Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 3 docx

Sự giữ nước được trình bày trong một chương riêng biệt với chương bốc hơi chương 4 tuy chúng có cùng bản chất vật lý, tổn thất do chặn nước chỉ có thể xuất hiện khi tán của thảm thực vật

Chương 3

Sự giữ nước trên lưu vực

3.1 Giới thiệu và định nghĩa

Khi giáng thủy rơi xuống bề mặt có thực vật, chỉ có một phần có thể rơi tới được

bề mặt đất phía dưới Một phần của lượng mưa có thể bị chặn lại bởi lá và thân của thảm thực vật và được chứa tạm thời trên bề mặt của chúng Một ít hoặc tất cả lượng nước này có thể bay hơi lại vào trong khí quyển và do đó không tham gia vào các thành phần của vòng tuần hoàn thủy văn Quá trình này được đặt tên là tổn thất do

bị giữ lại (interception loss) Lượng nước còn lại tới được bề mặt đất tạo thành lượng mưa thực (net rainfall) (Hình 3.1) Phần chủ yếu của lượng mưa này bao gồm lượng

mưa xuyên qua được gồm những những giọt mưa rơi xuyên qua khoảng trống của tán

cây và nước nhỏ xuống từ những lá, cành và thân cây ướt xuống mặt đất; một lượng nước thường thường nhỏ hơn rất nhiều chảy thành dòng nhỏ dọc các cành và nhánh

cây rồi theo thân cây xuống mặt đất gọi là dòng chảy chảy theo cành cây (stemflow)

Một khu rừng có thể có lớp phủ cây bụi mà bản thân nó cũng có sự chặn nước và những thành phần stemflow Một lớp của đống rác lá trên mặt đất cũng có thể chặn lại một ít nước

Quá trình giữ nước rất quan trọng do một số nguyên nhân sau Thứ nhất,

lượng mưa thực bên dưới tán cây thường nhỏ hơn lượng mưa tổng cộng (gross

rainfall) rơi xuống phần trên của tán cây Trong một số trường hợp, tổn thất do sự giữ

nước có thể khá lớn và có ảnh hưởng đáng kể đến cân bằng nước Thứ hai, vì là kết quả của sự đi qua tán lá cây nên sự biến thiên theo không gian của lượng mưa thực lớn hơn nhiều so với lượng mưa tổng cộng Lượng mưa xuyên qua được và nước chảy nhỏ giọt được tích tụ ở các rìa của các tán cây, trong lúc được tích tụ lại những giọt nước sát với thân cây và dòng chảy theo cành cây thường đưa đến những giá trị lớn của sự thấm và sự bổ sung độ ẩm cho đất và thậm chí sự khởi đầu của những dòng chảy và lạch nhỏ trên bề mặt Thứ ba, sự di chuyển của lượng mưa qua tán lá của thực vật có thể làm tăng sự biến đổi kích thước các giọt nước Điều này có thể liên quan tới sự xói mòn đất và dẫn đến những thay đổi đáng kể của thành phần hóa học của nước (xem chương 8)

Sự giữ nước được trình bày trong một chương riêng biệt với chương bốc hơi (chương 4) tuy chúng có cùng bản chất vật lý, tổn thất do chặn nước chỉ có thể xuất hiện khi tán của thảm thực vật bị ẩm ướt Lượng giữ này phụ thuộc nhiều vào những biến đổi của lượng mưa hạn ngắn và thời đoạn của mưa cá biệt và khoảng thời gian khô hạn giữa các trận mưa

3.2 Sự chặn nước và cân bằng nước

Do những tiến triển gần đây trong hiểu biết của chúng ta về những cơ chế kiểm soát bốc hơi và thoát hơi từ thực vật mà vai trò của sự chặn nước trong cân bằng

nước của những lưu vực đã tương đối sáng tỏ Trong rất nhiều năm đã có hai quan

điểm trái ngược Một quan điểm cho rằng tổn thất do sự chặn nước không có ảnh hưởng thực tế nào đến cán cân nước của lưu vực trong khi quan điểm kia cho rằng nó làm giảm những giá trị đầu vào thực và do đó sẽ làm giảm bớt sự bổ sung nước cho

