Chương Sự giữ nước lưu vực 3.1 Giới thiệu định nghĩa Khi giáng thủy rơi xuống bề mặt có thực vật, có phần rơi tới bề mặt đất phía Một phần lượng mưa bị chặn lại thân thảm thực vật chứa tạm thời bề mặt chúng Một tất lượng nước bay lại vào khí không tham gia vào thành phần vòng tuần hoàn thủy văn Quá trình đặt tên tổn thất bị giữ lại (interception loss) Lượng nước lại tới bề mặt đất tạo thành lượng mưa thực (net rainfall) (Hình 3.1) Phần chủ yếu lượng mưa bao gồm lượng mưa xuyên qua gồm những giọt mưa rơi xuyên qua khoảng trống tán nước nhỏ xuống từ lá, cành thân ướt xuống mặt đất; lượng nước thường thường nhỏ nhiều chảy thành dòng nhỏ dọc cành nhánh theo thân xuống mặt đất gọi dòng chảy chảy theo cành (stemflow) Một khu rừng có lớp phủ bụi mà thân có chặn nước thành phần stemflow Một lớp đống rác mặt đất chặn lại nước Quá trình giữ nước quan trọng số nguyên nhân sau Thứ nhất, lượng mưa thực bên tán thường nhỏ lượng mưa tổng cộng (gross rainfall) rơi xuống phần tán Trong số trường hợp, tổn thất giữ nước lớn có ảnh hưởng đáng kể đến cân nước Thứ hai, kết qua tán nên biến thiên theo không gian lượng mưa thực lớn nhiều so với lượng mưa tổng cộng Lượng mưa xuyên qua nước chảy nhỏ giọt tích tụ rìa tán cây, lúc tích tụ lại giọt nước sát với thân dòng chảy theo cành thường đưa đến giá trị lớn thấm bổ sung độ ẩm cho đất chí khởi đầu dòng chảy lạch nhỏ bề mặt Thứ ba, di chuyển lượng mưa qua tán thực vật làm tăng biến đổi kích thước giọt nước Điều liên quan tới xói mòn đất dẫn đến thay đổi đáng kể thành phần hóa học nước (xem chương 8) Sự giữ nước trình bày chương riêng biệt với chương bốc (chương 4) chóng cã cïng b¶n chÊt vËt lý, tỉn thÊt chỈn n­íc chØ cã thĨ xt hiƯn tán thảm thực vật bị ẩm ướt Lượng giữ phụ thuộc nhiều vào biến đổi lượng mưa hạn ngắn thời đoạn mưa cá biệt khoảng thời gian khô hạn trận mưa 3.2 Sự chặn nước cân nước Do tiến triển gần hiểu biết chế kiểm soát bốc thoát từ thực vật mà vai trò chặn nước cân 68 nước lưu vực đà tương đối sáng tỏ Trong nhiều năm đà có hai quan điểm trái ngược Một quan điểm cho tổn thất chặn nước ảnh hưởng thực tế đến cán cân nước lưu vực quan điểm cho làm giảm giá trị đầu vào thực làm giảm bớt bổ sung nước cho đất dòng sông Hình 3.1 Tổn thất bị chặn nước (l) định nghĩa hiệu số lượng giáng thủy tổng cộng (P) lượng mưa thực (N) Lượng mưa thực hình thành lượng mưa xuyên qua (T) dòng chảy qua thân cành (S) Mặc dù có chứng đáng kể chứng minh lượng giáng thủy thực tế phía rừng nhỏ nhiều so với vùng đất trống (ví dụ Horton, 1919) không chắn tổn thất nước bị chặn nước cho thấy tăng rõ ràng bốc Một điều gây tranh luận tổn thất chặn nước cân giảm tương ứng lượng nước mà thảm thực vật hút lên (lượng nước ngừng lại tán ướt) Trong trường hợp đó, tác động tổng cộng lên cân nước trung hòa nhỏ bỏ qua Đến tầm quan trọng chặn nước đà nhận thức rộng rÃi nhiều trình bày phần tham khảo ngắn ngủi số sách thủy văn công trình gần (ví dụ Shaw, 1994; Hornberger cộng sự, 1998) Tuy nhiên, chương quan trọng chặn nước thủy văn học Giả thuyết nhấn mạnh tổn thất chặn nước bay thời gian lượng định lượng thực Năng lượng sử dụng để làm bốc nước (thoát hơi) để bốc nước bề mặt (interception) Do đó, chặn nước phần cân giảm lượng thoát (sẽ xuất trời không mưa) (Rutter, 1968) Những thí nghiệm trước thân cỏ cách sử dụng thẩm kế cân (McMillan Burgy, 1960) cho thấy khác biệt bốc tán ướt thoát cỏ không bị ướt cung cấp mét l­ỵng n­íc thÝch hỵp Hä kÕt ln r»ng tỉn thất giữ nước cân giảm tương ứng thoát Vì tổn thất giữ nước khác bốc thêm vào lượng thoát có (nếu có) ảnh hưởng ®Õn 69 c©n b»ng n­íc cđa mét l­u vùc Theo phép ngoại suy thấy tình tương tự xảy khu rừng khó để xác minh thực nghiệm Giả thuyết ảnh hưởng trung gian rõ ràng đà làm tăng thêm tin tưởng đáng kể thông qua lập luận tài liệu công nhận bốc Penman Ông người đà khẳng định rằng: lượng tiêu hao hết để loại bỏ lượng nước bị chặn lại, lượng lượng tương tự tiêu hao để loại bỏ hết lượng nước thoát (Pennan, 1963) Tuy nhiên, chứng cho thấy câu trả lời hoàn thiện Những nghiên cứu lưu vực châu Âu nước Mỹ rừng giảm dòng chảy sông tổng cộng có liên quan ®Õn ®ång cá (Engler, 1919; Bates vµ Henry, 1928; Keller, 1988; Swank Crossley, 1988) Điều giải thích theo nhiều cách khác sai số thực nghiệm, rừng có khả giữ lại lượng nước lớn từ mặt đất thảm thực vật thấp thời gian ®Êt thiÕu n­íc Mét b­íc tiÕn qut ®Þnh nhËn thức đưa Law (1958) Tây Bắc nước Anh người nghiên cứu cân nước thẩm kế nhỏ tự nhiên đặt rừng vân sam Những đo đạc bao gồm lượng mưa tổng cộng lượng mưa thực với tiêu nước Lượng nước dùng hàng năm (mưa tổng trừ lượng nước tiêu đi) lớn 50% so với lượng nước dùng ghi lại máy đo ngấm n­íc cã cá bao phđ hay ë l­u vùc cã cỏ bao phủ gần Hơn lượng nước mà rừng sử dụng dường lớn đáng kể so với giá trị lượng xạ thực cung cấp cho trình bốc Kết miêu tả sinh động chặn nước, giống thoát mà giá trị tổn thất thực nước (sẽ bổ sung cho đất nước ngầm cho dòng sông chặn nước) Những câu hỏi chủ yếu cần trả lời trình bốc từ bề mặt Èm ­ít cđa th¶m phđ thùc vËt cã thĨ x¶y với tốc độ lớn đáng kể so với thoát từ bề mặt không bị ướt hay không trình bốc đáng kể nước bị chặn lại xảy trường hợp mà tốc độ thoát nhỏ không đáng kể hay không chẳng hạn từ thảm thực vật chết bị ướt mùa đông, ban đêm Những câu trả lời khẳng định cho câu hỏi yêu cầu lý giải nguồn gốc lượng cho tổn thất bốc phụ thêm vào trình bốc Bằng chứng tích lũy lại cách nhanh chóng năm 60 (phần lớn vïng cã rõng) nh»m đng mét kÕt ln lµ nước bị chặn lại bốc nhanh nhiều so với nước thoát phần lớn tổn thất chặn nước kết tổn thất phụ thêm cán cân nước lưu vùc Rutter (1963) ph¸t hiƯn r»ng tỉn thÊt bốc từ cành ướt vượt tổn thất từ cành không bị ướt nước qua trình thoát Những thí nghiƯm hiƯn thùc h¬n cđa Rutter (1963; 1967), Patric (1966), Helvey (1967) Leyton người khác, (1967) cho thấy suốt thời kỳ mùa đông, tổn thất nước bị chặn lại vượt đáng kể tốc độ thoát điều kiện môi trường Những kết nghiên cứu cho lưu vực nhỏ đà cho thấy tăng thêm đáng kể lượng nước loại bỏ thảm thực vật (Hewlett Miner, 1961; Hibbert, 1967) lượng nước bị giảm chuyển đổi từ rừng rộng sang rừng thông (Swank Miner, 1968), phần lớn kết ảnh hưởng chặn nước Sau kết hợp phân