Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
Drainage Basin Hydrology and Flood Risk
The basin as an open system. A drainage basin is the area drained by a river and its tributaries, bounded by a watershed. It is an open system because energy and matter cross its boundary. The input is precipitation. The stores are interception on vegetation, surface storage, soil moisture, groundwater in aquifers, and channel storage. The flows are infiltration, percolation, throughflow, groundwater flow, overland flow and channel flow. The outputs are evapotranspiration and river discharge into the sea. Almost every exam answer in this option is built by naming the correct store or flow, so the vocabulary must be exact: infiltration is water entering the soil surface, percolation is water moving deeper into rock, and throughflow is lateral movement within the soil towards the channel.
The water balance. Over a period, precipitation equals runoff plus evapotranspiration plus the change in storage. This single equation lets you answer numerical questions and also explains seasonality: in a temperate winter, low evapotranspiration and full soil stores produce a water surplus and high runoff, while in summer high evapotranspiration draws on soil moisture and produces a deficit, with autumn rain going first to recharge before runoff responds.
Discharge and the storm hydrograph. Discharge is the volume of water passing a point per second, in cubic metres per second, and equals cross-sectional area multiplied by mean velocity. A storm hydrograph plots discharge against time after a rainfall event. Four features are always assessed: lag time, the interval between peak rainfall and peak discharge; peak discharge; the rising limb, whose steepness shows how fast water reaches the channel; and the falling limb, ending in baseflow supplied by groundwater.
What changes the shape. Physical controls: heavy or prolonged rainfall, snowmelt, impermeable geology, steep relief, high drainage density, a circular rather than elongated basin shape, and saturated antecedent conditions all shorten lag time and raise the peak. Human controls: deforestation removes interception and reduces infiltration; urbanisation replaces permeable surfaces with concrete and adds storm drains that deliver water to the channel far faster than natural pathways; channel straightening moves the problem downstream. The same processes that raise the flood peak lower baseflow afterwards, because groundwater is not being recharged.
Lưu vực sông là một hệ thống mở. Lưu vực sông là vùng được tiêu thoát bởi một con sông và các phụ lưu của nó, giới hạn bởi đường phân thuỷ. Nó là hệ thống mở vì cả năng lượng và vật chất đều đi qua ranh giới của nó. Đầu vào là giáng thuỷ. Các kho gồm nước bị chặn giữ trên thảm thực vật, nước đọng mặt, độ ẩm đất, nước ngầm trong tầng chứa nước, và nước trong lòng dẫn. Các dòng gồm thấm, thấm sâu, dòng chảy trong đất, dòng chảy nước ngầm, dòng chảy tràn mặt và dòng chảy trong lòng dẫn. Đầu ra là bốc thoát hơi nước và lưu lượng đổ ra biển. Gần như mọi câu trả lời trong chuyên đề này đều dựng từ việc gọi đúng tên kho hoặc dòng, nên từ vựng phải chính xác: thấm là nước đi qua bề mặt vào đất, thấm sâu là nước đi tiếp xuống tầng đá, còn dòng chảy trong đất là chuyển động ngang trong tầng đất về phía lòng sông.
Cân bằng nước. Trong một khoảng thời gian, giáng thuỷ bằng dòng chảy cộng bốc thoát hơi nước cộng biến đổi lượng trữ. Chỉ một phương trình này đủ để giải các câu hỏi tính toán, và nó cũng giải thích tính mùa: mùa đông ôn đới có bốc thoát hơi thấp và các kho đất đã đầy nên sinh thặng dư nước và dòng chảy cao, trong khi mùa hè bốc thoát hơi mạnh rút vào độ ẩm đất và sinh thâm hụt; mưa mùa thu vì vậy trước hết đi nạp lại các kho rồi dòng chảy mới phản ứng.