được trình bày trong một phần tham khảo ngắn ngủi trong một số sách về thủy văn công trình gần đây (ví dụ Shaw, 1994; Hornberger và các cộng sự, 1998) Tuy nhiên, trong chương này sẽ chỉ ra sự quan trọng của sự chặn nước đối với thủy văn học Giả thuyết nhấn mạnh rằng tổn thất do sự chặn nước về cơ bản có thể bay hơi trong bất kỳ thời gian nào bằng chỉ một lượng nhất định năng lượng là có thể thực hiện được Năng lượng này hoặc được sử dụng để làm bốc hơi nước trong lá cây (thoát hơi) hoặc để bốc hơi nước trên bề mặt của lá cây (interception) Do đó, sự chặn nước ít nhất một phần được cân bằng bởi sự giảm lượng thoát hơi (sẽ xuất hiện nếu trời không mưa) (Rutter, 1968) Những thí nghiệm trước đây trên những cây thân cỏ bằng cách sử dụng thẩm kế cân (McMillan và Burgy, 1960) cho thấy không có sự khác biệt giữa sự bốc hơi của tán lá ướt và sự thoát hơi của cỏ không bị ướt được cung cấp một lượng nước thích hợp Họ kết luận rằng tổn thất do sự giữ nước được cân bằng bởi một

sự giảm tương ứng của sự thoát hơi Vì vậy tổn thất do sự giữ nước khác sự bốc hơi và không phải là sự thêm vào lượng thoát hơi và do đó sẽ có ít (nếu có) ảnh hưởng đến

cân bằng nước của một lưu vực Theo phép ngoại suy có thể thấy một tình huống tương tự xảy ra đối với những khu rừng nhưng quá khó để có thể xác minh bằng thực nghiệm Giả thuyết về ảnh hưởng trung gian này rõ ràng đã làm tăng thêm sự tin tưởng đáng kể thông qua các lập luận trên và tài liệu được công nhận về bốc hơi bởi Penman Ông là người đã khẳng định rằng: “trong khi năng lượng đang được tiêu hao hết để loại bỏ lượng nước bị chặn lại, thì lượng năng lượng tương tự không thể được tiêu hao để loại bỏ hết lượng nước thoát hơi” (Pennan, 1963)

Tuy nhiên, bằng chứng cho thấy đây không phải là câu trả lời hoàn thiện Những nghiên cứu về lưu vực ở châu Âu và nước Mỹ chỉ ra rằng rừng giảm dòng chảy sông tổng cộng có liên quan đến đồng cỏ (Engler, 1919; Bates và Henry, 1928; Keller, 1988; Swank và Crossley, 1988) Điều này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như là do những sai số của thực nghiệm, hoặc do rừng có khả năng giữ lại lượng nước lớn hơn từ mặt đất hơn là những thảm thực vật thấp hơn trong thời gian đất thiếu nước Một bước tiến quyết định trong nhận thức được đưa ra bởi Law (1958) ở Tây Bắc nước Anh – người nghiên cứu cân bằng nước của một thẩm kế nhỏ tự nhiên được

đặt trong rừng cây vân sam Những đo đạc bao gồm cả lượng mưa tổng cộng và lượng mưa thực cùng với sự tiêu nước Lượng nước dùng hàng năm (mưa tổng trừ đi lượng nước tiêu đi) lớn hơn 50% so với lượng nước dùng ghi lại được ở máy đo ngấm nước có

cỏ bao phủ hay ở lưu vực có cỏ bao phủ ở gần đó Hơn nữa lượng nước mà rừng sử dụng dường như lớn hơn đáng kể so với giá trị năng lượng bức xạ thực có thể cung cấp cho quá trình bốc hơi

Kết quả này miêu tả sinh động sự chặn nước, không phải giống như sự thoát hơi mà là giá trị tổn thất thực của nước (sẽ được bổ sung cho đất và nước ngầm hoặc cho dòng sông nếu không có sự chặn nước) Những câu hỏi chủ yếu cần được trả lời là quá trình bốc hơi từ bề mặt ẩm ướt của thảm phủ thực vật có thể xảy ra với một tốc

độ lớn hơn đáng kể so với sự thoát hơi từ bề mặt không bị ướt hay không và quá trình bốc hơi đáng kể của nước bị chặn lại có thể xảy ra trong những trường hợp mà tốc độ thoát hơi nhỏ không đáng kể hay không chẳng hạn từ thảm thực vật chết bị ướt và trong mùa đông, ban đêm Những câu trả lời khẳng định cho các câu hỏi này yêu cầu một sự lý giải về nguồn gốc của năng lượng cho tổn thất bốc hơi phụ thêm vào quá trình bốc hơi