tích lý thuyết thu thập số liệu đà 70 xác nhận rầng giáng thủy bị chặn lại thảm thực vật bốc với tốc độ lớn thoát từ loại thảm thực vật điều kiện (Murphy vàKnoerr, 1975) chênh lệch khoảng 2-3 lần (Singh Szeicz,1979) lần tốc độ thoát (Stewart Thom, 1973) Singh Szeicz (1979) Stewart (1977) đà kết luận: 68% chặn nước ánh sáng ban ngày phần thêm vào cho thoát (ví dụ 32% bù lại thoát hơi) Pearce cộng (1980) nhận thấy tính toán tổn thất nước thêm vào tồn bốc với tốc độ lớn vào ban đêm lượng nước bị chặn lại tổn thất nước bị chặn lại thực tế tới 84% lượng nước bị chặn tổng cộng Hơn nữa, theo quan trắc Pearce cộng (1980), tổn thất nước bị chặn lại thực tế tăng lên tỷ lệ thời đoạn mưa ban đêm với lượng mưa tăng lên Điều có nghĩa nhiều khu vực có lượng mưa lớn, đặc biệt vùng khí hậu hải dương - nơi 1/2 mưa xuất vào ban đêm, tầm quan trọng chặn nước tổn thất bốc cường độ tổn thất thực đề cao liên quan đến khu vực mà mưa bị chi phối hoạt động đối lưu ban ngày Trong điều kiện cụ thể, nhân tố khác gây tổn thất chặn nước thực thêm vào Ví dụ: số vùng, thoát bị giới hạn hiệu lực giữ nước lượng gây bốc Khi việc tăng lượng nước sắn có, chặn nước tăng tổn thất nước tổng cộng lưu vực Sự bay nước bị chặn lại thực vật tầng rác tất nhiên tương ứng với tổn thất chặn nước thực (McMillan Burgy, 1960), nhân tố liên quan đến trường hợp khả trữ chặn nước rút hết thông qua trình bay Lượng trữ tổn thất chặn nước đà Zinke (1967) đánh giá giữ vai trò quan trọng việc tác ®éng ®Õn c©n b»ng n­íc cđa l­u vùc Sù lý giải đầu tiên/chủ yếu cho tốc độ bốc lớn bề mặt thực vật ướt đặc biệt từ tán ẩm ướt khu rừng liên quan tới tầm quan trọng tương đối hai lực cản tán thảm thực vật áp đặt lên dòng nước vào khí phía Điều thảo luận chi tiÕt h¬n ch­¬ng mèi quan hƯ với phương trình Penman-Monteith dùng để tính toán bốc Trong phạm vi có khả nhận thấy sức cản bề mặt sức cản sinh lý, thực vật áp đặt tán thảm thực vật lên trình di chuyển nước qua thoát sức cản khí động lực phép đo sức cản sinh nước chuyển động tách khỏi bề mặt thảm thực vật chẳng hạn bề mặt bốc ẩm ướt vào lớp khí xung quanh Trong điều kiện khô hạn, tán rừng có có sức cản bề mặt lớn không đáng kể so với cỏ thực vật bậc thấp hơn, bề mặt thực vật ẩm ướt, sức cản thực tế bỏ qua giảm xuống đến tất dạng thực vật (Calder, 1979) Sức cản khí động lực phụ thuộc vào độ nhám bề mặt thảm thực vật (thường cối có xu hướng lớn đáng kể so với cỏ) Sức cản dòng trường hợp bề mặt thảm thực vật ẩm ướt nhỏ so với bề mặt khô tương đối thấp trường hợp rừng so sánh với thân cỏ thực vật thấp khác Những tán nhám khí động học khu rừng tạo nên xáo trộn hiệu khí động học dòng khí mà dòng khí lại nguyên nhân tạo nên chế vận chuyển có ảnh hưởng lớn đến nước Năng lượng thêm vào để trì tốc độ cao tổn thất bốc có ảnh 71 hưởng lớn sức cản khí ®éng häc ®èi víi th¶m thùc vËt Èm ­ít xem quy cho lượng bình lưu Năng lượng liên quan tới chuyển động theo phương ngang lượng khí (đối lập với đối lưu chuyển động theo phương thẳng đứng) Rutter (1967) điều kiện tán ẩm ướt, tổn thất bốc không bị kiểm soát chủ yếu cân xạ tán bị ướt Nó làm nhiệm vụ bồn tiếp nhận lượng bình lưu từ không khí Quan trọng ông Rutter đà nhận thấy nước bị chặn lại bốc hơi, tán lạnh không khí xung quanh gradient nhiệt độ sinh đủ để sinh dòng nhiệt cung cấp cho lượng thiếu hụt Giả thuyết sau củng cố số nghiên cứu chđ u vỊ khu vùc cã rõng (vÝ dơ Stewart Thom, 1973; Thom Oliver, 1977), đà thảo luận kỹ lưỡng đến mức định mà nhận thức lượng đối lưu bắt nguồn từ lượng nhiệt không khí qua tán thực vật (Stewart, 1977; Singh Szeicz, 1979) từ lượng nhiệt trữ tán thảm thực vật (Moore, 1976) Stewart (1977) đà quan trắc gradient âm nhiệt độ gradient dương nước điều kiện ẩm ướt tán Từ quan trắc ông đo đạc bốc với b­íc thêi gian 20 vµ nhËn thÊy 70% cđa thời gian bốc vượt xạ thực, lượng thêm vào bắt nguồn từ không khí qua bầu trời Những chứng thêm vai trò lượng bình lưu lượng dự trữ việc đẩy mạnh bốc tán ẩm ướt đưa Pearce người khác (1980) (người củng cố/xác nhận dấu hiệu tốc độ bay nhanh vào ban đêm nguồn lượng khác) Về việc này, cần ý nghiên cứu Singh Szeicz (1979) Stewart (1977) tiến hành khu vực rừng tương đối nhỏ bao quanh đất nông nghiệp nơi mà bình lưu quy mô lớn lượng dư thừa xảy Tuy nhiên, trường hợp khu rõng rÊt réng lín vÝ dơ nh­ th¶m phđ thùc vật Canada lưu vực Amazon - nơi rừng trải dài hàng trăm km, lượng dư thõa h¬n cã thĨ cã khu vùc réng lín bị ẩm ướt Tuy nhiên khoanh vùng lại, tình trạng ướt mưa dông cho phép giải phóng nhiệt nhạy từ vùng khô xúc tiến mạnh trình bốc khu vực ướt Sự mô trình trao đổi lượng khí bề mặt thảm thực vật Murphy Knoerr (1975) cho thấy điều kiện thích hợp, thay đổi cán cân xạ có vai trò quan trọng Họ nhận thấy ảnh hưởng tổng hợp chặn nước lên cân lượng khu vực rừng tăng lên trình trao đổi ẩn nhiệt tiêu hao xạ sóng dài trao đổi nhiệt nhạy cảm mà tăng nhiệt biến đổi theo độ ẩm tương đối tốc độ gió Kết họ đưa kết luận bốc tăng cường nước bị chặn lại cã thĨ xt hiƯn ë nh÷ng khu rõng cã quy mô lớn nơi bình lưu theo phương ngang không đáng kể Gần tiến mô mưa thiết bị đo đạc khác đà cho phép tiến hành nghiên cứu tỉ mỉ loại khác thảm phủ thực vật bao gồm thân cỏ trồng nông nghiệp Finney (1984) đà nghiên cứu tỉ mỉ đường hạt mưa rơi cải Bruxen, củ cải đường 72 khoai tây, tức chúng rơi cây, đặc tính chúng giữ nguyên không đổi Lượng nước bị chặn lại chuyển thành dòng nước men theo cành Lượng nước bị chặn lại kết hợp thành khối, sau rơi xuống dạng nhỏ giọt; bị chặn lại bị vỡ tan va chạm với thảm thực vật sau chuyển thành giọt nhỏ Ông nhËn thÊy thùc vËt tr­ëng thµnh vµ diƯn tÝch chặn nước chúng tăng lên lượng nước xuyên qua tán giảm xuống kèm theo với tăng lên dòng nước theo cành dòng nhỏ giọt từ giảm nhỏ tượng đất bị ướt ngoại trừ điểm nhỏ giọt xuống Những thí nghiệm mô mưa với bụi thân cỏ cho thấy cách mà cấu trúc cây, với dÃy hội tụ nã, trùc tiÕp chỈn n­íc m­a vỊ phÝa tËp trung bụi đám cỏ De Ploey (1982) đà xác định dòng chảy theo cành đóng vai trò trình hình thành dòng chảy sườn dốc với thảm thực vật giống thảo nguyên 3.3 Đo đạc giữ nước Phương pháp phổ biến để đo đạc tổn thất chặn nước (I) tính toán hiệu số lượng giáng thủy phía lớp phủ thực vật (P) lượng