Q \tag{7.2}$$
trong đó:
- P = Lượng mưa, inch (mm)
- Q = Chiều sâu dòng trực tiếp do mưa, inch (mm)
- F = Lượng giữ thực tế sau khi dòng chảy do mưa bắt đầu, inch (mm)
NRCS đề xuất rằng lượng tổn thất ban đầu (initial abstraction) có thể được ước tính như một hàm của S:
$$I_a = \lambda S \tag{7.3}$$
trong đó:
- Ia = Lượng tổn thất ban đầu, inch (mm)
- S = Lượng giữ nước tối đa, inch (mm)
- λ = Hệ số tổn thất ban đầu
Hawkins et al. (2009) tổng quát hóa phương trình 7.3 bằng cách sử dụng hệ số tổn thất ban đầu (λ) và nhận thấy rằng λ = 0.05 phù hợp với các tập dữ liệu mà họ phân tích. Mặc dù NRCS thừa nhận sự biến động trong mối quan hệ này, NRCS đã quy định λ bằng 0.2 trong công thức của phương pháp (NRCS 2004b).
Theo công thức của NRCS và thay thế tổn thất ban đầu với λ = 0.2 vào phương trình dòng chảy do mưa, ta thu được phương trình sau, trong đó chỉ có một ẩn số là
$$Q = \frac{(P – 0.2S)^2}{(P + 0.8S)} \tag{7.4}$$
trong đó:
- P = Lượng mưa, inch (mm)
- Q = Chiều sâu dòng trực tiếp do mưa, inch (mm)
- S = Lượng giữ nước tối đa, inch (mm)
Phân tích thực nghiệm để ước lượng giá trị của S chỉ ra rằng S có liên quan đến loại đất, lớp phủ bề mặt, và điều kiện thủy văn của lưu vực. Các yếu tố này được biểu diễn bằng runoff curve number (CN), là một chỉ số đại diện cho sự kết hợp giữa nhóm đất thủy văn, phân loại sử dụng đất và biện pháp xử lý đất. Nó được dùng để ước lượng S theo công thức:
$$S = \alpha \left[\frac{1000}{CN} – 10 \right] \tag{7.5}$$
trong đó:
- CN = Curve number
- α = Hằng số chuyển đổi đơn vị, 1.0 trong đơn vị CU (25.4 trong đơn vị SI)
(nd: initial abstraction – mất mát ban đầu)
Initial abstraction (ký hiệu là Ia) là một khái niệm trong mô hình Rainfall-Runoff, được hiểu là: Lượng nước mưa ban đầu bị giữ lại hoặc tiêu tán trước khi dòng chảy bề mặt (runoff) bắt đầu hình thành.
Nó bao gồm:
- Nước bị chặn lại bởi thực vật và thảm phủ (interception),
- Nước thấm xuống đất trong giai đoạn đầu (initial infiltration),
- Nước đọng lại trong các hốc, vũng nhỏ (depression storage),
- Các tổn thất nhỏ khác trước khi nước bắt đầu tích tụ và tạo thành runoff.
Ví dụ: Nếu trời bắt đầu mưa, khoảng 5–10 mm đầu tiên có thể bị cây cối giữ lại, thấm xuống đất hoặc đọng trong các hốc đất — đó chính là initial abstraction. Chỉ khi lượng mưa vượt quá mức này thì runoff mới bắt đầu xảy ra.
Trong phương pháp Curve Number (CN):
Initial abstraction thường được ước lượng bằng công thức:\(I_a = \lambda S\)
Với:
- \(I_a\): Initial abstraction (inches hoặc mm)
- λ: hệ số trích lập ban đầu (thường là 0.2)
- S: Maximum potential retention — lượng nước tối đa đất có thể giữ lại sau khi runoff bắt đầu
Gần đây, nhiều nghiên cứu như của Hawkins et al. (2009) cho rằng dùng λ=0.05 cho kết quả chính xác hơn trong một số điều kiện.
7.1.3 Phân loại nhóm đất thủy văn
NRCS sử dụng hệ thống phân loại đất gồm bốn nhóm, được xác định bằng các chữ cái A, B, C và D. Đặc điểm đất liên quan đến mỗi nhóm như sau (NRCS 2009a):
- Nhóm A: cát sâu, đất phù sa sâu, đất bùn mịn kết tụ.
- Nhóm B: đất phù sa nông, đất cát pha.
- Nhóm C: đất thịt pha sét, đất cát pha nông, đất ít chất hữu cơ, đất thường có hàm lượng sét cao.
- Nhóm D: đất trương nở đáng kể khi ướt, đất sét nặng, đất mặn nhất định.
Ngoài ra, NRCS (2009a) đã chỉ định các nhóm đất thủy văn kép (dual hydrologic soil groups) để xem xét các điều kiện mực nước ngầm cao. Một số loại đất ẩm được xếp vào nhóm D chỉ dựa trên sự hiện diện của mực nước ngầm trong vòng 24 inch tính từ mặt đất, mặc dù độ thấm nước bão hòa của đất đó có thể phù hợp cho việc truyền nước.
Nếu các loại đất này có thể được thoát nước đầy đủ, thì chúng được phân vào nhóm đất thủy văn kép (A/D, B/D và C/D). Chữ cái đầu tiên áp dụng cho điều kiện đã được thoát nước, và chữ cái thứ hai cho điều kiện chưa được thoát nước. Với nhóm đất thủy văn, “thoát nước đầy đủ” có nghĩa là mực nước ngầm mùa cao được giữ ở độ sâu ít nhất 24 inch dưới bề mặt đất, trong một loại đất mà bình thường mực nước ngầm sẽ cao hơn nếu để trong trạng thái tự nhiên.
Về mặt lịch sử, các kỹ sư xác định nhóm đất theo NRCS trong một lưu vực bằng cách sử dụng đặc điểm đất hoặc các khảo sát đất cấp quận. Các khảo sát đất cấp quận do các Khu Bảo tồn Đất (Soil Conservation Districts) cung cấp sẽ mô tả chi tiết về đất tại từng vị trí trong quận. Nhiều báo cáo trong số này phân loại đất thành bốn nhóm: A, B, C và D.
