Keith j. beven

Mô hình hoá mưa-dòng chảy
Phần cơ sở

Biên dịch: Nguyễn Hữu Khải

Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội

1


Rainfall-Runoff Modelling

The Prime

Keith J. Beven
Professor of hydrology and Fluid Dynamics
Lancaster University, UE

John Wiley & Son, LTD
Chichester  New York  Weinheim  Bisbane  Singapore  Toronto

2


Copyright  2001 by John Wiley & Sons Ltd,
Baffias Laae, Chichester,
West Sassex PO19 IUD, England
National 01234 779777
e-mail (for orders and Customer service enquiries): [email protected]

004143340
Bristish Library Cataloguing in Publication Data
A catalogue record for this book is available from the British Library
ISBN 0-471-98553-8
Typeset in 10/12pt Times from the author’s dishs by Laser Works Madras. India
Printed and bound in Great Britain by Bookcraft (bath) Ltd. Midsomer Norton
This book is printed on aicd-free paper responsibly manufacture from sustainable forestry in
which at least two trees are planted for each one used for paper production

3


Lời dẫn
Keith J. Beven là Giáo sư của Trường đại học Tổng hợp Lancaster Vương quốc
Anh. Ông là một chuyên gia rất có uy tín và có rất nhiều công trình nghiên cứu trong
lĩnh vực thuỷ văn và động lực học chất lỏng. Nhiều tác phẩm của ông được đón đọc và
dịch ra ở nhiều nước trên thế giới. Chuyên khảo Mô hình hoá mưa-dòng chảy phần
cơ sở (Rainfall-Runoff Modelling-The primer) của ông được John Wiley & Sons xuất
bản năm 2001 đã tổng hợp các khái niệm, các quan điểm nền tảng về mô hình hoá
mưa-dòng chảy hiện nay và trong cả tương lai. Trong cuốn sách giáo sư đã trình bày
một cách hệ thống các dạng mô hình mưa-dòng chảy từ các quan hệ kinh nghiệm dựa
trên số liệu đến hệ thống các phương trình vật lý mô phỏng quá trình hình thành và
diễn toán dòng chảy từ mưa trên toàn lưu vực trong mô hình tập trung cũng như trên
từng phần tử lưu vực trong mô hình phân bố. Cuốn sách cũng đưa ra các quan điểm và
phương pháp ước lượng thông số mô hình dựa trên khái niệm tương đương và đánh giá
độ bất định, độ nhạy cũng như rủi ro trong dự báo thuỷ văn, một vấn đề mà ở Việt
Nam hiện nay chưa được quan tâm đầy đủ. Cuốn sách đề cập đến vấn đề mô hình hoá
dưới tác động của biến đổi khí hậu, khai thác sử dụng lưu vực cũng như phân tích các
quan điểm lựa chọn mô hình cho các điều kiện lưu vực cụ thể. Kèm theo là một giới
thiệu về một số phần mềm rất có giá trị như mô hình phân bố TOPMODEL, phân tích

2.3. Sự biến đổi của đường đơn vị ................................................................................41
2.4. Các mô hình máy tính số đầu tiên: Mô hình lưu vực Stanford và các phiên bản của
nó..................................................................................................................................45
2.5. Các mô hình dựa trên diễn tả quá trình phân bố.................................................49
2.6. Các mô hình phân bố đơn giản dựa trên các hàm phân bố ..................................52
2.7. Sự phát triển gần đây: Trạng thái hiện thời của kỹ thuật là gì?.........................53
2.8. Các điểm khoá từ chương 2...................................................................................53
Hộp 2.1. Tuyến tính, phi tuyến và dừng .....................................................................54
Hộp 2.2. Mô hình Xinajiang/ Armo/ VIC .....................................................................56

5


Hộp 2.3. Dung tích kiểm tra và các phương trình vi phân .........................................60
Chương 3. Số liệu cho mô hình hoá mưa-dòng chảy...........................62
3.1. Số liệu mưa............................................................................................................62
3.2. Số liệu lưu lượng ...................................................................................................66
3.3. Số liệu khí tượng và ước lượng sự giữ lại và bốc thoát hơi...................................67
3.4. Số liệu khí tượng và ước lượng tuyến tan .............................................................72
3.5. Số liệu khí tượng phân bố trong lưu vực ..............................................................73
3.6. Các biến thuỷ văn khác.........................................................................................73
3.7. Số liệu số hoá độ cao .............................................................................................74
3.8. Hệ thống thông tin địa lý và quản lý số liệu ........................................................77
3.9. Số liệu viễn thám ..................................................................................................79
3.10. Các điểm khoá từ chương 3.................................................................................80
Hộp 3.1. Phương trình liên kết Penman-Monteith và ước lượng cường độ bốc thoát hơi
......................................................................................................................................81
Hộp 3.2. Ước lượng tổn thất giữ lại .............................................................................85
Hộp 3.3. Ước lượng tuyết tan bằng phương pháp độ - ngày........................................88
Chương 4. Dự báo thuỷ đồ sử dụng các mô hình dựa trên số liệu