Bằng chứng tích lũy lại một cách nhanh chóng trong những năm 60 (phần lớn

ở những vùng có rừng) nhằm ủng hộ một kết luận là nước bị chặn lại bốc hơi nhanh hơn nhiều so với nước thoát hơi và do đó phần lớn tổn thất do sự chặn nước là kết quả của một tổn thất phụ thêm trong cán cân nước của lưu vực Rutter (1963) phát hiện

ra rằng tổn thất do bốc hơi từ những cành cây ướt vượt quá tổn thất từ những cành cây không bị ướt chỉ mất nước duy nhất qua quá trình thoát hơi Những thí nghiệm hiện thực hơn của Rutter (1963; 1967), Patric (1966), Helvey (1967) và Leyton và những người khác, (1967) cho thấy trong suốt thời kỳ mùa đông, tổn thất của nước bị chặn lại vượt quá đáng kể tốc độ thoát hơi trong cùng những điều kiện môi trường Những kết quả của các nghiên cứu cho các lưu vực nhỏ đã cho thấy sự tăng thêm

đáng kể lượng nước là do sự loại bỏ thảm thực vật (Hewlett và Miner, 1961; Hibbert, 1967) và lượng nước bị giảm đi là do sự chuyển đổi từ rừng cây lá rộng sang rừng thông (Swank và Miner, 1968), phần lớn là kết quả của những ảnh hưởng của sự chặn nước

Sau đó một sự kết hợp của những phân tích lý thuyết và sự thu thập số liệu đã

xác nhận rầng giáng thủy bị chặn lại bởi thảm thực vật bốc hơi với tốc độ lớn hơn sự thoát hơi từ cùng một loại thảm thực vật trong cùng một điều kiện (Murphy vàKnoerr, 1975) và sự chênh lệch có thể khoảng 2-3 lần (Singh và Szeicz,1979) hoặc bằng 5 lần tốc độ thoát hơi (Stewart và Thom, 1973) Singh và Szeicz (1979) và Stewart (1977) đã kết luận: 68% của sự chặn nước dưới ánh sáng ban ngày là phần thêm vào cho sự thoát hơi (ví dụ 32% có thể được bù lại bởi sự thoát hơi) Pearce và các cộng sự (1980) nhận thấy nếu tính toán tổn thất nước thêm vào do sự tồn tại của

sự bốc hơi với tốc độ lớn vào ban đêm của lượng nước bị chặn lại thì tổn thất nước bị chặn lại thực tế có thể tới 84% của lượng nước bị chặn tổng cộng Hơn nữa, theo những quan trắc của Pearce và các cộng sự (1980), tổn thất nước bị chặn lại thực tế sẽ tăng lên khi tỷ lệ của thời đoạn mưa ban đêm với lượng mưa tăng lên Điều này có nghĩa là trong nhiều khu vực có lượng mưa lớn, đặc biệt là những vùng khí hậu hải dương - nơi ít nhất 1/2 các cơn mưa có thể xuất hiện vào ban đêm, tầm quan trọng của

sự chặn nước như là một tổn thất do bốc hơi và cường độ của tổn thất thực có thể rất

được đề cao liên quan đến những khu vực mà mưa bị chi phối bởi những hoạt động

đối lưu ban ngày

Trong những điều kiện cụ thể, những nhân tố khác có thể gây ra những tổn thất chặn nước thực được thêm vào Ví dụ: ở một số vùng, sự thoát hơi có thể bị giới hạn bởi hiệu lực của sự giữ nước hơn là năng lượng gây bốc hơi Khi đó bằng việc tăng lượng nước sắn có, sự chặn nước sẽ tăng tổn thất nước tổng cộng của lưu vực Sự bay hơi của nước bị chặn lại bởi thực vật và bởi một tầng rác lá tất nhiên sẽ tương ứng với tổn thất chặn nước thực (McMillan và Burgy, 1960), nhân tố duy nhất liên quan đến trường hợp này là khả năng trữ của sự chặn nước và sự rút hết của nó thông qua quá trình bay hơi Lượng trữ của tổn thất do chặn nước đã được Zinke (1967) đánh giá là giữ vai trò quan trọng nhất trong việc tác động đến cân bằng nước của lưu vực

Sự lý giải đầu tiên/chủ yếu cho tốc độ bốc hơi lớn ở những bề mặt thực vật ướt

và đặc biệt là từ tán lá ẩm ướt của các khu rừng liên quan tới tầm quan trọng tương

đối của hai lực cản chính ở tán lá của thảm thực vật được áp đặt lên dòng hơi nước vào trong khí quyển ở phía trên Điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong chương

4 trong mối quan hệ với phương trình Penman-Monteith dùng để tính toán bốc hơi Trong phạm vi này chúng ta có khả năng nhận thấy sức cản bề mặt là một sức cản sinh lý, thực vật được áp đặt bởi chính tán lá của thảm thực vật lên quá trình di chuyển của nước qua sự thoát hơi và sức cản khí động lực là một phép đo của sức cản