Khảo sát đất trực tuyến NRCS cung cấp quyền truy cập trực tiếp đến đặc tính đất và nhóm đất thủy văn (HSG) trong SSURGO, Cơ sở Dữ liệu Địa lý Khảo sát Đất. Một hộp công cụ GIS, gọi là hộp công cụ gSSURGO, sử dụng cùng cơ sở dữ liệu. Hộp công cụ này cho phép người dùng tạo bản đồ GIS với các đặc tính đất bao gồm cả HSG.
Cơ sở dữ liệu SSURGO và Khảo sát Đất trực tuyến đề cập đến các nhóm kép HSG. Khi xuất hiện nhóm kép, kỹ sư phân tích sẽ phải phán đoán xem điều kiện mực nước ngầm theo mùa hoặc gián đoạn có quan trọng hay không. Nếu mực nước ngầm cao dự kiến xảy ra trong kịch bản thiết kế, thì nên sử dụng các giá trị curve number của Nhóm D.
7.1.4 Phân loại tổ hợp lớp phủ
Hệ thống phân loại tổ hợp lớp phủ của NRCS gồm ba yếu tố: sử dụng đất, biện pháp hoặc cách thức xử lý đất, và điều kiện thủy văn. Các bảng dùng để ước tính Runoff Curve Number xác định nhiều loại sử dụng đất khác nhau. Các bảng này thường phân chia đất nông nghiệp theo biện pháp hoặc cách thức canh tác, chẳng hạn như theo hàng có tạo đường đồng mức hoặc hàng thẳng; sự phân chia này phản ánh sự khác nhau về tiềm năng thủy văn của dòng chảy do mưa liên quan đến các biện pháp xử lý đất. Điều kiện thủy văn phản ánh mức độ quản lý đất; được chia thành ba mức: kém, trung bình, và tốt. Không phải tất cả các loại sử dụng đất đều được phân tách theo biện pháp hoặc điều kiện.
7.1.5 Điều kiện ban đầu
Tài liệu gốc National Engineering Handbook (NEH) Mục 4 đề cập đến điều kiện độ ẩm ban đầu (Antecedent Moisture Condition – AMC) liên quan đến lượng mưa trong năm ngày trước khi xảy ra một sự kiện (SCS 1969). Mục 10 của NEH-630 đề cập đến cùng vấn đề này, nhưng đổi tên thành Điều kiện runoff ban đầu (Antecedent Runoff Condition – ARC) và định nghĩa lại khái niệm. Hawkins và các cộng sự (2009) thảo luận về ARC và cho rằng ARC II được sử dụng cho thiết kế công trình vì nó đại diện cho các điều kiện trung bình. Tham khảo NEH-630 nếu có những điều kiện đặc biệt cần cân nhắc thay thế cho các điều kiện thông thường.
Phát triển phương pháp Curve Number
NRCS (trước đây là SCS) đã công bố Mục 4 của NEH vào năm 1969 (SCS 1969). Các ấn phẩm bổ sung sau đó như Technical Release 20 (TR-20) và Technical Release 55 (TR-55), cũng như các chương trình máy tính dẫn xuất, đã phổ biến phương pháp curve number và thủy đồ đơn vị. NRCS đã cập nhật phương pháp này và các chương 7, 8, 9 và 10 của NEH Phần 630 hiện có sẵn trực tuyến và là nguồn tài liệu hữu ích. Chương 9 bao gồm đầy đủ các bảng curve number. Việc phát triển các chỉ số curve number phục vụ cho sử dụng địa phương được khuyến khích theo NEH 630 và Hawkins et al. (2009), nếu có thể.
7.1.6 Bảng Curve Number
NRCS đã phát triển các curve number cho khu vực đô thị (Bảng 7.1), khu vực nông nghiệp (Bảng 7.2) và khu vực khô hạn/bán khô hạn (Bảng 7.3). Ngoài ra, NRCS còn cung cấp curve number cho các khu rừng quốc gia và thương mại, cũng như các loại lớp phủ đất tìm thấy ở Puerto Rico và Hawaii (NRCS 2004a). NRCS phân biệt các giá trị CN theo loại đất, loại lớp phủ, biện pháp xử lý, điều kiện thủy văn và nhóm đất thủy văn. Ví dụ, Bảng 7.2 cho thấy rằng CN cho rừng với lớp phủ tốt và nhóm đất B là 55; đối với nhóm đất C, CN tăng lên 70. Nếu lớp phủ (nhóm đất B) ở trạng thái kém, CN sẽ là 66.
Bảng 7.1, Bảng 7.2 và Bảng 7.3 tóm tắt các giá trị CN cho điều kiện dòng chảy do mưa trung bình (ARC II) và tổn thất ban đầu bằng 0.2S. NRCS cũng cung cấp các giá trị CN cho ARC I và III mặc dù ARC II thường được sử dụng cho thiết kế (NRCS 2004b). Các điều kiện khác nhau trên khắp Hoa Kỳ, chẳng hạn như các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm dưới 30 inch, có thể yêu cầu hiệu chỉnh địa phương các giá trị CN (Hawkins et al. 2009). Các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm thấp hơn có thể có các giá trị curve number thấp hơn so với những giá trị được trình bày trong tài liệu này (Thompson 2004).