5.7. Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá lưu vực R5 ở Chichasha, Oklahoma ........155
5.8. Kiểm chứng hoặc đánh giá các mô hình phân bố .................................................158
5.9. Thảo luận về các mô hình phân bố dựa trên các diễn tả quá trình .....................159
5.10. Các điểm khoá từ chương 5.................................................................................160
Hộp 5.1. Các phương trình diễn tả cho dòng chảy sát mặt .........................................161
Hộp 5.2. Ước lượng cường độ thấm ở bề mặt đất.........................................................163
Hộp 5.3. Giải phương trình vi phân đạo hàm riêng: Một số khái niệm cơ bản...........169
Hộp 5.4. Các hàm đặc trưng độ ẩm đất sử dụng trong phương trình Richard ...........174
Hộp 5.5. Các hàm chuyển đổi thổ nhưỡng...................................................................179
Hộp 5.6. Các phương trình diễn tả dòng chảy mặt .....................................................181
Hộp 5.7. Đạo hàm phương trình sóng động học ..........................................................185
Chương 6. Tương tự thuỷ văn và các mô hình Mưa-dòng chảy hàm
phân bố.....................................................................................................................188
6.1. Tương tự thuỷ văn và các đơn vị phản ứng thuỷ văn...........................................188
6.2. Mô hình phân bố xác suất độ ẩm .........................................................................189
6.3. Các mô hình đơn vị phản ứng thuỷ văn ..............................................................191
6.4. TOPMODEL..........................................................................................................196
6.5. Trường hợp nghiên cứu: áp dụng TOPMODEL cho lưu vực Stacterbekker, Na Uy
......................................................................................................................................205
6.6. TOPKAPI ..............................................................................................................209
6.7. Các điểm khoá từ chương 6...................................................................................210
Hộp 6.1. Xem xét mô hình đường cong số SCS............................................................211
Hộp 6.2. Lý thuyết nền tảng TOPMODEL..................................................................217
Chương 7. Ước lượng thông số và độ bất định dự báo.....................227
7.1. Ước lượng thông số và độ bất định dự báo............................................................227

7


7.2. Phân tích độ nhạy và bề mặt phản ứng thông số .................................................229

9.3. Dự báo tác động của biến đổi khí hậu ..................................................................299
9.4. Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá tác động của biến đổi khí hậu đến tần suất
lũ ở lưu vực Wye...........................................................................................................306

8


9.5. Các điển khoá từ chương 9....................................................................................307
Chương 10. Trở lại vấn đề lựa chọn mô hình .........................................309
10.1. Lựa chọn mô hình trong mô hình hóa mưa-dòng chảy như kiểm tra giả thiết..309
10.2. Giá trị của thông tin kỳ trước .............................................................................312
10.3. Vấn đề lưu vực không được đo đạc......................................................................314
10.4. Thay đổi giá trị thông số và độ bất định dự báo.................................................313
10.5. Độ bất định dự báo và kiểm chứng mô hình.......................................................316
10.6. Những bình luận cuối cùng: Một tương lai bất định? ........................................317
Phụ lục A. biểu diễn phần mềm .....................................................................320
A.1. Tfm ......................................................................................................................320
A.2. topmodel .........................................................................................................322
A.3. Phân tích dtm .....................................................................................................324
A.4. glue....................................................................................................................325
Phụ lục B. Giải thích thuật ngữ ..................................................................328
Tài liệu tham khảo .............................................................................................337

9


Lời nói đầu
Những người mẫu đương nhiên là rất đẹp, và một người đàn ông sẽ thực sự hãnh
diện khi được nhân ra trong nhóm của mình. Nhưng bản thân họ cũng tiềm ẩn nhiều
khiếm khuyết. Quan trọng là họ đẹp không chỉ để ngắm mà chúng ta có thể sống hạnh