giáng thđy thùc phÝa d­íi t¸n l¸ cđa chóng bao gåm lượng mưa xuyên qua (T) dòng chảy theo thân (S) Do đó: I=PTS (3.1) Do khó khăn việc lắp đặt thiết bị phía tán thực vật, nên phương pháp sử dụng nhiều rừng lớp phủ thấp Lượng mưa xuyên qua đo đạc việc sử dụng máy đo phễu rÃnh đặt bên tán rừng dòng chảy qua thân cành thu thập máng nước gắn xung quanh chu vi thân dẫn vào bình chứa Thế đà có số rắc rối phát sinh: Người ta đà nhận thấy lượng mưa xuyên qua phụ thuộc vào mức độ tán bao phủ số diện tích (leaf area index LAI) tức diện tích bề mặt (chỉ tính mặt)/ diện tích tán nhô ra; cối loại rụng hay không rụng lá; phẳng bề mặt Hình dạng định hướng tập trung lượng mưa xuyên qua vào điểm chảy nhỏ giọt Stemflow bị chi phối hướng cành độ gồ ghề vỏ Thông thường, giáng thủy tổng cộng đo đạc khu vực trống điều có vấn đề ảnh hưởng độ nhám khí động lực lớp phủ thực vật phần thu nhận vũ kế mực tán (xem mục 2.4.1) Thêm có khó khăn việc lấy mẫu bị chi phối biến đổi lớn theo không gian lượng mưa xuyên qua stemflow khu rừng nhiệt đới (Jackson, 1975) Những nghiên cứu gần rừng rậm Amazon (Lloyd Marques, 1988) đà khám phá tầm quan trọng vÊn ®Ị lÊy mÉu sù tËp trung cơc bé đáng kể lượng nước xuyên qua tán điểm chảy nhỏ giọt (Hình 3.2) Những đánh giá trước tổn thất chặn nước khu rừng nhiệt đới gặp sai số kết việc không lấy đủ mẫu theo không gian (Bruijnzeel, 1990) nhiều nghiên cứu trước đà không hiểu đầy đủ biến thiên lớn theo không gian nước mưa xuyên qua tán 73 đòi hỏi phải có số lượng lớn máy đo đặt địa điểm ngẫu nhiên, di chuyển thường xuyên để có đánh giá xác Hình 3.2 So sánh lượng mưa xuyên qua thu mạng lưới vũ kế thể phần trăm lượng mưa tỉng céng cho (a) rõng m­a nhiƯt ®íi, (b) rõng ôn đới (Lloyd Marques, 1988) Dòng chảy theo thân đo đạc máng nước dẻo gắn xung quanh thân dẫn nước vào thiết bị chứa nước Mặc dù có nhiều nghiên cứu trước bỏ qua dòng chảy theo thân nh­ng hiƯn chóng ta ®· biÕt nã cã ý nghĩa cho loài định, đặc biệt quan träng cho viƯc nghiªn cøu hãa häc n­íc nång ®é chÊt tan cao cđa nã Cã mét sè chứng cho thấy tuổi tăng dòng chảy theo thân giảm phần lượng mưa tổng cộng (ví dụ Johnson, 1990) Kết phần vỏ trở nên nhám bao phủ rêu địa y phần cành già cỗi có xu hướng dốc Một phương pháp thỏa đáng việc đo đạc lượng mưa thực sử dụng vũ kế lớn - loại thu thập lượng mưa xuyên qua dòng chảy theo thân (Calder Rosier, 1976; Hall Hopkins, 1997) ViƯc vËn hµnh mét vị kÕ tÊm lín dễ dàng vận hành số lượng lớn vũ kế đo lượng mưa xuyên qua dòng chảy theo thân Nó cho giá trị trung bình diện tích tin cậy có chứng địa điểm có mưa xuyên qua cao gần với địa điểm có mưa xuyên qua thấp việc quan trắc địa điểm gần kề lợi phụ thêm (Calder, 1998) Tuy nhiên, việc sử dụng lớn không thích hợp 74 nơi thông tin cần biến thiên theo không gian lượng mưa thực, trường hợp nghiên cứu bổ sung độ ẩm đất, xói mòn chất lượng nước Trong chúng làm việc hiệu với khu rừng trồng trẻ rậm rạp, vũ kế lớn khó giải loại rừng khác; thí dụ chúng không thích hợp nơi thảm thực vật rậm rạp, nơi cối cách xa phải lớn Hơn nữa, yêu cầu đo đạc thời gian dài, tồn ảnh hưởng đến tán việc cắt đứt nguồn cung cấp lượng mưa thực rác rơi xuống mặt đất Những nghiên cứu chặn nước thân cỏ thảm thực vật bậc thấp khác khó khăn nhiều mà chúng kỹ thuật khác có khả thực Ví dụ thẩm kế cân nhỏ sử dụng để đo đạc tổn thất bốc từ bề mặt ẩm ướt thạch nam (Hall, 1985; 1987), cần thận trọng để ngăn chặn giai đoạn tổn thất thoát Corbett Crouse (1968) đà phát minh phương pháp để đo đạc tổn thất chặn nước cỏ việc chèn vào vòng đệm kim loại có đường kính 25 cm vào đất, để phủ phía mặt đất cho đất bên vòng kim loại đóng kín cách phết vào nhũ tương mủ loại không làm ảnh hưởng đến phát triển cỏ Một ống dẫn bên cạnh vòng dẫn lượng mưa xuyên qua dòng chảy theo thân đến bình chứa Những hướng tiếp cận cân nước đà sử dụng để đo đạc gián tiếp ®é lín cđa tỉn thÊt chỈn n­íc Mét sè nghiên cứu sử dụng bồn thu nước nhỏ để đưa đánh giá quy mô lớn tổn thất chặn nước Ví dụ: Swank Miner (1968) nhận thấy ảnh hưởng việc chuyển đổi rừng rộng trưởng thành thành thông trắng phương Đông hai lưu vực thực nghiệm phía Nam Appalachians giảm dòng chảy sông gần 100 mm sau 10 năm Vì phần lớn lượng nước giảm xảy mùa đông, nên quy chủ yếu tổn thất chặn nước thông không rụng lớn rộng rụng Sự tăng lượng nước, phần lớn ảnh hưởng chặn nước, đưa Pillsbury cộng (1962) Hibbert (1971) sau chuyển đổi từ bụi chaparan sang cỏ Cuối cùng, có phạm vi các hướng nghiên cứu để xác định khả trữ chặn nước thành phần riêng lẻ Cách đơn giản vẽ biểu đồ lượng mưa xuyên qua lượng mưa tổng cộng (Leyton cộng sự, 1967), lắp vỏ bọc bên điểm lượng mưa xuyên qua Đường kẻ tạo thành phần mặt phẳng âm bị chắn trục lượng mưa xuyên qua thể khả trữ tán Tuy nhiên, số liệu thường có phân bố lớn phân bố chu trình ẩm khô trận mưa thay đổi lớn điều kiện thực nghiệm Vỏ bọc có xu hướng làm cho kết thiên điểm có sai số theo hướng Thêm vào có tính chất chủ quan việc loại trừ dông/trận bÃo nhỏ mà có tình trạng ẩm ướt không hoàn toàn tán Vì có tổn thất chặn nước nên đo đạc lượng trữ tán khả trữ biểu diễn tương đương độ sâu (thường mm) đơn vị diện tích đất không giống với độ dầy vật lý lớp màng nước tán Bảng 3.1 Những giá trị đặc trưng khả chặn nước mưa tán loại thảm thực vật khác nhau, biểu diễn chiều sâu nước tương đương khu vực phát triển thảm thực vật (phỏng theo số liệu Rutter 75 cộng sự, 1975; Shuttleworth, 1989; Zinke, 1967; Hall, 1985) Th¶m thùc vËt Khả trữ tán S (mm) Rơi xuống tự p (tỷ lệ) Lá kim: Cây rụng lá: Cây trăn Cây sồi Rừng nhiệt đới 1.05 1.5 1.7 1.2 Mọc 1.0 0.85 Không 0.65 0.3 1.1a – 4.9b 0.25 0.25 0.05 0.09 Mäc l¸ 0.35 0.45 Không 0.55 0.80 0.08 Cây thạch nam 1.1 0.13 Cây thân cỏ 1.3 Rừng nhiệt đới giá trị S tối ưu hóa (a) mô hình Rutter, (b) mô hình ngẫu nhiên Những hướng tiếp cận trực tiếp bao gồm làm ướt thảm thực vật đo đạc thay đổi sau khối lượng nước bay Cách thực với thảm thực vật thấp cách sử dụng thẩm kế cân (Calder cộng sự, 1984) cho cối việc cân cành suy rộng cho toàn (Rutter, 1963; Crockford Richardson, 1990) Herwitz (1985) đà xác định khả trữ chặn nước bề mặt rừng mưa nhiệt đới cách sử dụng thiết bị mô mưa khả trữ chặn nước thân bề mặt gỗ cách ngâm mảnh