Bảng 7.1. Giá trị Runoff Curve Number cho các khu vực đô thị (NRCS 2004a)
| Loại bề mặt phủ | Phân loại phụ, điều kiện thủy văn, tỷ lệ không thấm nước2 | 1Nhóm A | Nhóm B | Nhóm C | Nhóm D |
|---|---|---|---|---|---|
| Không gian mở (công viên, sân golf, nghĩa trang…)3 | Cỏ kém (phủ < 50%) | 68 | 79 | 86 | 89 |
| Cỏ trung bình (50–75%) | 49 | 69 | 79 | 84 | |
| Cỏ tốt (> 75%) | 39 | 61 | 74 | 80 | |
| Khu vực không thấm nước | Mái nhà, bãi đậu xe, đường bê tông (không tính lề đường) | 98 | 98 | 98 | 98 |
| Có lề đường và cống thoát nước | 98 | 98 | 98 | 98 | |
| Đường phố & giao thông | Mặt đường với rãnh mở | 83 | 89 | 92 | 93 |
| Mặt đường sỏi | 76 | 85 | 89 | 91 | |
| Đường đất | 72 | 82 | 87 | 89 | |
| Khu đô thị sa mạc miền Tây | Cảnh quan sa mạc tự nhiên (chỉ khu thấm nước)4 | 63 | 77 | 85 | 88 |
| Cảnh quan sa mạc nhân tạo5 | 96 | 96 | 96 | 96 | |
| Khu đô thị | Thương mại & kinh doanh (không thấm nước 85%) | 89 | 92 | 94 | 95 |
| Công nghiệp (72% không thấm nước) | 81 | 88 | 91 | 93 | |
| Khu dân cư (theo diện tích lô) | 1/8 acre hoặc nhỏ hơn (nhà liền kề – 65%) | 77 | 85 | 90 | 92 |
| 1/4 acre (38%) | 61 | 75 | 83 | 87 | |
| 1/3 acre (30%) | 57 | 72 | 81 | 86 | |
| 1/2 acre (25%) | 54 | 70 | 80 | 85 | |
| 1 acre (20%) | 51 | 68 | 79 | 84 | |
| 2 acres (12%) | 46 | 65 | 77 | 82 | |
| Khu đô thị đang phát triển | Khu đất mới san gạt (chưa có thực vật) | 77 | 86 | 91 | 94 |
- Điều kiện dòng chảy do mưa trung bình, và /(I_a\) = 0.2S.
- Tỷ lệ phần trăm diện tích không thấm trung bình được sử dụng để xây dựng các giá trị CN tổng hợp. Các giả định khác như sau: các khu vực không thấm nước được kết nối trực tiếp với hệ thống thoát nước, các khu vực không thấm nước có CN = 98, và các khu vực thấm nước được xem là tương đương với không gian mở trong điều kiện thủy văn tốt.
- Các giá trị CN được trình bày tương đương với các khu vực đồng cỏ. Các giá trị CN tổng hợp có thể được tính cho các tổ hợp khác nhau của loại không gian mở.
- Các giá trị CN tổng hợp cho cảnh quan sa mạc tự nhiên nên được tính bằng cách sử dụng tỷ lệ phần trăm không thấm nước (CN = 98) và CN của khu vực thấm nước. Các giá trị CN của khu vực thấm nước được giả định tương đương với vùng bụi cây sa mạc trong điều kiện thủy văn kém.
- Vật liệu chắn cỏ dại không thấm nước, bụi cây sa mạc với lớp cát hoặc sỏi phủ dày 1 đến 2 inch và các viền bồn đất.
Bảng 7.2 thể hiện các giá trị CN cho các loại đất nông nghiệp theo từng nhóm đất A, B, C, D. Mỗi hàng thể hiện tổ hợp giữa loại phủ mặt (Cover Type), biện pháp canh tác (Treatment), điều kiện thủy văn (Hydrologic Condition) và CN tương ứng:
Bảng 7.2. Giá trị Runoff Curve Number cho đất nông nghiệp
| Loại phủ mặt | Biện pháp canh tác2 | Điều kiện thủy văn3 | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fallow | Đất trống | Không áp dụng | 77 | 86 | 91 | 94 |
| Phủ tàn dư cây trồng (CR) | Kém | 76 | 85 | 90 | 93 | |
| Tốt | 74 | 83 | 88 | 90 | ||
| Row crops | Luống thẳng (SR) | Kém | 72 | 81 | 88 | 91 |
| Tốt | 67 | 78 | 85 | 89 | ||
| SR + CR | Kém | 71 | 80 | 87 | 90 | |
| Tốt | 64 | 75 | 82 | 85 | ||
| Luống uốn lượn (C) | Kém | 70 | 79 | 84 | 88 | |
| Tốt | 65 | 75 | 82 | 86 | ||
| C + CR | Kém | 69 | 78 | 83 | 87 | |
| Tốt | 64 | 74 | 81 | 85 | ||
| Luống uốn lượn và có bậc thang (C & T) | Kém | 66 | 74 | 80 | 82 | |
| Tốt | 62 | 71 | 78 | 81 | ||
| C & T + CR | Kém | 65 | 73 | 79 | 83 | |
| Tốt | 61 | 70 | 77 | 80 | ||
| Small grain | SR | Kém | 65 | 76 | 84 | 88 |
| Tốt | 63 | 75 | 83 | 87 | ||
| SR + CR | Kém | 64 | 75 | 83 | 86 | |
| Tốt | 60 | 72 | 80 | 84 | ||
| C | Kém | 63 | 74 | 82 | 85 | |
| Tốt | 61 | 73 | 81 | 84 | ||
| C + CR | Kém | 62 | 73 | 81 | 84 | |
| Tốt | 60 | 72 | 80 | 83 | ||
| C & T | Kém | 61 | 72 | 79 | 82 | |
| Tốt | 59 | 70 | 78 | 81 | ||
| C & T + CR | Kém | 60 | 71 | 78 | 81 | |
| Tốt | 58 | 69 | 77 | 80 | ||
| Cỏ gieo dày hoặc luân canh | SR | Kém | 66 | 77 | 85 | 89 |
| Tốt | 58 | 72 | 81 | 85 | ||
| C | Kém | 64 | 75 | 83 | 85 | |
| Tốt | 55 | 69 | 78 | 83 | ||
| C & T | Kém | 63 | 73 | 80 | 83 | |
| Tốt | 51 | 67 | 76 | 80 | ||
| Đồng cỏ, bãi chăn thả liên tục4 | Không áp dụng | Kém | 68 | 79 | 86 | 89 |
| Trung bình | 49 | 69 | 79 | 84 | ||
| Tốt | 39 | 61 | 74 | 80 |
Bảng 7.2 (tiếp theo)
| Loại phủ mặt | Biện pháp canh tác | Điều kiện thủy văn | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Meadow – cỏ liên tục, không chăn thả, cắt cỏ làm thức ăn | Không áp dụng | Tốt | 30 | 58 | 71 | 78 |
| Hỗn hợp cây bụi, cây cỏ với cây bụi là thành phần chính 5 | Không áp dụng | Kém | 48 | 67 | 77 | 83 |
| Trung bình | 35 | 56 | 70 | 77 | ||
| Tốt | 30 6 | 48 | 65 | 73 | ||
| Hỗn hợp cỏ và cây ăn quả / cây công nghiệp 7 | Không áp dụng | Kém | 57 | 73 | 82 | 86 |
| Trung bình | 43 | 65 | 76 | 82 | ||
| Tốt | 32 | 58 | 72 | 79 | ||
| Rừng 8 | Không áp dụng | Kém | 45 | 66 | 77 | 83 |
| Trung bình | 36 | 60 | 73 | 79 | ||
| Tốt | 30 | 55 | 70 | 77 | ||
| Khu nhà ở, sân vườn, đường nội bộ, bãi đỗ xe | Không áp dụng | Không áp dụng | 59 | 74 | 82 | 86 |
| Đường (bao gồm cả lề đường) | Đất | Không áp dụng | 72 | 82 | 87 | 89 |
| Sỏi | Không áp dụng | 76 | 85 | 89 | 91 |
Ghi chú cho Bảng 7.2 Các giá trị Runoff Curve Number trên đất nông nghiệp và các bề mặt khác (Runoff Curve Numbers for Agricultural Lands and Other Surfaces):
- Điều kiện dòng chảy do mưa trung bình, và Ia = 0.2S.