10


nhau. Đã tiến hành thống kê một danh sách các mô hình sẵn có đã sưu tầm trong
vòng hơn 20 năm trước đây (đã thống kê trong luận án Tiến sĩ). Do đó, thay cho việc
phác thảo hầu hết các đề tài đáng quan tâm đang được khảo sát hiện nay, cố gắng cải
tiến khả năng dự báo thủy văn khi phản ánh hoàn cảnh lịch sử của đối tượng. Điều đó
có nghĩa là người đọc sẽ tìm thấy rất ít dạng mô hình lượng trữ nhận thức được bắt
đầu trong suốt những năm 1960 và vẫn dùng rộng rãi hiện nay, cũng sẽ không tìm
thấy nhiều mô hình cân bằng nước theo tháng. Hy vọng người đọc sẽ nhận thấy rằng
đây là một cuốn sách hướng tới tương lai. Dù vậy cuốn sách có thể chỉ mô tả một cách
lướt nhanh quá trình đã làm, thậm chí chỉ là một vài điểm nhấn đâu đó. Hoạt động
mô hình hoá mưa-dòng chảy đã trở thành một hoạt động chính của các nhà thủy văn
trên thế giới giống như Robin Clarke đã làm điều tương tự với đối tượng kinh tế trong
kỳ lạm phát 25 năm trước đây. Ngày nay số thư mục để báo cáo tiến bộ trong lĩnh vực
này là rất lớn. Để cung cấp một cái nhìn tổng quan của các tài liệu ở mức hoàn hảo là
không có khả năng, nhưng tôi hy vọng cố gắng cung cấp các tài liệu tham khảo trong
các tạp chí gần đây và trước đây để người đọc nghiên cứu nhiều hơn các tài liệu cần
thiết.
Vẫn cần sự tiếp tục và tầm quan trọng của việc mô hình hoá mưa-dòng chảy cho
những vấn đề thực tế của quản lý tài nguyên nước, dự báo lũ, thiết kế kênh, quản lý
ảnh hưởng của các chi lưu trong chất lượng nước, dự báo tai nạn nhiễm bẩn và nhiều
mục đích khác. May thay tình hình thiếu khả năng dự báo chi tiết của đường đi dòng
chảy không hoàn toàn đáng sợ như đã nêu. Với nhiều mục đích thực tế chúng ta không
cần chi tiết quá trong sự phát triển một mô hình dự báo. Hơn nữa nhiều mô hình mưadòng chảy thành công lại tương đối đơn giản. Cuốn sách này dự định như một lời giới
thiệu các mô hình mưa-dòng chảy gần đây dùng để tiến hành dự báo. Điều này sẽ
được thực hiện, tuy nhiên, trong khung cảnh là việc không có khả năng dự báo chi tiết
quá trình dòng chảy, phải nhất thiết có nghĩa là tất cả các mô hình mưa-dòng chảy chỉ
có thể mô tả rất gần đúng quá trình mưa-dòng chảy và như vậy phải được coi là dự
báo không chắc chắn.

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Mike Kirkby. Một thời gian dài trước đây, các bài
giảng của ông khi còn học ở ĐHTH Bristol đã làm tôi hiểu rằng có khả năng để mô
hình hoá các hệ thống thủy văn và hình thái bằng nhận thức đơn giản và phức tạp, và
khởi nguồn của TOPMODEL nằm trong tư tưởng phong phú của ông trong thời gian
tôi làm nghiên cứu sinh ở Leed. Tài năng của ông trong việc thể hiện bản chất của vấn
đề, bằng một tập hợp giả thiết trước đó đơn giản, là cảm hứng có thực, ngay cả khi tôi
cố gắng để hiểu cái gì ông đã nói tới. Tôi hy vọng ông sẽ chấp nhận một số nội dung bổ
xung tiếp sau đây.
Cuối cùng, cuốn sách này dự định giới thiệu các quan điểm mô hình hoá thủy văn
cho thế hệ sinh viên mới và nó được dành cho một đợt đào tạo thực hành chuyên biệt
gần đây. Nếu bằng một cơ hội nào đó của số mệnh Anna có thể đọc và cố gắng hiểu nó.
Tôi hy vọng cô sẽ tìm thấy nó trong một chỉ dẫn rõ ràng và có ích cho các sử dụng cả
hiện tại và tương lai của mô hình mưa-dòng chảy. Nó đã được viết trước hết cho thế hệ
của cô.