Lưu lượng và biểu đồ thuỷ văn cơn bão. Lưu lượng là thể tích nước đi qua một mặt cắt trong một giây, đơn vị mét khối trên giây, và bằng diện tích mặt cắt ướt nhân vận tốc trung bình. Biểu đồ thuỷ văn cơn bão vẽ lưu lượng theo thời gian sau một trận mưa. Bốn đặc trưng luôn bị hỏi: thời gian trễ — khoảng cách từ đỉnh mưa tới đỉnh lưu lượng; đỉnh lũ; nhánh lên, độ dốc của nó cho biết nước tới lòng sông nhanh tới đâu; và nhánh xuống, kết thúc bằng dòng nền do nước ngầm cấp.
Điều gì làm thay đổi hình dạng. Yếu tố tự nhiên: mưa lớn hoặc mưa kéo dài, tuyết tan, nền đá không thấm, địa hình dốc, mật độ lưới sông cao, dạng lưu vực tròn thay vì thuôn dài, và điều kiện ẩm trước đó đã bão hoà — tất cả đều rút ngắn thời gian trễ và nâng đỉnh lũ. Yếu tố con người: phá rừng làm mất lớp chặn giữ và giảm khả năng thấm; đô thị hoá thay bề mặt thấm nước bằng bê tông và bổ sung hệ thống cống dẫn nước tới lòng sông nhanh hơn hẳn các đường dẫn tự nhiên; nắn thẳng lòng dẫn thì đẩy vấn đề xuống hạ lưu. Chính các quá trình làm đỉnh lũ cao hơn lại làm dòng nền sau đó thấp hơn, vì nước ngầm không được nạp.
(a) Tại một mặt cắt, sông rộng 12 m, độ sâu trung bình 2,0 m, vận tốc trung bình 1,5 m/s. Tính lưu lượng.
(b) Một lưu vực nhận 900 mm giáng thuỷ trong năm. Bốc thoát hơi nước là 450 mm và lượng trữ trong lưu vực tăng 50 mm. Tính tổng lượng dòng chảy và hệ số dòng chảy, rồi giải thích hệ số đó nói lên điều gì.
(a) Lưu lượng. Diện tích mặt cắt ướt bằng 12 nhân 2,0 bằng 24 m². Lưu lượng bằng diện tích nhân vận tốc bằng 24 nhân 1,5 bằng 36 m³/s. Lưu ý đơn vị: đây là thể tích trên đơn vị thời gian, không phải vận tốc; viết thiếu "trên giây" là mất điểm đơn vị.
(b) Cân bằng nước. Phương trình là giáng thuỷ bằng dòng chảy cộng bốc thoát hơi cộng biến đổi lượng trữ. Thay số: 900 bằng dòng chảy cộng 450 cộng 50, nên dòng chảy bằng 400 mm. Hệ số dòng chảy bằng 400 chia 900 bằng 0,44, tức khoảng 44% lượng mưa rời lưu vực qua lòng sông.
Hệ số dòng chảy nói lên điều gì. Đây là phần thí sinh hay bỏ trống. Hệ số cao nghĩa là phần lớn lượng mưa đi thẳng ra sông thay vì thấm xuống hoặc bốc hơi, tức lưu vực phản ứng nhanh và mạnh với mưa — đặc trưng của lưu vực đô thị hoá, lưu vực trên nền đá không thấm, hoặc lưu vực dốc và ít rừng. Hệ số thấp nghĩa là nhiều nước bị giữ lại trong đất và trong tầng nước ngầm rồi được giải phóng dần, nên đỉnh lũ thấp hơn và dòng nền mùa kiệt được duy trì tốt hơn. Vì vậy nếu một lưu vực bị đô thị hoá thì hệ số dòng chảy TĂNG trong khi lượng nạp nước ngầm GIẢM — hai thay đổi này luôn đi cùng nhau và nêu được cả hai là cách chắc chắn lấy điểm giải thích.
Dấu của biến đổi lượng trữ. Ở đây lượng trữ tăng 50 mm nên nó nằm bên vế phải cùng dấu dương và làm giảm dòng chảy. Nếu đề cho lượng trữ GIẢM 50 mm — chẳng hạn một năm hạn khi đất và tầng nước ngầm bị rút cạn — thì dòng chảy bằng 900 trừ 450 cộng 50 bằng 500 mm, tức sông vẫn chảy nhiều hơn phần mưa trong năm cho phép, vì nó đang tiêu vào kho dự trữ.