- Lớp phủ dư thừa cây trồng (crop residue cover) chỉ áp dụng nếu nó chiếm ít nhất 5% diện tích bề mặt trong suốt cả năm.
- Điều kiện thủy văn được xác định dựa trên tổ hợp các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thấm và runoff, bao gồm:
(a) mật độ và tán che của thảm thực vật,
(b) mức độ phủ quanh năm,
(c) lượng cỏ hoặc cây họ đậu trồng dày,
(d) tỷ lệ phần trăm lớp phủ dư trên bề mặt đất (tốt nếu >20%), và
(e) mức độ nhám bề mặt.- Kém: các yếu tố cản trở thấm và có xu hướng làm tăng runoff.
- Tốt: các yếu tố giúp thấm tốt hơn mức trung bình và có xu hướng làm giảm runoff.
- Đối với phương pháp canh tác bảo tồn, điều kiện thủy văn kém tương ứng với việc chỉ có 5 đến 20% bề mặt được phủ bởi lớp residue (ít hơn 750 lb/acre đối với cây hàng hoặc 300 lb/acre đối với ngũ cốc nhỏ).
- Với điều kiện thủy văn tốt, hơn 20% diện tích được phủ bởi lớp residue (nhiều hơn 750 lb/acre đối với cây hàng hoặc 300 lb/acre đối với ngũ cốc nhỏ).
- Kém: < 50% độ phủ mặt đất hoặc bị chăn thả nặng không có lớp phủ bảo vệ.
- Trung bình: 50 đến 75% độ phủ mặt đất, không bị chăn thả nặng.
- Tốt: > 75% độ phủ mặt đất, ít hoặc chỉ bị chăn thả nhẹ.
- Kém: < 50% độ phủ mặt đất.
- Trung bình: 50 đến 75% độ phủ mặt đất.
- Tốt: > 75% độ phủ mặt đất.
- Nếu giá trị curve number thực tế nhỏ hơn 30, hãy sử dụng CN = 30 để tính toán runoff.
- Các CN trình bày được tính toán cho khu vực có 50% rừng và 50% cỏ (đồng cỏ chăn thả).
Có thể tính toán các tổ hợp khác từ các CN của rừng và đồng cỏ.- Kém: lớp lá rụng, cây nhỏ, và bụi cây bị phá hủy do chăn thả nặng hoặc đốt định kỳ.
- Trung bình: rừng bị chăn thả, nhưng không bị đốt, và một phần lớp lá rụng vẫn còn.
- Tốt: rừng được bảo vệ khỏi chăn thả, lớp lá và bụi cây che phủ đầy đủ bề mặt đất.
Bảng 7.3. Giá trị Runoff Curve Number cho đồng cỏ khô cằn và bán khô cằn (NRCS 2004a)
| Loại phủ mặt | Điều kiện thủy văn | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|---|
| Thảo mộc — hỗn hợp cỏ, cỏ dại, và cây bụi thấp, trong đó cây bụi là yếu tố phụ | Kém | 80 | 87 | 93 | |
| Trung bình | 71 | 81 | 89 | ||
| Tốt | 62 | 74 | 85 | ||
| Sồi-dương — hỗn hợp cây bụi miền núi bao gồm sồi bụi, dương, gỗ gụ núi, cây đắng, phong, và các loại cây bụi khác | Kém | 66 | 74 | 79 | |
| Trung bình | 48 | 57 | 63 | ||
| Tốt | 30 | 41 | 48 | ||
| Thông-bách xù — thông, bách xù, hoặc cả hai; tầng thảm cỏ phía dưới | Kém | 75 | 85 | 89 | |
| Trung bình | 58 | 73 | 80 | ||
| Tốt | 41 | 61 | 71 | ||
| Cỏ-xô thơm — xô thơm với tầng thảm cỏ bên dưới | Kém | 67 | 80 | 85 | |
| Trung bình | 51 | 63 | 70 | ||
| Tốt | 35 | 47 | 55 | ||
| Cây bụi sa mạc — các loài chính bao gồm muối, mỡ, bụi creosote, blackbrush, bursage, palo verde, mesquite, và xương rồng | Kém | 63 | 77 | 85 | 88 |
| Trung bình | 55 | 72 | 81 | 86 | |
| Tốt | 49 | 68 | 79 | 84 |
- Điều kiện dòng chảy do mưa trung bình, và Ia = 0.2S. Đối với vùng đồng cỏ ở khu vực ẩm ướt, sử dụng Bảng 7.2.