12


Chương I
Trở về cơ bản: quá trình dòng chảy
và mô hình hóa quá trình
Như những nhà khoa học, chúng ta bị hấp dẫn bởi khả năng xắp xếp những kiến
thức một cách có trận tự để thể hiện rằng chúng ta hiểu được khoa học cũng như các
hiện tượng tương hỗ phức tạp của nó.
W. M. Kohler, 1969
1.1.Tại sao lại mô hình hoá?
Như đã nhấn mạnh ở lời nói đầu, có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn tới câu
hỏi: tại sao chúng ta cần mô hình hoá quá trình mưa-dòng chảy trong thủy văn.
Nguyên nhân chính là do giới hạn của các kỹ thuật đo đạc thủy văn. Chúng ta không
có khả năng đo mọi thứ mà chúng ta muốn biết về hệ thống thủy văn. Trong thực tế

không chỉ ra các điều đơn giản hoá quan trọng được làm khi phân tích chúng. Họ giới
thiệu các phương trình như thể chúng có ứng dụng ở mọi nơi. Dù sao, chỉ cần rắc một
dung dịch nhuộm đỏ lên bề mặt đất và sau đó đào lên để xem liệu thuốc nhuộm đã
biến đổi màu đất thế nào để thấy rõ giới hạn của lý thuyết thủy văn (hình 1.1). Bất kỳ
lúc nào nghiên cứu chi tiết hướng dòng chảy cũng đưa đến một lĩnh vực mà chúng ta
thấy rất phức tạp. Chúng ta có thể nhận thấy sự phức tạp đó hoàn toàn dễ dàng,
nhưng thực hiện việc mô tả toán học thích hợp để dự báo chúng là rất khó khăn và
thường kéo theo sự đơn giản hoá và gần đúng.
Chương mở đầu này liên quan đến mô hình quan niệm của phản ứng lưu vực như
là giai đoạn đầu của quá trình mô hình hoá. Sự phức tạp này là một nguyên nhân của
vấn đề tại sao không có sự nhất trí chung về chiến lược mô hình hoá quá trình mưadòng chảy. Nhưng sự lựa chọn sự đa dạng và xấp xỉ sẽ được thảo luận trong các
chương sau.

Hình 1.1. Nhuộm bằng thuốc nhuộm trong các khu vực profile đất khác nhau ở Thụy Sĩ sau khi thấm
40mm nước (sau mùa đông 1944). Tái lập từ Nghiên cứu tài nguyên nước, xuất bản của Hội địa vật lý Mỹ.

1.2. Sử dụng cuốn sách này như thế nào?
Điều rõ ràng đã nói ở đầu chương, đây không chỉ là cuốn sách về lý thuyết khác
nhau về mô hình mưa-dòng chảy hiện giờ đang được dùng. Người đọc có thể tìm thấy
một số phương trình liên quan được sử dụng trong nội dung chính của cuốn sách. ở
đây đưa ra một số phát triển lý thuyết, được in trong các hộp cuối các chương có thể bỏ
qua ở lần đọc đầu tiên. Phần lý thuyết cũng được tìm thấy trong nhiều tài liệu tham
khảo đưa vào nhưng cần lựa chọn.
ở đây chứa đựng nhiều hơn một cuốn sách về các quan niệm trong các tiếp cận

14


mô hình hoá khác nhau và phân tích giới hạn của các phần mềm đang được ứng dụng
rộng rãi hiện nay trong dự báo thủy văn. Sự biểu thị các mô hình như những phần

ứng của lưu vực với các điều kiện mưa khác nhau hoặc nói cách khác, là các nhận thức
của bạn về phản ứng đó. Mỗi mô hình giác quan là riêng biệt, nó phụ thuộc vào sự đào
tạo mà nhà thủy văn đã có, các sách và bài báo họ đã đọc, bộ số liệu họ đã phân tích,
lĩnh vực thực tế họ đã có kinh nghiệm trong các môi trường khác nhau. Như vậy có thể
nói rằng mô hình giác quan của các nhà thủy văn sẽ khác nhau.
Đánh giá một mô hình quan niệm (hình 1.2) cho một lưu vực thực tế là rất quan
trọng, bởi vì phải ghi nhớ rằng tất cả các mô tả toán học có thể dùng cho dự báo chắc
chắn là một sự đơn giản hoá của một mô hình quan niệm, trong một số trường hợp là
đơn giản quá mức, nhưng có thể đủ để dự báo chính xác. Việc này có nguyên nhân của