được sinh ra do hơi nước chuyển động tách khỏi bề mặt thảm thực vật chẳng hạn bề mặt bốc hơi ẩm ướt đi vào lớp khí quyển xung quanh Trong những điều kiện khô hạn, tán lá của rừng có có sức cản bề mặt lớn hơn không đáng kể so với cỏ và thực vật bậc thấp hơn, nhưng khi bề mặt của thực vật ẩm ướt, sức cản này thực tế được bỏ qua

và giảm xuống đến 0 đối với tất cả các dạng thực vật (Calder, 1979) Sức cản khí động lực về cơ bản phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt thảm thực vật (thường ở cây cối có

xu hướng lớn hơn đáng kể so với cỏ) Sức cản đối với dòng hơi trong trường hợp bề mặt thảm thực vật ẩm ướt nhỏ hơn so với bề mặt khô và tương đối thấp trong trường hợp rừng nếu so sánh với cây thân cỏ và các thực vật thấp khác Những tán lá nhám khí

động học của các khu rừng tạo nên sự xáo trộn hiệu quả hơn khí động học của các dòng khí mà các dòng khí này lại là nguyên nhân tạo nên cơ chế vận chuyển có ảnh hưởng lớn đến hơi nước

Năng lượng thêm vào để duy trì tốc độ cao của tổn thất do bốc hơi có ảnh

hưởng lớn của sức cản khí động học đối với thảm thực vật ẩm ướt xem ra có thể quy cho năng lượng bình lưu Năng lượng này liên quan tới chuyển động theo phương ngang của năng lượng trong khí quyển (đối lập với đối lưu – chuyển động theo phương thẳng đứng) Rutter (1967) chỉ ra rằng trong những điều kiện tán lá ẩm ướt, tổn thất

do bốc hơi có thể không bị kiểm soát chủ yếu bởi sự cân bằng bức xạ hơn tán lá bị ướt

Nó làm nhiệm vụ như một cái bồn tiếp nhận năng lượng bình lưu từ không khí

Quan trọng là ông Rutter đã nhận thấy khi nước bị chặn lại bốc hơi, tán lá lạnh hơn không khí ở xung quanh và gradient nhiệt độ được sinh ra đủ để sinh ra dòng nhiệt cung cấp cho năng lượng thiếu hụt Giả thuyết này sau đó được củng cố bởi một số các nghiên cứu chủ yếu về khu vực có rừng (ví dụ Stewart và Thom, 1973; Thom và Oliver, 1977), đã thảo luận kỹ lưỡng đến một mức nhất định mà hiện nay chúng ta nhận thức được rằng năng lượng đối lưu có thể bắt nguồn từ hoặc là lượng nhiệt trong không khí đi qua tán lá thực vật (Stewart, 1977; Singh và Szeicz, 1979) hoặc là từ lượng nhiệt được trữ trong chính tán lá và thảm thực vật (Moore, 1976) Stewart (1977) đã quan trắc gradient âm của nhiệt độ và gradient dương của hơi nước trong những điều kiện ẩm ướt của tán lá Từ những quan trắc này ông có thể đo đạc

được bốc hơi với bước thời gian 20 phút và nhận thấy 70% của những thời gian này sự bốc hơi vượt quá bức xạ thực, năng lượng thêm vào được bắt nguồn từ không khí đi qua bầu trời

Những bằng chứng thêm nữa về vai trò của năng lượng bình lưu và năng lượng

dự trữ trong việc đẩy mạnh sự bốc hơi của tán cây ẩm ướt được đưa ra bởi Pearce và

những người khác (1980) (người củng cố/xác nhận dấu hiệu của tốc độ bay hơi nhanh

vào ban đêm khi không có nguồn năng lượng nào khác)

Về việc này, cần chú ý rằng những nghiên cứu của Singh và Szeicz (1979) và Stewart (1977) được tiến hành trong những khu vực rừng tương đối nhỏ bao quanh bởi đất nông nghiệp – nơi mà bình lưu quy mô lớn của năng lượng dư thừa có thể xảy

ra Tuy nhiên, có thể trong trường hợp những khu rừng rất rộng lớn ví dụ như thảm phủ thực vật của Canada hoặc lưu vực Amazon - những nơi rừng trải dài hàng trăm

km, ít năng lượng dư thừa hơn có thể có khi khu vực rộng lớn như vậy bị ẩm ướt Tuy nhiên khoanh vùng lại, tình trạng ướt do mưa dông sẽ vẫn cho phép giải phóng nhiệt nhạy hơn từ những vùng khô và xúc tiến mạnh quá trình bốc hơi ở những khu vực