vỏ dung dịch nước Ông kết hợp số liệu với đo đạc số diện tích/khu vực cây, tính toán với giúp đỡ ảnh hàng không tỷ lệ lớn chØ sè diƯn tÝch cã rõng (WAI) Nh­ lµ diƯn tích bề mặt có rừng/diện tích tán lá, để xác định khả trữ tổng cộng chặn nước Ông nhận thấy giá trị khả trữ từ 2-8 mm, giá trị cao nhiều so với giá trị 1-2 mm thường thấy phương pháp situ áp dụng cho vùng rừng ôn đới (Bảng 3.1) Teklehaimanot Jarvis (1991) miêu tả việc chặt treo thân xà đỡ xịt nước lên theo dõi thay đổi khối lượng nã theo thêi gian Calder cïng c¸c céng sù (1984) sử dụng thẩm kế cân để nghiên cứu đặc tính chặn nước thảm thực vật có chiều cao trung bình thạch nam Cảm biến từ xa sử dụng để đo đạc tức khắc lượng nước giữ lại toàn tán rừng Calder Wright (1986) đà dùng suy giảm xạ gamma Một thiết bị phát thu treo hai tháp cách 40 m nâng lên hạ xuống phép chùm tia quét qua tầng khác tán Tuy nhiên, lý an toàn, cách sử dụng cho quan trắc dài hạn người theo dõi 3.4 Những nhân tố tác động đến tổn thất chặn nước thảm thực vật 76 Nếu mưa rơi xuống tán thảm thực vật khô tổn thất chặn nước thường lớn lúc bắt đầu trận mưa giảm theo thời gian Quá trình phản ánh phần lớn thay đổi trạng thái lượng trữ chặn nước (interception storage) thảm phủ thực vật, tức khả bề mặt thảm thực vật việc thu nhận giữ lại giáng thủy rơi xuống Đầu tiên, tất cành nhỏ hay thân khô, lượng trữ trống, khả trữ chặn nước lớn phần lớn lượng giáng thủy bị ngăn cản rơi xuống mặt đất Khi trở nên ẩm ướt hơn, khối lượng nước cuối vượt sức căng bề mặt mà nhờ chúng giữ lại sau giọt mưa thêm vào gần hoàn toàn bù lại giọt nước rơi xuống từ cạnh thấp Nó câu chuyện tưởng tượng mà dựa ý nghĩa phổ biến rõ ràng khả chặn nước cối lớn thảm thực vật thấp thân cỏ Vậy mà bảng 3.1 lại cho thấy khả trữ tán giống thực tế khả số thân cỏ lớn số rừng Tuy nhiên, đà nêu mục 3.5.2, tổn thất chặn nước cỏ dĩ nhiên không lớn rừng Cần phải ghi nhớ ngưng tụ hình thành giọt nước mưa khí cao không thiết có nghĩa không khí gần mặt đất bÃo hòa Một lượng nước đáng kể bốc từ bề mặt suốt trận mưa, khả trữ nước bị chặn ban đầu đà bị choán hết chỗ, có chặn lại lượng tương đối không đổi giáng thủy rơi xuống để thực tổn thất bốc Thực vậy, trận mưa kéo dài, tổn thÊt chỈn n­íc cã thĨ cã quan hƯ chỈt chẽ với tốc độ bay hơi, mà nhân tố khí tượng ảnh hưởng sau có liên quan đến thảo luận Trong mưa rơi, tốc độ gió nhân tố có ý nghĩa thực quan trọng Những điều kiện khác giữ nguyên không đổi, bay có xu hướng tăng với tốc độ gió, kết lµ st thêi kú m­a kÐo dµi, tỉn thÊt chặn nước có gió lớn điều kiện lặng gió Tuy nhiên, quan trắc thích hợp trận mưa thời đoạn ngắn thời gian tốc độ gió lớn làm giảm khả trữ chặn nước thông qua việc đưa sớm nước khỏi bề mặt thảm thực vật phần ảnh hưởng nhiều đến tổn thất bốc 77 tần số mưa, tức tần số tình trạng làm ẩm ướt lại có khả có tầm quan trọng đáng kể thời đoạn lượng mưa Tổn thất chặn nước bị tác động loại giáng thủy bao gồm phân bố kích thước giọt nước mưa đặc biệt tương phản mưa tuyết (sẽ nói đầy đủ phần sau) Một nhân tố quan trọng mà xứng đáng nói đến riêng rẽ biến đổi tổn thất chặn nước với loại hình thái khác lớp phủ thực vât 3.5 Những tổn thất chặn nước loại thảm thực vật khác Trên sở thảo luận trước hoàn toàn bình thường tổn thất chặn nước vị trí khác thay đổi tương ứng với khác biệt đặc điểm thảm thực vật giáng thủy Những ảnh hưởng thảm thực vật có quan hệ với khác biệt khả trữ chặn nước loại thảm thực vật độ nhám khí động lực quan hệ sức cản khí động lực tốc độ trình bay từ bề mặt ẩm ướt thảm thực vật Theo thuật ngữ khái quát, tổn thất chặn nước lớn thảm thực vật rậm rạp hơn, thảm thực vật cao khí hậu ẩm ướt Những đặc điểm quan trọng giáng thủy thời đoạn, tần số cường độ loại giáng thủy (lỏng hay rắn) (đà đề cập riêng mục 3.7) Bởi phức tạp trình chặn nước mối quan hệ qua lại nhân tố thảm thực vật nhân tố khí tượng mà định độ lớn tổn thất chặn nước, nên thường khó khăn để đưa so sánh chắn số liệu đà công bố tổn thất chặn nước Tuy nhiên rõ ràng phần lớn trường hợp, tổn thất chặn nước lớn thân cỏ hay nông nghiệp nguyên nhân cho việc thay đổi với ®iỊu kiƯn khÝ t­ỵng VÝ dơ, ë miỊn nói n­íc Anh nơi mưa thường có thời đoạn dài cường độ nhỏ bề mặt thảm thực vật ẩm ướt thời gian đáng kể, tổn thất bôc từ lớn Nguyên nhân tăng tốc độ bốc điều kiện ẩm ướt (hay chặn nước) độ nhám khí động học lớn, khả trữ chặn nước cao chúng (Calder, 1979) Tỷ lệ chặn nước có hình nón ë miỊn nói n­íc Anh th­êng lµ 30 - 35% tổng lượng mưa khí hậu hải dương với trận mưa thời đoạn dài cường độ nhỏ Những tổn thất giá trị cao giới nguyên nhân mà khối lượng đáng kể nghiên cứu chặn nước rừng tiến hành nước Anh Tuy nhiên, điều kiện khác vai trò khả trữ chặn nước việc xác định khác biệt tổn thất chặn nước cỏ quan trọng nhiều Đây trường hợp có mưa thường xuyên tồn thời gian ngắn với khô hạn nhanh trận mưa Giá trị tổn thất chặn nước thảm phủ thực vật nêu mục phải giải thích rõ tốt ánh sáng trọn vẹn số liệu đo đạc điều kiện thời tiết Ví dụ, số trường hợp đo đạc dòng chảy qua thân cành cây, trường hợp khác thành phần công nhận tức thời nhiều trường hợp dường hoàn toàn bỏ qua Mặt khác liệu trình bày tài liệu, đặc biệt đề 79 cập đến lượng, thời đoạn, tần số, cường độ loại giáng thủy, tất loại cần thõa nhËn mét sù hiĨu cã ý nghÜa cđa sè liƯu sau: 3.5.1 Rõng Trong nhiỊu tr­êng hỵp, dï cho thực tế mật độ rừng rụng dày rừng kim, phần chủ u cđa b»ng chøng thùc nghiƯm cho thÊy nh÷ng tỉn thất chặn nước lớn rừng kim Xem xÐt l¹i mét ph¹m vi réng lín sè liệu Nga, châu Âu Mỹ, Rakhmanov (1966) cho rừng kim với rừng thưa rừng cấm bÃi than bùn địa hình đầm lầy, chặn lượng trung bình khoảng 25 - 35% lượng giáng thủy hàng năm so với 15 - 25% khu rừng rộng Những giá trị tương tự chặn nước rừng kim nước Anh đưa Calder (1990) tài liệu châu Âu gần dùng cho rừng rộng rụng cho biết giá trị tổn thất từ 10 - 30% (IH, 1998) Đối với rừng xanh hỗn tạp South Island, New Zealand, tổn thất chặn nước trung bình khoảng 29% (Pearce người khác, 1982) Sự tương phản giưa rừng rộng rừng kim minh họa hình 3.4 Cả hai loại rừng cho thấy giảm bớt tầm quan trọng tương đối tổn thất chặn nước lượng mưa tăng lên toàn vùng lượng mưa tổng cộng, tổn thất chặn nước rừng kim lớn rõ ràng Một nguyên nhân tương phản giọt nước bám sát để rời khỏi kim chúng có xu hướng chảy rộng rơi xuống hay chảy xuống cành nhánh Cây kim đặc trưng có khả trữ chặn nước khoảng 1-2 mm, rộng có giá trị mm (Harding cộng sự, 1992) Cũng có khả kết cấu mở nhọn cho phép lưu thông không khí tự trình bốc lượng ẩm giữ lại nhanh Những tổn thất chặn nước phụ thuộc vào số nhân tố bao gồm tuổi cấu trúc rừng Teklehaimanot cộng (1991) tầm quan trọng khoảng cách Tổn thất chặn nước giảm từ 33% xuống 9% lượng mưa khoảng cách vân sam Sitka tăng từ lên m Sự biến đổi lớn vị trị rộng hình 3.4 cã thĨ lµ chóng bao gåm nhiỊu loµi hỗn tạp với tuổi khác thảm thực vật có tầng biến đổi; ngược lại nơi có kim thường tuổi, trồng đơn loài Những đánh giá chặn nước rừng nhiệt đới hay thay đổi, khó khăn cđa viƯc lÊy mÉu theo kh«ng gian nh­ng th­êng thÊp nhiều so với đánh giá thu rừng ôn đới Điều nguyên nhân chính: Phần lớn trận mưa vùng nhiệt đới sinh dông đối lưu cường độ mạnh, thời đoạn ngắn Những hạt nước lớn có hiệu việc làm ướt tán so với hạt nước nhỏ Lá rừng mưa nhiệt đới thường có đầu mút để nước chảy nhỏ giọt mà để tập trung lượng mưa xuyên qua (rơi xuống dạng giọt nước to) 80 Hình 3.4 Tỷ lệ chặn nước hàng năm rừng kim rừng rộng (IH, 1998) Những đánh giá gần tổn thất chặn nước bao gồm 9% (Lloyd cộng sự, 1988) 12% (Ubarana, 1996) cho rõng m­a ë Brazil vµ 21% cho rừng tái sinh Indonesia (Calder cộng sự, 1986), Asdak cộng (1998a) tuyên bố tổn thất 11% rừng nguyên thủy chưa khai thác (~ 580 cây/ha) 6,2% rừng đà khai thác (~ 250 cây/ha) miỊn Trung Indonesia B¶ng 3.2 cho thÊy tỉn thÊt chặn nước hàng năm tiêu biểu bốn loại rừng Bảng 3.2 Những giá trị tiêu biểu tổn thất chặn nước hàng năm (% giáng thủy) loại rừng khác (dựa theo số liệu Calder, 1990; Hall cộng sự, 1992; IH, 1998) Loại rừng Lá kim miền núi Lá rộng Rừng nhiệt đới Cây bạch đàn Chặn nước hàng năm (%) 30 – 35 15 – 25 10 – 15 – 15 Liên quan đến tương phản theo mùa, tỷ lệ phần trăm chặn nước vào mùa đông mùa hè rừng kim không rụng giống Hình 3.5 cho thấy địa điểm miền Bắc nước Anh, tổn thất mùa đông vân sam cao tổn thất mùa hè (Law, 1958) Ngược lại, người trông đợi có khác biệt rõ ràng theo mùa tổn thất chặn nước rụng lá, lớn thời kỳ đầy Trong phê bình/bài báo tài liệu đà công bố cho số loài rộng, Hall Roberts (1990) cho thấy giá trị trung vị khả tán 0.8 mm (mọc lá) 0.6 mm (không có lá) Lull (1964) hình vẽ mọc lá, tổn thất chặn nước rừng rộng phương Bắc rừng aspen-birch 15 10 %, không tổn thất nửa: 4% Tương tự, Carlisle cộng (1965) nhận thấy tổn thất sồi gần 17% thêi kú sinh tr­ëng mïa hÌ so víi díi 10 % thời kỳ Tuy nhiên, Raynolds Henderson (1967) tìm khác biệt không lớn theo mùa tổn thất chặn nước rụng Kết gây ngạc nhiên biểu thị số nhân tố Cường độ mưa cao mùa hè dông đối lưu hạ thấp tổn thất chặn nước Cũng 81 hoàn toàn bình thường độ nhám khí động học rừng phải thay đổi, lớn vào mùa đông trơ trụi, làm tăng tốc độ bay Thứ ba, đà trình bày mục 3.7, chặn tuyết mùa đông làm tổn thất tăng cao Hình 3.5 Tổn thất chặn nước theo mùa vân sam xanh (theo biểu đồ gốc Law, 1958) Một khía cạnh quang trọng tổn thất chặn nước khu vực có rừng trình xuất tầng lớp phủ thực vật Giáng thủy bị chặn lại tán phía cao; phần lượng mưa xuyên qua sau bị chặn tiếp tục tầng thấp tầng bụi mặt đất Chúng ta hiểu biết tương đối tầm quan trọng chặn nước thứ cấp tốc độ gió nhỏ khoảng không gian thân có nghĩa tốc độ bay thấp Nó có xu hướng tăng với lượng mưa trận mưa nhỏ, lượng mưa xuyên qua xuất qua tán lá, ngược lại trận mưa kéo dài, lượng mưa xuyên qua trận mưa dông nặng hạt lấp đầy khả trữ chặn nước tầng thấp tầng bụi mặt đất 3.5.2 Cây thân cỏ bụi Diện tích tổng cộng lớp phủ liên tục cỏ hay bụi trưởng thành gần tương tự với diện tÝch l¸ tỉng céng cđa mét khu rõng cã t¸n khép kín, kết khả trữ chặn nước có độ lớn tương tự mùa sinh trưởng tối đa Do sức cản khí động lực lớn mùa sinh trưởng ngắn nên tổn thất chặn nước tổng cộng hàng năm thân cỏ tương đối nhỏ tổn thất rừng rộng rụng Hơn nữa, khu vực mà cỏ cắt làm cỏ khô hay thức ăn gia súc bị chăn thả mức, tổn thất chặn nước bị giảm nhiều Kittredge (1948) nhận thấy California, loài cỏ yên tĩnh chặn 26% 826 mm lượng mưa theo mùa, Missouri, cỏ xanh chặn 17% lượng mưa tháng trước gặt (Musgrave, 1938) Trong hai trường hợp dòng chảy theo thân Những công trình Corbett Crouse (1968), lượng mưa xuyên qua dòng chảy theo thân đo đạc, cho thấy tổn thất chặn nước hàng năm cỏ dứa miền Nam California trung bình khoảng 8% Tổn thất chặn nước lớp phủ bụi chaparan trưởng thành phía Nam California trung bình khoảng 13% lượng giáng thủy hàng năm Những thí nghiệm chặn nước với thảm phủ thực vật bị chặt lượng nhỏ nhân tạo đà cho 82 kết khác Ngược lại, khu vực ôn đới ẩm có mưa thường xuyên, chẳng hạn khu vực Tây Âu gần biển, chặn nước đóng vai trò tổn thất bay cỏ cao, lượng chắn nhỏ nhiều so víi tỉn thÊt chỈn n­íc cđa rõng Sè liệu chặn nước thảo mộc bụi che phủ thạch nam vùng đất mọc đầy thạch nam Châu Âu thiếu (Leyton cộng sự, 1967) Đây thiếu sót quan trọng việc trồng gây rừng khu vực sinh lợi cho việc đánh giá chặn nước thạch nam Những đo đạc vũ kế đặt thạch nam lớn Scotland (Aranda Coutts, 1963), cho thấy trung bình 55% lượng giáng thủy xuyên qua tán Mặc dù đo đạc stemflow họ nhận thấy đáng kể cấu trúc nhiều cành nhánh Những nghiên cứu Viện thủy văn (Hall, 1985, 1987; Wallace cộng sự, 1982) cho thÊy thêi kú Èm ­ít, tỉn thÊt chặn nước thạch nam dường cao nhiều so với cỏ Tuy nhiên, giai đoạn khô hạn, tổn thất thoát thạch nam lại nhỏ đáng kể so với cỏ, kết vùng có lượng mưa hàng năm vừa phải (~1500 mm) tăng tổn thất chặn nước để làm đối trọng với giảm trình thoát hơi, khu vực có lượng mưa lớn, tổn thất chặn nước chiếm ưu khu vực khô hạn ngược lại 3.5.3 Cây trồng nông nghiệp Hơn nữa, số liệu tổn thất chặn nước trồng nông nghiệp so với số liệu khu vực có rừng Hình 3.6 cho thấy chặn nước ngũ cốc, đỗ tương yến mạch ban đầu tăng với tăng mật độ trồng Tuy nhiên, sau đà đạt lớp phủ định tăng lên sau chặn nước nhỏ, cho thấy chặn nước trung bình yến mạch, đậu tương ngũ cốc chín 23, 35 40-50% Vì phép đo tiến hành dòng chảy qua thân cành nên số bị giảm lượng thích hợp để miêu tả tổn thất chặn nước thực