15


nó. Mô hình giác quan không bị gò ép bởi lý thuyết toán học. Nó xuất hiện đầu tiên
trong đầu của mỗi nhà thủy văn và không cần thiết phải viết ra. Chúng ta có thể nắm
được sự phức tạp của quá trình dòng chảy theo một con đường hoàn toàn định tính (ví
dụ xem thí nghiệm hình dung dòng chảy của Flury (1994, hình 1.1)), rằng có thể có các
ý tưởng rất khác nhau để mô tả một ngôn ngữ toán học. Dù sao mô tả toán học là, theo
truyền thống, giai đoạn đầu trong việc hình thành một mô hình dự báo định lượng.
Mô tả toán học này sẽ được gọi là mô hình giác quan của quá trình hay quá trình
được xem xét. ở điểm này, các giả thiết và những thừa nhận để mô tả đơn giản một
quá trình cần được làm rõ ràng. Ví dụ, nhiều mô hình đã căn cứ trên việc sử dụng mô
tả dòng chảy trong đất bằng quy luật Darcy, cho rằng dòng chảy tỷ lệ với gradient của
thế năng thủy lực (xem hộp 5.1). Các đo đạc chỉ ra rằng, thế năng thủy lực trong đất
kết cấu có thể biến đổi đáng kể trên một khoảng cách nhỏ, sao cho nếu luật Darcy
được áp dụng ở phạm vi profile đất hoặc lớn hơn thì nó được thừa nhận ngầm rằng
một số gradient trung bình có thể dùng đặc trưng cho dòng chảy và ảnh hưởng của dòng
chảy ưu tiên qua lỗ hổng lớn trong đất có thể bỏ qua (một ví dụ của các quan trắc trong
hình 1.1)


trình chứa các đầu vào và các biến trạng thái khác nhau. Có các biến xác định hình
học lưu vực như là hằng số trong suốt thời gian mô phỏng thực tế. Lại có biến xác định
điều kiện biên thay đổi trong khi mô phỏng, chẳng hạn như mưa ở các vị trí khác nhau
tại các bước thời gian tính toán. Có biến trạng thái như lượng trữ nước hoặc độ sâu
thay đổi trong thời gian mô phỏng như là kết quả của tính toán mô hình. Có giá trị
ban đầu của biến trạng thái xác định trạng thái của lưu vực khi bắt đầu mô phỏng.
Cuối cùng có các thông số mô hình xác định các đặc tính của lưu vực hoặc lượng dòng
chảy.
Các thông số mô hình có thể bao hàm như độ rỗng và độ dẫn thủy lực của các mức
đất nằm ngang khác nhau trong mô hình phân bố không gian hoặc thời gian lưu giữ
trung bình trong các vùng bão hoà cho mô hình sử dụng biến trạng thái ở quy mô lưu
vực. Chúng thường được coi là không đổi suốt thời kỳ mô phỏng (mặc dù một số thông
số như dung tích trữ giao nhau của lớp phủ thực vật có thể phụ thuộc mạnh vào thời
gian và là quan trọng cho một số ứng dụng). Trong tất cả các trường hợp, thậm chí
chúng được coi là không đổi theo thời gian, cũng không dễ dàng xác định giá trị của
các thông số cho một lưu vực cụ thể. Thực vậy phương pháp chung nhất để hiệu chỉnh
các thông số là sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh giá trị các thông số để thu được sự phù
hợp nhất giữa mô hình tính toán và quan trắc cho một phản ứng lưu vực cụ thể (xem
phần 1.8 và chương 7).
Ngay sau khi các thông số được xác định có thể tiến hành mô phỏng và tính toán
số trị các phản ứng thu được. Giai đoạn tiếp theo là kiểm chứng và đánh giá các tính
toán này. Đánh giá này cũng có thể đưa ra trong khuôn khổ số trị, tính toán một hay
nhiều chỉ số đặc tính của mô hình liên hệ với các quan trắc sẵn có về phản ứng của
dòng chảy. Thường không khó khăn để tìm một mô hình có thể chấp nhận được, thực
tế nếu có thể hiệu chỉnh thông số mô hình bằng cách so sánh với lưu lượng quan trắc,

17


thì hầu hết cấu trúc mô hình có số thông số đủ cho phép phản ứng phù hợp với số liệu.

trưng địa hình, lớp phủ và địa chất khác nhau.
Một trong những vấn đề được hướng tới để có một hiểu biết tổng hợp về hệ thống
thủy văn là hầu hết dòng chảy nằm dưới đất hoặc đá. Khả năng đo đạc và đánh giá
quá trình dòng chảy sát mặt là rất giới hạn. Hầu hết kỹ thuật đo đạc nhắc đến chỉ có
thể ở phạm vi trung bình của máy đo. Khi đặc tính của dòng chảy biến đổi nhanh theo
không gian (và thời gian), quy mô nhỏ của tự nhiên để đo đạc có thể chỉ đưa đến một
bức tranh rất riêng của dòng chảy tự nhiên. Như vậy chắc chắn rằng sự không hiểu
biết về tự nhiên của quá trình dòng sát mặt đưa đến hạn chế các kỹ thuật đo đạc hiện
nay. Cần phải suy luận về quá trình dòng chảy từ những đo đạc có thể. Các suy luận
như thế thêm vào những thông tin cho mô hình quan niệm của phản ứng thủy văn,