ướt

Sự mô phỏngquá trình trao đổi năng lượng giữa khí quyển và bề mặt của thảm thực vật bởi Murphy và Knoerr (1975) cho thấy trong những điều kiện thích hợp, sự thay đổi cán cân bức xạ có thể cũng có vai trò quan trọng Họ nhận thấy rằng ảnh hưởng tổng hợp của sự chặn nước lên cân bằng năng lượng của một khu vực rừng là

sự tăng lên của quá trình trao đổi ẩn nhiệt ở sự tiêu hao bức xạ sóng dài và trao đổi nhiệt nhạy cảm mà sự tăng nhiệt này biến đổi theo độ ẩm tương đối và tốc độ gió Kết quả là họ đưa ra kết luận rằng bốc hơi tăng cường của nước bị chặn lại có thể xuất hiện ở những khu rừng có quy mô lớn nơi bình lưu theo phương ngang có thể không

đáng kể

Gần đây hơn những tiến bộ trong mô phỏng mưa và những thiết bị đo đạc khác

đã cho phép tiến hành những nghiên cứu tỉ mỉ về những loại khác của thảm phủ thực vật bao gồm cây thân cỏ và cây trồng nông nghiệp Finney (1984) đã nghiên cứu

tỉ mỉ những đường đi có thể của những hạt mưa rơi trên cây cải Bruxen, củ cải đường

và khoai tây, tức là chúng có thể rơi giữa các lá cây, đặc tính của chúng giữ nguyên không đổi Lượng nước bị chặn lại và chuyển thành dòng nước men theo lá và cành cây Lượng nước bị chặn lại và kết hợp thành một khối, sau đó rơi xuống dưới dạng nhỏ giọt; hoặc là bị chặn lại và bị vỡ tan do va chạm với thảm thực vật và sau đó chuyển thành những giọt nhỏ hơn giữa các lá cây Ông nhận thấy khi thực vật trưởng thành và diện tích chặn nước của chúng tăng lên thì lượng nước xuyên qua tán lá cây

sẽ giảm xuống kèm theo với sự tăng lên của dòng nước theo cành cây và dòng nhỏ giọt

từ lá và sự giảm nhỏ của hiện tượng đất bị ướt ngoại trừ tại những điểm lá nhỏ giọt xuống

Những thí nghiệm mô phỏng mưa với các bụi cây thân cỏ cho thấy cách mà cấu trúc của cây, với dãy lá hội tụ của nó, trực tiếp chặn nước mưa về phía tập trung bụi cây và đám cỏ De Ploey (1982) đã xác định dòng chảy theo cành cây có thể đóng

“…một vai trò chính trong quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc với thảm thực vật giống như thảo nguyên

3.3 Đo đạc sự giữ nước

Phương pháp phổ biến nhất để đo đạc tổn thất do chặn nước (I) là tính toán hiệu số giữa lượng giáng thủy phía trên lớp phủ thực vật (P) và lượng giáng thủy thực phía dưới tán lá của chúng bao gồm lượng mưa xuyên qua được (T) và dòng chảy theo thân cây (S) Do đó:

I = P – T – S (3.1)

Do những khó khăn trong việc lắp đặt các thiết bị phía dưới tán lá của thực vật, nên phương pháp này được sử dụng nhiều đối với rừng hơn là những lớp phủ thấp hơn Lượng mưa xuyên qua được có thể đo đạc được bằng việc sử dụng máy đo bằng phễu hoặc bằng rãnh được đặt bên dưới tán lá rừng và dòng chảy qua thân và cành cây có thể được thu thập bằng những máng nước gắn xung quanh chu vi của thân cây dẫn vào một cái bình chứa Thế là đã có một số rắc rối có thể phát sinh:

Người ta đã nhận thấy lượng mưa xuyên qua được phụ thuộc vào mức độ tán lá

bao phủ và chỉ số diện tích lá (leaf area index – LAI) tức là diện tích bề mặt của lá cây

(chỉ tính một mặt)/ diện tích tán cây nhô ra; cây cối là loại rụng lá hay không rụng lá;

và sự bằng phẳng của bề mặt lá cây Hình dạng của lá cây và sự định hướng có thể tập trung lượng mưa xuyên qua được vào những điểm chảy nhỏ giọt Stemflow có thể

bị chi phối bởi hướng của cành cây và độ gồ ghề của vỏ cây

Thông thường, giáng thủy tổng cộng được đo đạc ở những khu vực trống nhưng

đôi khi điều này là không thể và có thể có những vấn đề do các ảnh hưởng của độ nhám khí động lực của lớp phủ thực vật ở phần thu nhận của vũ kế trên mực tán cây (xem mục 2.4.1) Thêm nữa có những khó khăn trong việc lấy mẫu bị chi phối bởi sự biến đổi rất lớn theo không gian của lượng mưa xuyên qua được và stemflow trong những khu rừng nhiệt đới (Jackson, 1975) Những nghiên cứu gần đây trong rừng rậm Amazon (Lloyd và Marques, 1988) đã khám phá tầm quan trọng của vấn đề lấy mẫu do sự tập trung cục bộ đáng kể của lượng nước xuyên qua tán lá trong những