- Kém: độ phủ mặt đất < 30% (lớp thảm mục, cỏ, và tán cây bụi).
Trung bình: độ phủ mặt đất từ 30 đến 70%.
Tốt: độ phủ mặt đất lớn hơn 70% - Các giá trị curve number cho nhóm đất A chỉ được phát triển đối với loại cây bụi sa mạc.
Việc thay đổi giá trị CN cũng làm thay đổi S và Ia. Giá trị CN thấp hơn sẽ làm tăng S và Ia vì Ia là một hàm của S. Tác động kết hợp giữa việc giảm giá trị CN và giảm lượng mưa có thể làm phóng đại giá trị của tổn thất ban đầu khi λ = 0.2. Các kỹ sư có thể lựa chọn sử dụng λ = 0.05 để có kết quả chính xác hơn trong những tình huống như vậy (Hawkins et al. 2009).
Vì CN, S, và Ia có mối liên hệ với nhau, nên việc thay đổi một yếu tố mà không xét đến ảnh hưởng đến các yếu tố khác có thể dẫn đến ước lượng dòng chảy do mưa không chính xác. Hawkins et al. (2009) đề xuất một phương pháp điều chỉnh CN khi sử dụng λ = 0.05 thay vì 0.2:
Curve Numbers May Change (Curve Number có thể thay đổi)
NRCS đang xem xét việc chuẩn bị và công bố các giá trị curve number mới dựa trên các giả định khác về tổn thất ban đầu. Những thông tin và hướng dẫn mới có thể sẽ được ban hành trong tương lai.
$$\text{CN}_{0.05} = \frac{100}{1.879 \left( \left[ \frac{100}{\text{CN}_{0.2}} – 1 \right]^{1.15} \right) + 1} \tag{7.6}$$
trong đó:
- CN₀.₀₅ = Curve number khi λ = 0.05
- CN₀.₂ = Curve number khi λ = 0.2
Việc điều chỉnh S từ giá trị tại λ = 0.2 sang λ = 0.05 là:
$$S_{0.05} = 1.33 S_{0.2}^{1.15} \tag{7.7}$$
Việc chuyển đổi CN và S làm thay đổi ước lượng về lượng tổn thất mưa và do đó là lượng dòng chảy do mưa tạo ra trong một trận mưa. Với lượng mưa nhỏ, ước lượng dòng chảy do mưa bằng λ = 0.05 sẽ cao hơn so với λ = 0.2. Ngược lại, với lượng mưa lớn hơn một giá trị tới hạn, λ = 0.2 sẽ cho lượng dòng chảy do mưa cao hơn.
Giá trị tới hạn của lượng mưa là giá trị tại đó lượng dòng chảy do mưa tính theo λ = 0.2 và λ = 0.05 là bằng nhau, và giá trị này tăng khi CN giảm.
Với CNr nhỏ và lượng mưa nhỏ, λ = 0.05 tạo ra lượng dòng chảy do mưa lớn hơn. Có khả năng các kỹ sư thiết kế chỉ sử dụng λ = 0.05 khi CN và lượng mưa đều nhỏ. Khi không chắc chắn, nên so sánh kết quả giữa hai trường hợp.
Ví dụ 7.1: Mô hình tổn thất theo CN
Mục tiêu: Tính lượng giữ nước tối đa (S) và chiều sâu dòng chảy do mưa.
Cho: Curve number (từ bảng) của một loại đất là 78, và một trận mưa có tổng lượng là 3.75 inches
CN = 78
P = 3.75 inches
Yêu cầu: Ước tính lượng giữ nước tối đa và chiều sâu dòng chảy do mưa với λ = 0.2 và λ = 0.05.
Bước 1: Tính lượng giữ nước tối đa “S” theo công thức 7.5
$$S = \frac{1000}{78} – 10 = [12.82 – 10] = 2.82 \text{ inches}$$
Bước 2: Tính chiều sâu dòng chảy do mưa với λ = 0.2
$$Q = \frac{(P – 0.2S)^2}{(P – 0.2S) + S} = \frac{(3.75 – (0.2 \cdot 2.82))^2}{(3.75 – (0.2 \cdot 2.82)) + 2.82} = 1.69 \text{ inches}$$
Bước 3: Tính chiều sâu dòng chảy do mưa với λ = 0.05
Chuyển đổi S tương ứng với Ia = 0.2S sang Ia = 0.05S theo công thức 7.7:
$$S_{0.05} = 1.33 \cdot S_{0.2}^{1.15} = 1.33 \cdot (2.82)^{1.15} = 2.43 \text{ inches}$$
$$Q = \frac{(P – 0.05S)^2}{(P – 0.05S) + S} = \frac{(3.75 – 0.05(2.43))^2}{[3.75 – 0.05(2.43)] + 2.43} = 2.17 \text{ inches}$$
Kết quả ví dụ 7.1
Cả lượng giữ nước tối đa và giá trị dòng chảy do mưa ước lượng đều thấp hơn khi hệ số tổn thất ban đầu bằng 0.05 so với khi bằng 0.2, như đã dự đoán.
7.1.7 Ước lượng giá trị CN cho các mục đích sử dụng đất đô thị
Bảng 7.1 liệt kê các giá trị CN cho nhiều loại hình sử dụng đất đô thị. Với mỗi loại hình, CN được tính toán dựa trên một tỷ lệ phần trăm cụ thể của imperviousness (diện tích không thấm). Ví dụ, CN cho đất thương mại được dựa trên 85% diện tích không thấm.
Các giá trị CN tương ứng cho các tỷ lệ diện tích không thấm khác có thể được tính bằng cách sử dụng phương pháp CN trung bình có trọng số, với CN = 98 cho khu vực không thấm nước và CN của open space (good condition) cho khu vực thấm nước.
Công thức sau đây được sử dụng để tính CN trung bình:
$$\text{CN}_w = \text{CN}_p (1 – f) + f(98) \tag{7.8}$$
trong đó:
- \(text{CN}_w\): Curve number trung bình (weighted CN)
- \(\text{CN}_p\): Curve number cho khu vực thấm nước
- f: Tỷ lệ diện tích không thấm (không thứ nguyên)
Ví dụ với 85% diện tích không thấm (f = 0.85):
- Nhóm đất A: 39(0.15)+98(0.85)=8939(0.15) + 98(0.85) = 89
- Nhóm đất B: 61(0.15)+98(0.85)=9261(0.15) + 98(0.85) = 92
- Nhóm đất C: 74(0.15)+98(0.85)=9474(0.15) + 98(0.85) = 94
- Nhóm đất D: 80(0.15)+98(0.85)=9580(0.15) + 98(0.85) = 95
(Các giá trị này giống với Bảng 7.1.)
Ví dụ khác:
Với khu đất thương mại có 60% diện tích không thấm và nhóm đất B, CN tổ hợp sẽ là: \(\text{CN}_w = 61(0.4) + 98(0.6) = 83\)
Nếu lưu vực có nhiều loại lớp phủ khác nhau, CN tổ hợp toàn lưu vực có thể được tính bằng:
$$\text{Weighted CN} = \frac{\sum \text{CN}_i A_i}{A} \tag{7.9}$$
trong đó:
- \(\text{CN}_i\): Curve number cho loại lớp phủ i
- \(A_i\): Diện tích lớp phủ i
- A: Tổng diện tích
(a) tất cả diện tích không thấm đều kết nối với hệ thống thoát nước mưa, và
(b) một phần diện tích không thấm không kết nối với hệ thống thoát nước mưa.
Mô tả graph:
Biểu đồ phía trên là tập hợp các đường cong thể hiện curve number tổ hợp từ 40 đến 100 theo phần trăm diện tích không thấm kết nối từ 0 đến 100. Các đường biểu diễn curve number của vùng thấm nước tăng tuyến tính khi diện tích không thấm kết nối tăng, mỗi đường bắt đầu tại curve number tương ứng và kết thúc khoảng tại curve number bằng 98.
Biểu đồ phía dưới có hai phần:
- Một phần biểu diễn curve number tổ hợp từ 100 đến 40 và phần trăm tổng diện tích không thấm từ 0 đến 30%; cả hai đều là tỷ lệ diện tích không thấm không kết nối chia cho tổng diện tích không thấm.
- Các đường trong phần curve number tổ hợp thể hiện curve number giảm tuyến tính theo tỷ lệ diện tích không thấm không kết nối so với tổng diện tích không thấm.
- Các đường trong phần tổng diện tích không thấm thể hiện tỷ lệ giảm dần khi tổng diện tích không thấm tăng.
7.1.8 Ảnh hưởng của diện tích không thấm không kết nối đến Curve Number
Nhiều chính sách thoát nước địa phương yêu cầu rằng dòng chảy do mưa từ một số loại lớp phủ đất không thấm nước (ví dụ: mái nhà, đường lái xe, sân lát) phải được dẫn về các bề mặt thấm để thúc đẩy sự thấm nước thay vì được kết nối trực tiếp vào hệ thống thoát nước mưa. Ảnh hưởng của việc tách biệt các bề mặt không thấm khỏi hệ thống thoát nước có thể được tính đến bằng cách điều chỉnh Curve Number.
Ba biến số liên quan đến điều chỉnh là: CN của vùng thấm nước, tỷ lệ diện tích không thấm, và tỷ lệ diện tích không thấm không được kết nối. Vì Hình 7.1a để tính toán các giá trị CN tổ hợp dựa trên CN của vùng thấm và phần trăm diện tích không thấm, nên một hệ số hiệu chỉnh đã được phát triển để tính toán CN tổ hợp. Hệ số hiệu chỉnh là một hàm của phần trăm diện tích không thấm không được kết nối (Hình 7.1b). Việc áp dụng hiệu chỉnh được giới hạn trong các khu vực thoát nước có tỷ lệ diện tích không thấm nhỏ hơn 30%.
Là một phương án thay thế cho Hình 7.1b, curve number tổ hợp \(CN_c\) có thể được tính bằng công thức đối với diện tích không thấm nhỏ hơn hoặc bằng 30% như sau:
$$CN_c = CN_p + \frac{P_i}{100} (98 – CN_p)(1 – 0.5R) \tag{7.10}$$
trong đó:
- \(CN_c\) = Curve number tổ hợp
- \(CN_p\) = Curve number của vùng thấm
- \(P_i\) = Phần trăm diện tích không thấm, tính theo phần trăm
- R = Tỷ lệ diện tích không thấm không được kết nối trên tổng diện tích không thấm
7.2 Mô hình thấm Green-Ampt
Một mô hình tổn thất (loss model) thường được sử dụng khác là mô hình thấm Green-Ampt (Chow et al. 1988, Maidment 1993). Như tên gọi, nó chỉ xét đến quá trình thấm nước và không bao gồm các cơ chế giữ nước ban đầu khác (initial abstraction mechanisms).
Green-Ampt xem xét sự bão hòa của đất và dựa trên một mô hình khái niệm đơn giản về đất như là các hạt rời rạc không đều của các khoáng chất và kích thước khác nhau với các khe rỗng giữa các hạt có thể chứa không khí hoặc nước. Độ rỗng của đất (η) là tỉ lệ giữa thể tích khe rỗng so với tổng thể tích đất:
$$\eta = \frac{V_{\text{voids}}}{V_{\text{total}}} \tag{7.11}$$
trong đó:
- η = Độ rỗng của đất, không thứ nguyên
- \(V_{\text{voids}}\) = Thể tích các khe rỗng trong một thể tích đất xác định
- \(V_{\text{total}}\) = Tổng thể tích đất
Đất được xem là bão hòa khi toàn bộ không gian rỗng trong đất đều chứa đầy nước. Khi nước (ví dụ như từ mưa) có mặt tại bề mặt đất của một lớp đất ban đầu còn tương đối khô, nước sẽ thấm vào đất tại bề mặt và di chuyển xuống dưới do lực hấp dẫn và lực hút mao dẫn trong các khe rỗng. Hình 7.2 trình bày một biểu diễn lý tưởng hóa của quá trình bão hòa đất thông qua thấm. Nếu cường độ mưa cao hơn tốc độ thấm, lớp đất gần bề mặt sẽ trở nên bão hòa. Nước di chuyển xuống qua các khe rỗng, đẩy không khí ra khỏi các khe rỗng và tạo thành một mặt thấm ẩm (wetting front) qua các vùng truyền dẫn và thấm ẩm nơi mà độ ẩm giảm dần theo độ sâu.