18


nhưng chúng chỉ là suy diễn...
Một phương pháp thu được sự hiểu biết tương lai là xem xét một phần của hệ
thống ở mức độ chi tiết hơn. Nhiều nghiên cứu đã phân tích quá trình dòng chảy trong
sườn dốc hoặc bãi nhỏ thực tế hoặc cột đất nguyên vẹn mang trở lại phòng thí nghiệm.
Người ta đã tìm thấy trong nhiều nghiên cứu rằng, điều tra chi tiết sẽ phát hiện sự
phức tạp và đa dạng hơn trong các đường đi của dòng chảy. Sự thật là thêm vào các
dạng khác nhau của thông tin, như sử dụng các dấu hiệu môi trường hoặc nhân tạo.
Hình 1.1 đưa ra một ví dụ tốt về điều này (xem phần 1.5). Như thế sự phức tạp có thể
là một phần của mô hình. Như đã lưu ý ở trên, không nhất thiết mô hình quan niệm
thể hiện nhiều hơn một bộ dấu hiệu định tính, nhưng sự phức tạp chắc chắn gây khó
khăn cho việc chọn các giả thiết để chuyển từ mô hình quan niệm đến một hệ phương
trình xác định mô hình quan niệm. Các chọn lựa phải làm để đơn giản hóa việc mô tả
và như đã thấy, các lựa chọn như thế thường không có một nền tảng tốt trong thực tế
thủy văn.
Tóm lại, có một mô hình quan niệm của một nhà thủy văn học. Nó căn cứ trên một
bộ phác thảo của Beven (1991.a) với một số nhìn nhận dựa trên thí nghiệm bổ sung.

Các đầu vào mưa và tuyết không đều theo không gian, nhưng có thể chỉ ra sự biến
đổi nhanh về cường độ và thể tích trên một khoảng cách tương đối ngắn, đặc biệt trong
các điều kiện đối lưu (Newson 1980, Smith 1996, Goodrich 1997). Sự thay đổi ở mực
nước ngầm sau khi cấu trúc mưa bị ảnh hưởng bởi lớp phủ có thể lớn hơn. Một phần
lượng mưa có thể rơi trực tiếp vào đất như là xuyên trực tiếp. Một phần lượng mưa
khác sẽ bị giữ lại và bốc hơi từ lớp phủ vào không khí. Lượng bốc hơi của nước bị giữ
lại có thể xảy ra thậm chí suốt con lũ, đặc biệt từ lớp phủ nhám, trong điều kiện gió,
khi không khí không bão hòa nước. Sự khác nhau đến 30% giữa mưa tới và mưa xuyên
xuống đã đo được ở lưu vực Địa Trung Hải ngay cả khi mưa lớn (Lloren, 1997). Lượng
mưa còn lại sẽ chảy nhỏ giọt từ lớp phủ thực vật như xuyên qua hoặc chảy xuống các
nhánh, thân và như là dòng chảy từ thân cây. Quá trình sau có thể là quan trọng đối
với một số thực vật vì 10% hoặc nhiều hơn lượng mưa tới lại có thể chảy vào đất như
dòng chảy nhánh, kết quả trong sự tập trung cục bộ của nước ở cường độ cao hơn
nhiều lượng mưa tới. Một số thực vật như ngô có cấu trúc để chuyển nước xuống gốc
theo cách này.
Cường độ tuyết sẽ biến đổi theo cao trình và làm ảnh hưởng đến nhiệt độ không
khí và bức xạ đi vào lớp tuyết. Lượng nước tương đương của khối tuyết có thể biến đổi
đột ngột theo không gian, tính đến hiệu quả của gió thổi trong suốt thời gian tuyết rơi
và sau khi lớp tuyết được hình thành do ảnh hưởng của địa hình và lớp phủ thực vật.
Nhiều lớp tuyết sâu hơn thường tìm thấy trong chỗ khuất gió hoặc đỉnh núi, một đặc
điểm đã được nhắc đến trong lưu vực Rayuols Greek ở Pdero và một vài nơi khác (xem
Bathurst và Cooley,1996, phần 5.3). Điều này cũng có thể ảnh hưởng trở lại trong đó lớp
tuyết sâu hơn có thể mang đến lượng nước lớn hơn cho thực vật, làm cho nó phát triển
nhanh hơn và trong trường hợp của cây cối, lượng tuyết lớn hơn bị cuốn đi theo gió.