điểm chảy nhỏ giọt (Hình 3.2) Những đánh giá trước đây về tổn thất do chặn nước của các khu rừng nhiệt đới có thể gặp sai số do kết quả của việc không lấy đủ mẫu theo không gian (Bruijnzeel, 1990) bởi vì rất nhiều những nghiên cứu trước đã không hiểu đầy đủ những biến thiên rất lớn theo không gian của nước mưa xuyên qua tán lá

đòi hỏi phải có một số lượng lớn các máy đo được đặt tại những địa điểm ngẫu nhiên,

được di chuyển thường xuyên để có được những đánh giá chính xác

Hình 3.2 So sánh lượng mưa xuyên qua thu được của một mạng lưới các vũ kế được thể hiện bằng phần trăm của lượng mưa tổng cộng cho (a) rừng mưa nhiệt đới, (b) rừng ôn đới (Lloyd và Marques, 1988)

Dòng chảy theo thân cây có thể được đo đạc bằng những máng nước dẻo gắn xung quanh thân cây và dẫn nước vào một thiết bị chứa nước Mặc dù có nhiều nghiên cứu trước đây bỏ qua dòng chảy theo thân cây nhưng hiện nay chúng ta đã biết nó có ý nghĩa cho những loài nhất định, và nó đặc biệt quan trọng cho việc nghiên cứu hóa học nước do nồng độ chất tan cao của nó Có một số bằng chứng cho thấy nếu tuổi của cây tăng thì dòng chảy theo thân cây giảm như một phần của lượng mưa tổng cộng (ví dụ Johnson, 1990) Kết quả này phần nào do vỏ của cây trở nên nhám hơn hoặc được bao phủ bởi rêu và địa y và phần nào là do các cành cây già cỗi hơn có xu hướng ít dốc hơn

Một phương pháp thỏa đáng hơn trong việc đo đạc lượng mưa thực là sử dụng những vũ kế tấm lớn - loại thu thập cả lượng mưa xuyên qua được và dòng chảy theo thân cây (Calder và Rosier, 1976; Hall và Hopkins, 1997) Việc vận hành một vũ kế tấm lớn dễ dàng hơn là vận hành một số lượng lớn vũ kế đo lượng mưa xuyên qua

được và dòng chảy theo thân cây Nó cũng cho một giá trị trung bình diện tích tin cậy

và có bằng chứng rằng những địa điểm có mưa xuyên qua cao gần với những địa điểm

có mưa xuyên qua thấp và việc quan trắc những địa điểm gần kề là một lợi thế phụ thêm (Calder, 1998) Tuy nhiên, việc sử dụng những tấm lớn là không thích hợp ở

những nơi thông tin cần là sự biến thiên theo không gian của lượng mưa thực, như trong trường hợp nghiên cứu sự bổ sung độ ẩm đất, xói mòn hoặc chất lượng nước Trong khi chúng làm việc hiệu quả với những khu rừng trồng trẻ rậm rạp, vũ kế tấm lớn khó giải quyết đối với những loại rừng khác; thí dụ chúng không thích hợp ở những nơi thảm thực vật rậm rạp, hoặc ở những nơi cây cối cách xa nhau và các tấm phải rất lớn Hơn nữa, nếu yêu cầu đo đạc trong một thời gian dài, sự tồn tại của các tấm có thể ảnh hưởng đến tán lá cây do việc cắt đứt nguồn cung cấp của lượng mưa thực và rác rơi xuống mặt đất

Những nghiên cứu về sự chặn nước đối với cây thân cỏ và những thảm thực vật bậc thấp khác còn khó khăn hơn nhiều mà đối với chúng những kỹ thuật khác có khả năng thực hiện được Ví dụ những thẩm kế cân nhỏ được sử dụng để đo đạc tổn thất

do bốc hơi từ bề mặt ẩm ướt trên cây thạch nam (Hall, 1985; 1987), nhưng cũng cần thận trọng để ngăn chặn những giai đoạn của tổn thất do thoát hơi Corbett và Crouse (1968) đã phát minh ra một phương pháp để đo đạc tổn thất do chặn nước ở cỏ bằng việc chèn vào những vòng đệm bằng kim loại có đường kính 25 cm vào trong