Khi có thêm nước tại bề mặt, độ ẩm sẽ tăng lên tại các độ sâu chưa bão hòa, và mặt thấm ẩm tiếp tục dịch chuyển xuống. Tốc độ thấm tại mặt đất sẽ giảm dần theo thời gian khi các khe rỗng được lấp đầy và sẽ đạt đến tốc độ thấm cân bằng (equilibrium infiltration rate – đại diện cho trạng thái truyền nước ổn định theo phương trình Darcy) nếu quá trình thấm tiếp tục diễn ra. Quá trình thấm sẽ tiếp diễn cho đến khi mặt thấm ẩm gặp một lớp chắn không thấm hoặc toàn bộ các khe rỗng được lấp đầy bởi nước.
Mô hình thấm Green-Ampt đơn giản hóa mô hình trong Hình 7.2 bằng cách sử dụng mô hình được thể hiện trong Hình 7.3 bằng cách giả định rằng dòng nước chảy vào các khe rỗng của đất giống như một pit-tông với một mặt thấm ẩm sắc nét di chuyển xuống dưới, làm bão hòa đất khi nó đi qua. Lực hấp dẫn và lực hút mao dẫn điều khiển chuyển động đi xuống của nước. Do đó, độ sâu thấm (tức là độ sâu của nước nằm ngoài các khe rỗng trong đất) phụ thuộc vào không gian rỗng khả dụng trong đất. Dung lượng chứa ẩm khả dụng bên dưới mặt thấm ẩm được mô tả bởi:
$$\Delta \theta = \eta – \theta_i \tag{7.12}$$
trong đó:
- Δθ = Sự chênh lệch giữa độ rỗng và độ ẩm ban đầu, không thứ nguyên
- θi = Độ ẩm ban đầu, không thứ nguyên
- η = Độ rỗng, không thứ nguyên
Độ ẩm ban đầu của đất tại một thời điểm có thể dao động từ một giá trị thấp đại diện cho độ ẩm tồn dư (θr), có thể có sau một đợt hạn hán kéo dài, đến một giá trị rất cao gần với hoặc gần như bão hòa hoàn toàn. Trong trường hợp không có giá trị đo được, người phân tích có thể sử dụng điểm héo (wilting point) của đất để ước lượng độ ẩm ban đầu. Điểm héo là độ ẩm mà dưới ngưỡng đó cây không thể sống sót. Các ấn phẩm của địa phương, tiểu bang hoặc liên bang cho một khu vực cụ thể thường cung cấp giá trị điểm héo cho hầu hết các loại đất phổ biến.
Chuyển động của nước qua các lỗ rỗng trong đất phụ thuộc vào cả độ rỗng và kích thước của các lỗ rỗng. Độ thấm thủy lực của đất, ký hiệu là K, là thước đo khả năng nước chảy qua đất. Độ thấm thủy lực cao nghĩa là nước di chuyển dễ dàng; độ thấm thủy lực thấp nghĩa là có nhiều cản trở hơn đối với chuyển động của nước. Độ thấm thủy lực cũng liên quan đến khoáng chất của các hạt đất, đặc tính điện hóa của chúng với nước, và sự hiện diện của chất hữu cơ.
Tốc độ thấm cho mô hình Green-Ampt được tính bằng công thức:
$$f(t) = K \left[ \frac{\, |\psi + h_0| \, \Delta\theta}{F(t)} + 1 \right] \tag{7.13}$$
trong đó:
- f(t) = Tốc độ thấm tại thời điểm t, đơn vị chiều dài trên thời gian (ví dụ: in/h)
- K = Độ thấm thủy lực, đơn vị chiều dài trên thời gian (ví dụ: in/h)
- Ψ = Độ hút của mặt thấm (đầu hút), đơn vị chiều dài (ví dụ: in)
- h0 = Chiều sâu của nước đọng trên bề mặt đất, đơn vị chiều dài (ví dụ: in)
- F(t) = Lượng thấm tích lũy tại thời điểm “t”, đơn vị chiều dài (ví dụ: in)
Thể tích nước thấm vào đất tại một thời điểm được tính bằng chiều dài L nhân với độ rỗng khả dụng, Δθ. Hiệu giữa độ rỗng và θr được gọi là độ ẩm hiệu dụng, θe. Lượng thấm tích lũy, với h0 được giả định bằng không, được tính bằng:
$$F(t) = Kt + \psi\, \Delta\theta \cdot \ln \left[ \left| 1 + \frac{F(t)}{\psi\, \Delta\theta} \right| \right] \tag{7.14}$$
trong đó:
- F(t) = Lượng thấm tích lũy tại thời điểm “t”, đơn vị chiều dài (ví dụ: in)
- t = Thời gian (ví dụ: giờ)
- K = Độ thấm thủy lực, đơn vị chiều dài trên thời gian (ví dụ: in/h)
- ψ = Độ hút của mặt thấm (đầu hút), đơn vị chiều dài (ví dụ: in)
- Δθ = Độ rỗng khả dụng, không thứ nguyên
Biểu thức này không thể giải được bằng dạng đóng và yêu cầu một phương pháp lặp. Nhiều công cụ máy tính, bao gồm cả các ứng dụng bảng tính phổ biến, có thể giải quyết dễ dàng các bài toán như vậy.