20


Ngay khi nước mưa hoặc tuyết chạm tới đất nó sẽ bắt đầu thấm vào mặt đất, loại
trừ trong vùng đất không thấm hoặc trơ đá, trên vùng đất hoàn toàn đóng băng hoặc

Từ lâu đã suy đoán rằng, trong thời gian bề mặt điền trũng được mở rộng, sự giữ
lại không khí và áp suất hình thành bên trong đất có thể có một hiệu quả đáng kể đến
tỷ lệ thấm. Điều này đã được chỉ ra trong phòng thí nghiệm (Wang,1995) và một số
các nghiên cứu khác (Dixon và Linden, 1972). Cũng có thể suy nghĩ là các ảnh hưởng
của áp suất không khí có thể gây ra phản ứng trong mực nước ngầm cục bộ (Linden và
Dixon,1973) và lực nâng khi không khí thoát khỏi bề mặt có thể bắt đầu làm chuyển
động các hạt đất. Sự ngăn cản của không khí sẽ tăng lên bởi sự có mặt của lớp phủ bề
mặt và độ mịn của vật liệu, nhưng hiệu quả của khí áp quan trọng sẽ xuất hiện do yêu
cầu điền trũng trên diện tích quảng canh của bề mặt làm trơn. Trong cánh đồng có bề
mặt không đều (như đống cây cỏ) và sự có mặt của các lỗ rỗng lớn hy vọng có thể hạ
thấp sự hình thành của không khí bị giữ bằng cách cho phép các con đường cục bộ
thoát khí đến bề mặt.
Khi không có lớp phủ, cấu trúc lớp đất nằm dưới và đặc biệt các lỗ rỗng của đất sẽ

21


là sự điều khiển quan trọng cường độ thấm. Vì lưu lượng của dòng chảy tầng trong
kênh hình trụ biến đổi theo luỹ thừa bậc bốn của bán kính, lỗ rỗng lớn hơn và sự rạn
vỡ có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển cường độ thấm (Beven và
German,1951). Dù sao sự rạn vỡ đất và một số lỗ rỗng lớn khác, như các rãnh giun đất
và kiến có thể chỉ mở rộng đến một độ sâu giới hạn sao cho ảnh hưởng của nó đến
thấm có thể bị giới hạn bởi khả năng trữ và thấm vào trong đất nền bao quanh cũng
như cường độ dòng chảy cực đại tiềm năng. Một phác hoạ số liệu dòng chảy trong các
lỗ giun của Ehlers (1975), vẫn còn diễn ra trong lỗ hổng của nó. Một số kênh rễ, giun
và kiến có thể đạt tới độ sâu hàng mét dưới bề mặt. Cây Jarratl ở miền Tây Australia
một lần nữa là một ví dụ rõ rệt.
Dòng chảy tràn cũng có thể xảy ra theo cơ chế vượt bão hoà. Diện tích của đất bão
hoà có khuynh hướng xảy ra trước hết ở nơi có độ hút ẩm đất nhỏ nhất. Đây là vùng
đáy thung long, đặc biệt, các máng trũng thượng lưu ở đó có sự hội tụ dòng chảy và