đất, để phủ phía trên mặt đất sao cho đất bên trong vòng kim loại có thể đóng kín bằng cách phết vào một nhũ tương mủ – loại này không làm ảnh hưởng đến sự phát triển của cỏ Một ống dẫn ở bên cạnh của mỗi chiếc vòng dẫn cả lượng mưa xuyên qua

và dòng chảy theo thân cây đến một bình chứa

Những hướng tiếp cận cân bằng nước đã được sử dụng để đo đạc gián tiếp độ lớn của tổn thất do chặn nước Một số nghiên cứu sử dụng những bồn thu nước nhỏ để

đưa ra những đánh giá quy mô lớn về tổn thất do chặn nước Ví dụ: Swank và Miner (1968) nhận thấy rằng ảnh hưởng của việc chuyển đổi những rừng cây lá rộng trưởng thành thành cây thông trắng phương Đông ở hai lưu vực thực nghiệm ở phía Nam Appalachians là giảm dòng chảy sông gần 100 mm sau 10 năm Vì phần lớn lượng nước giảm xảy ra trong mùa đông, nên nó được quy chủ yếu là do tổn thất do chặn nước ở cây thông không rụng lá lớn hơn cây lá rộng rụng lá Sự tăng lượng nước, cũng

có thể phần lớn do những ảnh hưởng của sự chặn nước, được đưa ra bởi Pillsbury và các cộng sự (1962) và bởi Hibbert (1971) sau khi chuyển đổi từ bụi cây chaparan sang

cỏ

Cuối cùng, có một phạm vi các các hướng nghiên cứu để xác định khả năng trữ của sự chặn nước và những thành phần riêng lẻ của nó Cách đơn giản nhất là vẽ biểu

đồ lượng mưa xuyên qua được và lượng mưa tổng cộng (Leyton và các cộng sự, 1967),

và lắp một vỏ bọc bên trên những điểm lượng mưa xuyên qua được Đường kẻ tạo thành phần mặt phẳng âm bị chắn trên trục lượng mưa xuyên qua được thể hiện khả năng trữ của tán lá Tuy nhiên, số liệu thường có sự phân bố lớn do sự phân bố của chu trình ẩm và khô trong mỗi trận mưa cũng như sự thay đổi lớn của các điều kiện thực nghiệm Vỏ bọc có xu hướng làm cho các kết quả thiên về những điểm có sai số theo cùng một hướng Thêm vào đó có tính chất chủ quan trong việc loại trừ những cơn dông/trận bão nhỏ nhất mà vì nó có tình trạng ẩm ướt không hoàn toàn của tán lá Vì có tổn thất do chặn nước nên những đo đạc về lượng trữ của tán lá và khả năng trữ đều được biểu diễn tương đương độ sâu (thường là mm) trên một đơn vị diện tích

đất và không giống với độ dầy vật lý của lớp màng nước trên tán lá

Bảng 3.1 Những giá trị đặc trưng của khả năng chặn nước mưa của tán lá đối

với các loại thảm thực vật khác nhau, được biểu diễn bằng chiều sâu nước tương

đương trên khu vực phát triển của thảm thực vật (phỏng theo số liệu của Rutter và

các cộng sự, 1975; Shuttleworth, 1989; Zinke, 1967; Hall, 1985)

1 Rừng nhiệt đới giá trị S được tối ưu hóa bằng (a) mô hình

Rutter, (b) mô hình ngẫu nhiên

Những hướng tiếp cận trực tiếp bao gồm làm ướt thảm thực vật và đo đạc những thay đổi sau đó về khối lượng khi nước bay hơi Cách này có thể thực hiện được với thảm thực vật thấp bằng cách sử dụng thẩm kế cân (Calder và các cộng sự, 1984)

và cho cây cối bằng việc cân lá và cành cây và suy rộng ra cho toàn bộ cây (Rutter, 1963; Crockford và Richardson, 1990)

Herwitz (1985) đã xác định khả năng trữ của sự chặn nước của bề mặt lá cây rừng mưa nhiệt đới bằng cách sử dụng thiết bị mô phỏng mưa và khả năng trữ của sự chặn nước của các thân cây và bề mặt gỗ bằng cách ngâm những mảnh vỏ cây trong những dung dịch nước Ông kết hợp những số liệu này cùng với những đo đạc về chỉ

số diện tích/khu vực của lá cây, tính toán với sự giúp đỡ của những tấm ảnh hàng không tỷ lệ lớn và chỉ số diện tích có rừng (WAI) Như là diện tích bề mặt có rừng/diện tích tán lá, để xác định khả năng trữ tổng cộng của sự chặn nước Ông nhận thấy giá trị khả năng trữ từ 2-8 mm, giá trị này cao hơn nhiều so với giá trị 1-2

mm thường thấy ở các phương pháp situ áp dụng cho vùng rừng ôn đới (Bảng 3.1) Teklehaimanot và Jarvis (1991) miêu tả việc chặt và treo một thân cây trên xà