Những quan trắc khác mùa phát triển loại trồng cho thấy tổn thất chặn nước tương ứng khoảng 7, 15 16% tổng lượng mưa (Lull, 1964) Nh÷ng thÝ nghiƯm cđa ng­êi Nga cho thÊy chặn nước bột mì xuân thời kỳ sinh tr­ëng t­¬ng tù hay nhá h¬n mét chót so với rừng mọc thời đoạn, khoảng từ 11 đến 19% tổng lượng giáng thủy (Kontorshchikov Eremina, 1963) 83 Hình 3.6 Tổn thất chặn nước trồng nông nghiệp với tăng mật độ trồng (dựa theo số liệu Woollny trích dẫn Baver, 1956) 3.6 Mô hình hóa chặn nước Mặc dù việc đo đạc tổn thất chặn nước trực tiếp đơn giản nhiều so với thu thập số liệu khí hậu thảm thực vật cần thiết để mô hình hóa tổn thất chặn nước, việc mô hình hóa có nhiều lợi Đầu tiên, cung cấp cách ®Ĩ tỉng kÕt; thø hai nã cho phÐp nh÷ng kÕt nghiên cứu nơi ngoại suy sang khu vực khác thứ ba giúp hiểu rõ cấu bên trình Nhiều phương pháp khác để mô hình hóa tổn thất chặn nước đà phát triển phức tạp trình chặn nước khó khăn việc thành lập giá trị xác cho thành phần nhân tố ảnh hưởng (ví dụ khả trữ cành tán cây, tốc độ chảy nhỏ giọt, stemflow, sức cản khí động học, tốc độ bay v.v ) phần lớn mô hình mắc phải khái quát đơn giản hóa đòi hỏi cao rộng lớn số liệu việc xử lý số liệu Những mô hình đơn giản mô hình kết hợp chặt chẽ biểu diễn kinh nghiệm, dựa hồi quy mà liên hệ tổn thất chặn nước với lượng giáng thủy tổng cộng Horton (1919) người ®­a ®Ị xt r»ng ®èi víi nh÷ng trËn b·o mà làm ướt đẫm tán thảm thực vật, tỉn thÊt chỈn n­íc (I) sÏ b»ng tỉng cđa tổn thất bốc nước bị chặn trận mưa lượng nước bị giữ lại tán lúc kết thúc trận bÃo (mà lượng sau bị bốc hơi)\ t I= Edt S (3.2) E tốc độ bốc nước bị chặn lại, t thời đoạn trận mưa S khả trữ chặn nước tán lá, thuật ngữ mà có số nhầm lẫn tài liệu lượng nước lại tán điều kiện bay hơi, sau trận mưa nhỏ giọt đà ngừng lại, tức lượng cần thiết nhỏ để bao phủ toàn thảm thực vật Điều khác so với sử dụng ví dụ Herwitz (1985), để biểu thị khả trữ lớn tán thảm thực vật 84 Phương trình (3.2) làm phức tạp cách coi bay riêng lẻ trước sau tán đà ướt đẫm để chuyển thành t' I= t  Edt   Edt  S t' (3.3) t thời gian để tán ướt đẫm Mặc dù Horton (1919) đà nhận thấy phương trình (3.2) hợp lý ông kết ln r»ng thùc tiƠn th­êng thn tiƯn h¬n nÕu hợp lượng giáng thủy thời đoạn giáng thủy Do đó, có nhiều mô hình kinh nghiệm tổn thất chặn nước mà có dạng tổng quát: I = a.P + b (3.4) Trong P lượng mưa tổng cộng tán thảm thực vật a, b hệ số rút từ thực nghiệm Phương trình (3.4) sử dụng để mô tả liệu trận bÃo riêng biệt để mô tả tổn thất chặn nước hàng ngày hàm lượng mưa tổng cộng hàng ngày thõa nhËn r»ng chØ cã mét trËn m­a mét ngµy (Gash, 1979) Merriam (1960) hợp biểu thức dạng hàm mũ để tính đến gia tăng lượng trữ quan trắc với tăng giáng thủy:   P  I  S 1  exp     ET  S   (3.5) E tốc độ bốc trung bình trËn m­a, vµ T lµ thêi gian cđa trËn mưa Jackson (1975) đà kiểm nghiệm vài mô hình nhận thấy đường cong bán logarit phù hợp với số liệu ông rừng nhiệt đới mô hình khác, kết làm, I = a + b.lnP+ c.lnT (3.6) ®ã a, b c hệ số kinh nghiệm P tốc độ mưa trung bình trận mưa Những phân tích hữu ích mô hình đơn giản chẳng hạn đưa Zinke (1967), Jackson (1975), Gash (1979) Massman (1983) Họ nhấn mạnh mô hình dễ sử dụng chúng lúc cho kết định lượng vừa ý hệ số nhận håi quy dùa vµo mét bé sè liƯu thĨ kết kinh nghiệm không đắn thảm phủ thực vật tương tự vị trí khác Những mô hình dựa lập luận vật lý có xu hướng giảm đến mức tối thiểu điểm yếu mô hình kinh nghiệm thường đòi hỏi đầu vào liệu thường xuyên (ví dụ giờ) tốc độ mưa lượng mưa xuyên qua ước lượng khí tượng trình bay Có thể khắt khe mô hình loại phát triển Jack Rutter, mô hình giải phương trình cân nước thảm thực vật phương pháp số Mô hình mô tả Rutter cộng (1971) sau phức tạp tổng quát hóa (Rutter cộng sự, 1971) nhờ kết công trình nghiên cứu rừng rộng rừng kim Lượng mưa bị chặn lại thêm 85 vào phần dự trữ mà sau hết trình bay hơi, chảy nhỏ giọt tiêu thoát nước Tốc độ bay chảy nhỏ giọt thừa nhận thay đổi theo lượng nước tán mô hình thiết kế để tính toán cân liên tục/di động lượng mưa, lượng mưa xuyên qua được, bốc thay đổi lượng trữ tán cành Sự bay từ bề mặt ẩm ướt thảm thực vật tạo nên tổn thất chặn nước Tốc độ lượng nước vào tán (1 p).R (3.7) R tốc độ mưa p phần lượng mưa rơi xuyên qua chỗ trống tán Mô hình thừa nhận độ dày lớp nước giữ lại tán thực vật (C) vượt khả trữ (S) bay xảy với tốc độ tiềm năng, Ep cho phương trình Penman-Monteith (xem mục 4.6.3) Đối với tán ẩm chưa bÃo hòa (tức C < S) phương trình giảm cân xứng C E Ep S (3.8) Sau đó, mối quan hệ Hancock Crowther (1979) cung cấp thêm ủng hộ nhờ quan trắc Shuttleworth (1978) đưa mô tả hợp lý mặt lý thuyết Tốc độ tiêu thoát nước nhỏ giọt từ tán thừa nhận có quan hệ hàm logarit với mức độ bÃo hòa tán D D ' e bc (3.9) D b thông số phụ thuộc vào đặc tính điều kiện khí tượng, suy từ quan trắc mô tả Rutter Morton (1977) Vì phương trình dự báo chảy nhỏ giọt bé liên tục từ tán khô nên biểu thức khác đà đưa (ví dụ Calder, 1977; Massman, 1980) Khả trữ hệ thống cành/nhánh (St) coi bổ sung phần không đổi lượng mưa mà bị làm chệch hướng sang phần bên hệ thống cành mà thoát xuống thân Khi khả trữ đà hoàn toàn lấp đầy, bốc tiềm từ chỗ dự trữ xảy với tốc độ có quan hệ tuyến tính với phương trình Penman-Monteith Khi độ dày lớp nước cành thân (Ct) nhỏ khả St tổn thất bốc từ chúng bị giảm xuống thêm nưa theo tỷ lệ (Ct/St) Ngược lại với biểu diễn cho nhỏ nước từ tán lá, thoát nước từ cành thân khả trữ thừa nhận Mô hình kiểm nghiệm dựa vào tổn thất chặn nước quan trắc từ kiểu rừng bao gồm loài rộng rụng kim không rụng (Rutter cộng sự, 1975) cho hiệu mô vừa ý (Hình 3.7) Nó áp dụng thành công cho số liệu khác (ví dụ Calder, 1977; Gash Morton, 1978) 86 Hình 3.7 Những phù hợp hồi quy tuyến tính tổn thất ngăn giữ nước mặt quan trắc mô hình hóa cho loại rừng Độ lệch chuẩn bên phải cuối đường (Theo đồ thị gốc Rutter cộng sự, 1975, Nhà xuất Blackwell Scientific) Tuy nhiên, mô hình Rutter yêu cầu nhiều số liệu, bước thời gian ngắn sử dụng phức tạp Kết thường dùng cho mục đích nghiên cứu Hơn nữa, dựa việc tuân theo cán cân nước liên tục, nên sai số có thĨ tÝch tơ l¹i theo thêi gian (Calder, 1998) Mét hướng tiếp cận khác kết hợp phương trình cân khối