22


trong dạng của các mối nối và các chỗ rạn nứt có thể cung cấp một đường dẫn dòng
chảy và lượng trữ quan trọng, có hiệu quả duy trì dòng chảy cơ sở trong một thời kỳ
dài. Rất khó để biết được bản chất các con đường như thế. Các đặc điểm bất kỳ thường
được suy ra từ bản chất địa hoá học của dòng chảy cơ sở vì đá gốc có thể cung cấp một
môi trường địa hoá khác nhau và trong một thời gian dài duy trì có thể cho phép các
phản ứng phong hoá cung cấp một số hoá chất nồng độ cao hơn (xem ví dụ trong
nghiên cứu của Meal, 1997, ở trong lưu vực nghiên cứu Plynlimonxu Walt).
Có một khả năng thú vị liên hệ với hệ thống đứt gãy đầy nước hoạt động như một
hệ thống bơm, truyền ảnh hưởng của sự làm đầy rất nhanh. Nhớ rằng, nếu nước được
bơm thêm vào một đầu của ống đầy nước sẽ có một lượng ra tức thời ở đầu kia, bất kỳ
độ dài ống như thế nào và thậm chí tốc độ dòng chảy trong ống khá thấp. Nguyên
nhân là sự truyền ảnh hưởng áp suất của lượng nước bơm vào là nhanh hơn nhiều tốc
độ dòng nước. Hiệu ứng thế chỗ như thế là một sự giải thích cho phản ứng sát mặt
nhanh chóng với lượng mưa (xem phần sau).
Mô hình quan niệm phác hoạ về việc miêu tả một phổ rộng khả năng phản ứng
thủy văn có thể xảy ra trong các môi trường khác nhau hoặc thậm chí, trong các phần
khác nhau của cùng một lưu vực trong các thời điểm khác nhau. Theo truyền thống
thường có sự khác biệt giữa các khái niệm khác nhau về phản ứng lưu vực căn cứ trên
sự ưu thế của một số quá trình so với các quá trình khác, ví dụ, mô hình Horton, trong
đó dòng chảy được tạo thành bởi cơ chế vượt thấm tất cả trên sườn dốc (hình 4.4.a). Mô
hình này được đặt tên Robert E.Horton (1875-1945), một nhà thuỷ văn nổi tiếng người
Mỹ (ông có thể là nhà thuỷ văn hiện đại duy nhất mà có một thác nước mang tên
mình), người đã làm việc vừa như một nhà khoa học thủy văn vừa như một nhà tư
vấn. Chắc ông không nghĩ rằng có thể có được sự nhất trí rộng rãi như vậy về quan
điểm vượt thấm. Mặc dù thường xuyên sử dụng quan điểm vượt thấm như là một
phương pháp tính toán tổng lượng dòng chảy từ mưa (Horton 1933), ông cũng có một
phòng thí nghiệm thủy văn trong khu vườn của mình ở Voorheesville, bang Newyork

xu hướng từ lòng dẫn và trải rộng lên trên. Mô hình diện tích từng phần (hình 1.4b)
cho phép khái quát hoá khái niệm của Horton, mà sự thay đổi tốc độ dòng chảy tràn
và sự không đồng nhất của đặc trưng đất và cường độ thấm là quan trọng trong việc
điều khiển phản ứng diện tích từng phần. Nếu dòng chảy tạo thành trên một phần của

24


dốc chảy vào vùng có khả năng thấm cao hơn, nó sẽ bị tiêu hao (quá trình liên tục).
Nếu cường độ mưa cao sinh dòng chảy tràn trong một thời gian ngắn, khi đó cũng có
khả năng nước sẽ thấm trước khi nó chảy vào các đoạn suối nhỏ hoặc sông gần nhất.
Bergkamp (1988), xác định bằng một số thực nghiệm ở bãi đất nhỏ với lượng mưa
nhân tạo có cường độ 70mm/h-1 khoảng cách chuyển động trung bình của dòng chảy
tràn là 1m.
Một dạng khác của phản ứng diện tích từng phần được phát hiện bởi các nghiên
cứu trong môi trường khác của Dunne và Bleek (1970) ở Vermont. Dòng chảy bề mặt
được quan trắc, ở trong đất với khả năng thấm cao. Dòng chảy bề mặt có được từ cơ
chế vượt bão hoà (hình 1.4c), một dạng của phản ứng đã được nghiên cứu trước đó bởi
Cappees (1960) (nhưng công bố bằng tiếng Pháp và chỉ mới phát hiện gần đây).

Hình 1.5. Quá trình ưu thế của phản ứng sườn dốc với mưa (Dunne 1978).

Bốn khái quát hoá chính này là các tập hợp con của mô hình quan niệm chung
hơn được phác hoạ trước đây. Bây giờ chúng ta biết rằng vượt thấm, vượt bão hoà,
hoặc phản ứng sát mặt, tất cả có thể xảy ra trong cùng một lưu vực ở những thời điểm
và vị trí khác nhau trong những điều kiện kỳ trước hoặc đặc tính đất hoặc cường độ
mưa khác nhau. Thêm nữa, cơ chế mưa vượt thấm có thể xảy ra bên trong đất ở nơi
đứt gãy thấm, có thể kết hợp với một biên nằm ngang. Điều này có thể đưa đến việc
tạo thành nước ngầm trên mặt và thậm chí làm bão hoà bề mặt của đất không bão hòa
ở rất sâu (hình 1.4e, Weymen (1970). Các cố gắng được thực hiện để thảo luận cơ chế