Hai lưu vực có cùng diện tích và nhận cùng một trận mưa. Lưu vực X có đỉnh lũ 180 m³/s với thời gian trễ 4 giờ; lưu vực Y có đỉnh lũ 70 m³/s với thời gian trễ 13 giờ. Giải thích khác biệt, và nêu vì sao dòng nền của X lại thấp hơn Y vào mùa khô.
Bước 1 — mô tả bằng đúng thuật ngữ trước khi giải thích. Lưu vực X có thời gian trễ ngắn hơn 9 giờ, đỉnh lũ cao hơn khoảng 2,6 lần, và do đó nhánh lên dốc hơn nhiều. Nói cách khác, cùng một lượng nước tới lòng sông của X trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều.
Bước 2 — giải thích bằng ĐƯỜNG ĐI của nước, không phải bằng danh sách yếu tố. Ý cốt lõi là mỗi đường dẫn có một tốc độ riêng, và hình dạng biểu đồ chỉ phản ánh tỷ lệ nước đi theo đường nhanh so với đường chậm. Dòng chảy tràn mặt là nhanh nhất, dòng chảy trong đất chậm hơn nhiều, dòng chảy nước ngầm chậm nhất. Ở X, phần lớn lượng mưa đi bằng dòng tràn mặt — nguyên nhân có thể là bề mặt không thấm do đô thị hoá, nền đá không thấm, độ dốc lớn, mất lớp phủ thực vật, hoặc đất đã bão hoà từ trước. Ở Y, tán cây chặn giữ một phần, khả năng thấm cao đưa phần lớn nước vào đất, và nước phải đi bằng dòng chảy trong đất nên tới lòng sông rải đều theo thời gian.
Bước 3 — dạng lưu vực và mật độ lưới sông cũng đáng nêu. Lưu vực dạng tròn cho mọi điểm khoảng cách tới cửa ra gần bằng nhau, nên nước tới cùng lúc và đỉnh lũ cao; lưu vực thuôn dài trải nước tới theo thời gian. Mật độ lưới sông cao rút ngắn quãng đường nước phải đi trên sườn dốc trước khi vào lòng dẫn, nên cũng làm trễ ngắn lại.
Bước 4 — vì sao dòng nền của X thấp hơn vào mùa khô. Đây là phần đảo ngược trực giác và là chỗ lấy điểm cao. Dòng nền được cấp bởi nước ngầm chảy chậm ra lòng sông giữa các đợt mưa. Nếu nước mưa đi bằng dòng tràn mặt thì nó rời lưu vực trong vài giờ và không hề nạp cho tầng chứa nước. Vì vậy lưu vực phản ứng nhanh vừa cho đỉnh lũ cao hơn vừa cho dòng chảy mùa kiệt thấp hơn — cùng một nguyên nhân gây ra cả lũ dữ hơn lẫn hạn nặng hơn, và đó là câu đáng viết trong mọi bài luận về đô thị hoá và thuỷ văn.
Bẫy 2 — dùng lẫn lộn thấm, thấm sâu và dòng chảy trong đất. Thấm là nước qua bề mặt vào đất; thấm sâu là nước đi tiếp từ đất xuống tầng đá; dòng chảy trong đất là chuyển động NGANG trong tầng đất về phía lòng sông. Trong chuyên đề này, điểm được chấm theo việc gọi đúng tên dòng.
Bẫy 3 — chỉ liệt kê yếu tố mà không nói yếu tố đó tác động qua đường dẫn nào. Viết "đô thị hoá làm lũ nặng hơn" không được điểm giải thích; phải viết bề mặt không thấm làm giảm thấm nên tăng tỷ lệ dòng tràn mặt, mà dòng tràn mặt tới lòng sông nhanh hơn dòng chảy trong đất rất nhiều.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Freshwater: Drainage Basins gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.