lượng theo phép giải tích Trong tài liệu phương pháp sử dụng rộng rÃi vừa ý phương pháp giải tích phát triển Gash (1979) Mặc dù có số giả định đơn giản hóa, giữ nhiều lập luận theo quy luật tự nhiên mô hình Rutter phức tạp Mô hình Gash tính toán tổn thất chặn nước dựa tảng storm-by-storm xác định cách riêng rẽ nhân tố khí tượng sinh học kiểm soát tổn thất chặn nước để đưa cấu kết ngoại suy dễ dàng cho khu vực khác Những giả định đơn giản hóa (Gash, 1979): Phân bố mưa kết loạt dông riêng biệt, tách rời khoảng thời gian đủ dài tán thân khô Những điều kiện khí tượng tương tự thịnh hành thời gian làm ướt tán dông; Không có nhỏ giọt từ tán trình làm ướt vòng 30 phút cuối trận mưa lượng trữ tán giảm xuống giá trị thấp cần thiết cho bÃo hòa Một chuỗi dông chia thành n dông mà làm ướt tán đến độ bÃo hòa m không làm tán đạt đến độ bÃo hòa Một cách đơn giản hóa, tổn thất chặn nước tổng cộng trình bốc tán bÃo hòa (trong phương trình 3.3) lµ: 87 t  E I     Edt  ( P  P' )  n.S R n dông (3.10a) E R tốc độ độ mưa bốc trung bình P lượng mưa cần thiết để làm bÃo hòa tán Tổn thất chặn nước trình làm ướt tán đến độ bÃo hòa là: I = n(1 p pt).P ns n dông (3.10b) p phần lượng mưa rơi xuyên qua tán mà không đâm vào bề mặt pt phần hướng phía thân để tạo thành stemflow Tổn thất chặn nước m dông nhỏ không đủ để làm bÃo hòa tán là: I = (1 p pt).P m dông (3.11) Tổn thất chặn nước từ thân q dông mà làm đầy lượng trữ thân cây, St, là: I = q St q dông (3.12a) Và dông không làm đầy, tổn thất là: I = pt.P n + m - q dông (3.12b) Tổn thất chặn nước tổng cộng sau quy định cách tính tổng thành phần từ phương trình riêng lẻ (3.10 3.12) Mô hình đà ứng dụng cho số liệu rừng Thetford miền Đông nước Anh đem lại phù hợp thỏa đáng tổn thất chặn nước quan trắc mô (Hình 3.8) Nó áp dụng cho rừng hỗn hợp không rụng New Zealand (Pearce Rowe, 1981), rừng sồi Hà Lan (Dolman, 1987), rừng nhiệt đới (Bruijnzeel Wiersum, 1987; Lloyd cộng sự, 1988; Hutjes cộng sự, 1990) Dolman (1987) đà so sánh mô hình giải tích Gash (1979) với mô hình mô số trị phức tạp đòi hỏi nhiều liệu nhiều (Mulder, 1985) Cả hai mô hình chạy tốt mô tả tổn thất rừng sồi ông kết luận mô hình Gash thích hợp đánh giá thực tiễn tổn thất chặn nước Những nghiên cứu tiếp tục cải thiện bả tảng khái niệm tính ứng dụng rộng rÃi mô hình tổn thất chặn nước Rất nhiều cố gắng đà tập trung vào loại biểu diễn nhỏ/ thoát nước sử dụng mô hình Rutter; số khác cố gắng đẻ đơn giản hóa cấu trúc yêu cầu số liệu việc biểu diễn trình bay Có chút nghi ngờ biểu diễn chảy nhỏ giọt tương tự phương trình (3.9) không thỏa đáng theo nghĩa họ thừa nhận tốc độ nhỏ giọt định lượng nước trữ lại tán thảm thực vât Điều có nghĩa rõ ràng họ không tính đến ảnh hưởng tốc độ mưa đến tốc độ nhỏ giọt loại theo quy luật tự nhiên mưa bị chặn lại lần trước giọt nước mưa rơi xuống chất nhiều tầng nhiều tán thảm thực vật Do đó, Massman (1983) đề xuất mô hình cho tốc độ nhỏ giọt mà thừa nhận sau lượng tới hạn nước bị chặn lại bề mặt gần đỉnh tán lá, chặn nước thêm lại bỏ số 88 giọt nước đứng yên mà sau rơi khỏi bị chặn lại tầng thấp Nói cách khác, trận mưa tốc độ nhỏ giọt kiểm soát giọt nước đổ xuống thác xuyên qua cây, rơi xuống va chạm vào bề mặt thấp (ví dụ Calder, 1977) Hình 3.8 Tổn thất chặn nước tích lũy quan trắc mô hình hóa rừng thông thời đoạn 21 four-week năm 1975 1976 (theo biểu đồ gốc Gash, 1979) Mặc dù mô hình Rutter hoạt động tốt với rừng ôn đới cần ý thành công áp dụng với rừng nhiệt đới (Calder cộng sự, 1986), số tác giả đà quy cho biến thiên theo không gian lớn lượng mưa thực dó sai số lớn mẫu (ví dụ Lloyd cộng sự, 1988; Ubarana, 1996) Calder (1996) đề xuất mô hình ngẫu nhiên hai lớp nhằm mô tả trình làm ướt tán rừng nhiệt đới Kích thước giọt nước mưa có quan hệ với cường độ mưa kÝch cì cđa nh÷ng giät n­íc thø cÊp nhá tõ tán phía xuống tầng thấp có đặc điểm phụ thuộc vào loại mà chúng rơi xuống Mô hình tính đến thực tế khu rừng nhiệt đới trình làm ướt tán hoàn tất chậm khả trữ lớn tán thấp so với rừng ôn đới giọt nước mưa lớn cường độ cao sinh mưa dông đối lưu mạnh Những ứng dụng khác mô hình Gash đà mô hình Rutter ước lượng tổn thất thiên lín gi÷ n­íc cđa nh÷ng khu rõng th­a ë khu vực Địa Trung Hải nhiều vùng ôn đới giới (Gash cộng sự, 1995; Llorens, 1997) Mô hình Gash Rutter làm lại công thức đem lại kết khả quan (Gash cộng sự, 1995; Valente cộng sự, 1997) Về đòi hỏi phải thay phân chia lượng mưa p, phần throughfall tự (xem phương trình 3.7), phân chia trình bay thảm phủ thực vật Có thể đoán trước mô hình làm lại công thức thay phiên ban đầu mô hình Gash Rutter (Gash, 1998) Những 89 dự báo mô hình Gash sửa chữa tổn thất chặn nước rừng có tán khép kín tốt tương tự so với mô hình nguyên (Asdak cộng sự., 1998b), tán thưa đưa dự báo tốt (CarlyleMoses Price, 1999) Calder Newson (1979) đề xuất mô hình đơn giản cho tổng lượng giáng thủy rừng kim, sử dụng lượng giáng thủy hàng năm (P) bốc tiềm Penman cá thÊp (Et) VỊ b¶n chÊt, nã thõa nhËn sù chặn nước rừng hàng năm xấp xỉ phần (o) lượng giáng thủy hàng năm: I = f (o.P – Et) (3.13) Trong ®ã f phần bồn thu nước thảm phủ rừng che phủ hoàn toàn phần năm tán ẩm ướt (và thoát xảy ra) Et xấp xỉ lượng thoát rừng Hướng tiếp cận đơn giản đà thành công việc mở rộng loại thảm thực vật khác (Hall vµ Harding, 1993), vµ b­íc thêi gian hµng ngµy (Calder, 1990) mà cho phép nghiên cứu biến đổi theo mùa ứng dụng để tính toán tổn thất tổng cộng bốc (sự giữ nước thoát hơi) trình bày chương 3.7 Sự chặn tuyết Do khó khăn lớn việc thực nghiệm, nên chứng/ dấu hiệu liên quan tới chặn tuyết luôn không thỏa đáng khó hiểu bị giới hạn thảm phủ thực vật Rất nhiều không thống hiển nhiên thảo luận rõ ràng khó khăn việc đo đạc tuyết rơi, đặc biệt xu hướng phủ thành đống gờ chướng ngại vật dễ thấy chẳng hạn khu rừng khoảng rừng trống, tức vị trí mà đo đạc tiến hành bình thường Một mặt, có tranh luận bay tuyết bị chặn lại sÏ rÊt nhá bëi v× sù tÝch lịy cđa tut tán thảm thực vật làm cho bề mặt trơn nhẵn khí động học nhiều Kết tốc độ bay thấp so với tán bị mưa làm ướt Hơn nữa, tuyết tích lũy bề mặt thảm thực vật dễ giải phóng khối lượng quy mô lớn mưa trượt nhờ vào trọng lượng nó, thường xuyên trợ giúp chuyển động gió