Phương pháp Green-Ampt có thể được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực địa, nếu có. Trong trường hợp không có đo đạc thực tế, các tham số có thể được ước lượng từ dữ liệu đã được công bố. Hệ thống NRCS Web Soil Survey và gSSURGO GIS toolbox đều cung cấp quyền truy cập dễ dàng đến các thông số như độ thấm bão hòa (K), phân loại kết cấu đất, và độ rỗng. Các bảng tra cứu có sẵn liên hệ giữa phân loại kết cấu đất và chiều sâu hút của mặt thấm (ví dụ, Maidment 1993). Dữ liệu nông nghiệp và các cơ quan chuyên môn cung cấp các ước lượng về điểm héo (wilting point).
Để đảm bảo tính nhất quán trong thực hành và hồ sơ nộp từ các nhà phát triển và khách hàng khác, một số cơ quan địa phương như thành phố, quận, khu kiểm soát lũ, và các cơ quan khác yêu cầu sử dụng mô hình Green-Ampt cho các hoạt động trong phạm vi quản lý của họ, và có thể công bố các tham số được khuyến nghị hoặc yêu cầu sử dụng trong phạm vi đó.
7.3 Các mô hình tổn thất khác
Có nhiều mô hình tổn thất khác tồn tại. Một số được điều chỉnh tốt cho mô phỏng theo sự kiện như thường thấy trong thủy văn công trình đường; số khác lại phù hợp hơn với mô phỏng lưu vực dài hạn. Không giống như phương pháp Curve Number của NRCS hoặc mô hình Green-Ampt, việc sử dụng các mô hình tổn thất khác bị hạn chế do thiếu các nghiên cứu phổ biến, tài liệu tham khảo hoặc hướng dẫn định lượng tham số.
7.3.1 Mô hình tổn thất ban đầu / tổn thất hằng số (Initial Abstraction/Constant Loss Model)
Một mô hình đơn giản có thể được điều chỉnh để sử dụng trong thiết kế là Mô hình tổn thất ban đầu và tổn thất hằng số (I-CL model) (USACE 2020). Mô hình này chỉ có hai tham số: một giá trị của tổn thất ban đầu, là ngưỡng độ sâu mưa bên dưới đó không phát sinh dòng chảy do mưa, và một mức tổn thất áp dụng sau khi tổn thất ban đầu được thỏa mãn. Mưa có cường độ lớn hơn mức tổn thất sẽ tạo ra dòng chảy do mưa bằng với chênh lệch giữa cường độ mưa và mức tổn thất. Khi cường độ mưa giảm xuống dưới mức tổn thất, không có dòng chảy do mưa xảy ra.
Mặc dù mô hình I-CL đơn giản và dễ áp dụng, nhưng rất ít thông tin tồn tại về các giá trị sử dụng. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để định lượng tổn thất ban đầu, nhưng rất ít nghiên cứu về mức tổn thất. Một số giáo trình có đề cập đến nhưng không đưa ra khuyến nghị cụ thể. Tuy nhiên, Asquith và Roussel (2007) đã nghiên cứu một bang ở Texas và đề xuất quy trình để thực hiện nghiên cứu cũng như định lượng các giá trị tổn thất ban đầu và hằng số.
Phương pháp chỉ số phi (phi-index) là một trường hợp đặc biệt của mô hình I-CL, trong đó tổn thất được xem là hằng số trong suốt trận mưa. Tức là, tổn thất ban đầu xảy ra cùng tốc độ với tổn thất sau này trong trận mưa.
7.3.2 Mô hình tổn thất hàm mũ (Exponential Loss)
Mô hình tổn thất hàm mũ được tích hợp trong nhiều phần mềm thương mại (USACE 2020) và bao gồm 5 tham số mà hiện có rất ít thông tin. USACE khuyến cáo rằng mô hình tổn thất hàm mũ chỉ nên được sử dụng để phân tích sự kiện và khi có hiệu chỉnh tham số.
7.3.3 Mô hình Smith và Parlange
Mô hình Smith và Parlange cũng được tích hợp trong các phần mềm thương mại (USACE 2020) và bao gồm 8 tham số, trong đó có rất ít thông tin tồn tại. Mô hình Smith-Parlange tương tự mô hình Green-Ampt; việc hiệu chỉnh dựa trên thí nghiệm thấm (infiltrometer) là khả thi.
(nd: tóm tắt 03 mô hình)
Dưới đây là bản tóm tắt và so sánh ba mô hình tổn thất được trình bày trong mục 7.3:
| Tiêu chí | I-CL (Initial & Constant Loss) | Exponential Loss | Smith & Parlange |
|---|---|---|---|
| Số tham số | 2 (tổn thất ban đầu & một mức độ tổn thất hằng số) | 5 | 8 |
| Mức độ phức tạp | Đơn giản | Trung bình | Cao |
| Ứng dụng chính | Thiết kế đơn giản, đặc biệt với đường bộ | Mô phỏng theo sự kiện (event-based) | Giống Green-Ampt, có thể hiệu chỉnh |
| Thông tin tham số sẵn có | Hạn chế (ít tài liệu hướng dẫn) | Rất ít thông tin | Rất ít thông tin |
| Cần hiệu chỉnh thực địa? | Không bắt buộc | Có (USACE khuyến cáo) | Có thể hiệu chỉnh qua infiltrometer |
| Đặc điểm nổi bật | Có thể dùng chỉ số φ (phi-index) như trường hợp đặc biệt | Thường được dùng trong phần mềm | Mô hình nâng cao, mô phỏng chi tiết quá trình thấm |
| Nguồn khuyến nghị | USACE 2020, Asquith & Roussel (2007 – Texas) | USACE 2020 | USACE 2020 |
Ghi chú thêm:
- Mô hình I-CL: Thích hợp cho thiết kế nhanh khi dữ liệu hạn chế. Tuy đơn giản nhưng thiếu hướng dẫn cụ thể về giá trị tham số.
- Mô hình tổn thất hàm mũ: Có tính chất thực nghiệm cao, chỉ nên dùng khi có hiệu chỉnh đáng tin cậy.
- Smith-Parlange: Mô hình chi tiết tương tự Green-Ampt, có thể áp dụng cho nghiên cứu nâng cao hoặc khi dữ liệu thực địa đầy đủ.
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.