đem lại thảm thực vật có giải phóng quy mô nhỏ hạt tuyết nước tan chảy nhỏ giọt Những chế giải phóng có nghĩa nhiều khu vực, tuyết tồn thảm phủ thực vật ngày trước rơi xuống mặt đất, kết hội để xảy trình bay nhỏ Satterlund Haut (1970) đà ghi lại thu thập đo đạc trọng lượng tuyết lơ lửng thông, tuyết nước rơi xuống vải lót mặt đất bên Họ kết luận có 15% lượng tuyết bị chặn bị bay - phần lại rơi xuống mặt đất nhờ trình tan chảy, trượt bị rửa mưa Thậm chí tuyết thảm thực vật thời gian dài, lượng cung cấp cho bay thăng hoa rÊt nhá vµ ë mét sè khu vùc nh­ ë Tây Bắc châu Âu, có di chuyển n­íc nã cã xu h­íng tiÕn ®Õn líp tut phđ, theo trình ngưng tụ, khỏi nó, theo dạng bay thăng hoa (Penman, 1963) Mặt khác, lượng nước tương đương với lượng tuyết trữ tán rừng 90 có tầm quan trọng lớn tán ướt đẫm mưa Do đó, có khả cho trình bay chặn nước xảy lớn đáng kể thời đoạn khô hạn kéo dài Hình 3.9 Cân nước tuyết ngăn giữ lại tán rừng ghi nhận đo trọng lượng (đường liền nét) suy giảm tia gamma (®­êng dÊu chÊm) cho trËn tuyÕt (theo đồ thị gốc Lundberg cộng sự, 1998) Những nghiên cứu gần (Nakai cộng sự, 1993; Lundberg cộng sự, 1998) đà nhấn mạnh tầm quan trọng cần thiết nhiều trình khí động học liên quan đến vận chuyển tuyết qua tán rừng đến vị trí lắng đọng cuối dòng lượng nước phía lớp tuyết phủ Họ đà sức cản khí động học tuyết lớn nhiều mưa Lundberg cộng (1998) nhận thấy quy luật khác biệt cường độ mà gây chênh lệch 2.6-fold tính toán bốc sử dụng phương trình tổ hợp dựa phương trình Penman Sự tắt dần xạ Gamma thí nghiệm treeweighing Scotland (Calder, 1990; Lundberg cộng sự, 1998) cho thấy tán vân sam cầm giữ 20 mm lượng nước tương đương tuyết tốc độ bay tán có tut bao phđ tíi 0.56 mmh-1 cã thĨ thØnh tho¶ng cao với tốc độ bay tán ướt mưa, đặc biệt tuyết tan giai đoạn có xâm nhập không khí biển nhiệt đới Mặc dù tốc độ thăng hoa thường thấp tốc độ bay hơi, thăng hoa có thĨ quan träng sù chỈn tut, nh­ ë rõng kim miền núi Scotland, khả trữ lớn tán tuyết (bậc cường độ cao nước) thời gian dài có nhiệt độ thăng hoa xảy Sự kết hợp tốc độ bay cao, khả trữ lớn ảnh hưởng thăng hoa cho thấy khả cho tổn thất chặn tuyết đáng kể (Hình 3.9) Lundberg cộng (1998)đề xuất vị trí chúng, tổng tổn thất mùa đông tuyết bị chặn tán rừng 200 mm Tuy nhiên, khả có biến đổi đáng kể vị trí, phụ thuộc vào không khí hậu mà đặc tính rừng Ví dụ, khả trữ tuyết tán cao 16 m chỗ chúng 20mm Nakai cộng (1993) đưa khả trữ mm nước tương đương cao 5-7 m 3.8 Sự lắng đọng nước mây 91 Đến đây, chương đà giải bốc lượng nước bị chặn tổn thất đầu vào lượng giáng thủy hiệu Có hoàn cảnh định mà thảm thực vật nhận thêm nước cách giữ giọt nước nhỏ không (thường có bán kính ~ 10 m) từ sương mù mây tầng thấp mà không rơi xuống mặt đất giống giáng thủy vị trí Vì vậy, đo vũ kế bình thường (Monteith Unsworth, 1990) Điều khu vực có rừng địa hình cao gần bờ biển, nơi sương mù hay mây tầng thấp thịnh hành (Kerfoot, 1968), đặc biệt tốc độ gió tương đối cao Quá trình quan trắc nhiên trồng nông nghiệp vào buổi sáng lặng gió, có sương mù tích tụ giọt sương nhỏ ngũ cốc trở nên nặng đến mức cành gÃy vụn sức nặng (Penman, 1967) Sự quan tâm/ quan trọng thuộc thủy văn học nằm lượng nước truyền vào đất dạng lượng mưa xuyên qua dòng chảy qua thân cành Những giọt nước tạo thành lá, cành nhánh nén chặt vào, tích tụ đủ để rơi chảy nhỏ giọt xuống đất Quá trình miêu tả lượng giáng thủy đo đạc bên tán thảm thực vật nơi ghi lại trời, Kittredge (1948) đề xuất xem chặn nước âm Sự lắng đọng mây hay hạt sương mù thảm thực vật cho lượng thêm vào đủ cho giáng thủy bình thường để tác động đến phân bố c©y trång däc theo bê biĨn miỊn trung phÝa T©y Bắc Mỹ (Lull, 1964) Chile (Kummerow, 1962) Những nghiên cứu trước thường nhấn mạnh chất ảnh hưởng bên cạnh tầm quan trọng giảm rõ rệt từ ranh giới khu vực có rừng nơi có thảm thực vật tương đối cao Bản chất biên giới tượng rõ ràng thông qua số kết thí nghiệm khác với máy đo sương mù mà sử dụng lưới thép mịn theo phương thẳng đứng để chặn hạt sương mùa mây chuyển động theo phương ngang (ví dụ Nagel, 1956) Shuttleworth (1977) đà có cải tiến mặt khái niệm quan trọng lắng đọng nước mây kiểm soát quy luật vật lý giống bốc chặn nước Không đơn giản tượng theo phương ngang mà bị giới hạn tối đa 20 m đầu tiên, ông biện luận thực tế bị chi phối trao đổi theo phương thẳng đứng khí đỉnh tán thảm thực vật rộng lớn Hơn nữa, theo cách mà tổn thất chặn nước khu rừng lớn độ nhám khí động học chúng lớn, lượng lắng đọng nước mây tán rừng lớn thảm thực vật thấp Cameron cộng (1997) tính toán tốc độ lắng đọng nước mây khoảng 0.05 mmh-1 bụi cỏ cao 0.8 m ë khu vùc biĨn miỊn nói phÝa Nam New Zealand Tốc độ lên đến khoảng 60 mm 4% lượng giáng thủy hàng năm Họ đề xuất thay đồng cỏ thấp làm giảm lượng lắng đọng nước mây độ dẫn khí động học thấp hơn, thay đổi rừng làm tăng lượng lắng đọng sương mù tăng cường nhiễu loạn Tuy nhiên, tác động mặt thủy văn chủ yếu nói chung tăng cường tổn thất chặn nước rừng giáng thủy không liên tục cường độ bé thịnh hành Sự troi giọt nước mây thảm thực vật điểm đặc trưng nơi mà sương mù mây tầng thấp thường xuất độ cao lớn, khí hậu gần biển 92 Nếu nhiệt độ xuống nhiệt độ điểm sương không khí, ngưng tụ nước sinh bề mặt khác với hình thành sương Đây trình khác so với trôi phân tử không khí Monteith Unsworth (1990) đà tính toán không khí đà bÃo hòa, tốc độ hóa sương đặc trưng kho¶ng 0.067 mmh-1 , sinh kho¶ng 0.2 – 0.4 mm/đêm Nguồn cung cấp lượng nươc ngưng tụ thành sương không khí đất đất tăng thêm thực thường lớn thừa số khoảng 1:5 Do sương thành phần nhỏ bé vòng tuần hoàn thủy văn 93 ... lượng giáng thủy hàng năm (P) bốc tiềm Penman cỏ thấp (Et) Về chất, thừa nhận chặn nước rừng hàng năm xấp xỉ phần (o) lượng giáng thủy hàng năm: I = f (o.P Et) (3 .1 3) Trong f phần bồn thu nước... chặn nước (I) tính toán hiệu số lượng giáng thủy phía lớp phủ thực vật (P) lượng giáng thủy thực phía tán chúng bao gồm lượng mưa xuyên qua (T) dòng chảy theo thân (S) Do đó: I=PTS (3 . 1) Do khó... lệ chặn nước (tổn thất phần lượng mưa) so với (a) chiều sâu giáng thủy bÃo (dựa theo số liệu Clegg, 196 3) ; (b) chiều sâu giáng thủy hàng năm (Calder, 199 0) Thời đoạn trận mưa nhân tố ảnh hưởng