đỡ và xịt nước lên nó và theo dõi sự thay đổi về khối lượng của nó theo thời gian Calder cùng các cộng sự (1984) sử dụng thẩm kế cân để nghiên cứu những đặc tính của sự chặn nước của thảm thực vật có chiều cao trung bình của cây thạch nam Cảm biến từ xa cũng được sử dụng để đo đạc ngay tức khắc lượng nước được giữ lại trên toàn bộ tán lá của rừng cây Calder và Wright (1986) đã dùng sự suy giảm bức xạ gamma Một thiết bị phát và thu được treo ở hai tháp cách nhau 40 m và được nâng lên và hạ xuống để cho phép chùm tia có thể quét qua các tầng khác nhau của tán lá Tuy nhiên, vì những lý do an toàn, cách này không thể sử dụng cho những quan trắc dài hạn không có người theo dõi được

3.4 Những nhân tố tác động đến tổn thất do chặn nước của thảm thực vật

Nếu mưa rơi xuống tán lá của thảm thực vật khô thì tổn thất do chặn nước thường lớn nhất lúc bắt đầu trận mưa và giảm theo thời gian Quá trình này phản

ánh phần lớn sự thay đổi trạng thái của lượng trữ chặn nước (interception storage)

của thảm phủ thực vật, tức là khả năng của bề mặt thảm thực vật trong việc thu nhận và giữ lại giáng thủy rơi xuống Đầu tiên, khi tất cả lá cây và cành nhỏ hay thân cây khô, lượng trữ còn trống, khả năng trữ chặn nước là lớn nhất và một phần lớn lượng giáng thủy bị ngăn cản rơi xuống mặt đất Khi lá cây trở nên ẩm ướt hơn, khối lượng của nước trên đó cuối cùng vượt quá sức căng bề mặt mà nhờ đó chúng

được giữ lại và sau đó những giọt mưa thêm vào gần như hoàn toàn bù lại bởi những giọt nước rơi xuống từ các cạnh thấp hơn của lá cây Nó là một câu chuyện tưởng tượng nhưng mà dựa trên ý nghĩa phổ biến rõ ràng rằng khả năng chặn nước của cây cối lớn hơn thảm thực vật thấp và cây thân cỏ Vậy mà bảng 3.1 lại cho thấy khả năng trữ của tán lá rất giống nhau và thực tế khả năng của một số cây thân cỏ lớn hơn một số rừng Tuy nhiên, như đã nêu trong mục 3.5.2, tổn thất do chặn nước của

cỏ dĩ nhiên sẽ không lớn hơn được của rừng

Cần phải ghi nhớ rằng sự ngưng tụ và sự hình thành những giọt nước mưa ở trong khí quyển trên cao không nhất thiết có nghĩa là không khí ở gần mặt đất cũng bão hòa Một lượng nước đáng kể có thể mất đi do bốc hơi từ bề mặt của lá trong suốt trận mưa, đến nỗi ngay cả khi khả năng trữ nước bị chặn ban đầu đã bị choán hết chỗ, vẫn có sự chặn lại một lượng tương đối không đổi của giáng thủy rơi xuống để thực hiện sự tổn thất do bốc hơi Thực vậy, trong trận mưa kéo dài, tổn thất do chặn nước có thể có quan hệ chặt chẽ với tốc độ của sự bay hơi, vì thế mà những nhân tố khí tượng ảnh hưởng sau đó cũng có liên quan đến sự thảo luận này Trong khi mưa

đang rơi, tốc độ gió là một nhân tố có ý nghĩa thực sự quan trọng Những điều kiện khác giữ nguyên không đổi, sự bay hơi có xu hướng tăng cùng với tốc độ gió, kết quả

là trong suốt thời kỳ mưa kéo dài, tổn thất do chặn nước khi có gió lớn hơn là trong các điều kiện lặng gió Tuy nhiên, sự quan trắc này có thể ít thích hợp hơn đối với những trận mưa thời đoạn ngắn trong thời gian đó tốc độ gió lớn làm giảm khả năng trữ chặn nước thông qua việc đưa sớm nước ra khỏi bề mặt của thảm thực vật và do

đó phần nào ảnh hưởng nhiều hơn đến tổn thất do bốc hơi

Hình 3.3 Tỷ lệ chặn nước (tổn thất như là một phần của lượng mưa) so với (a) chiều sâu của giáng thủy bão

(dựa theo số liệu của Clegg, 1963); (b) chiều sâu giáng thủy hàng năm (Calder, 1990)

Thời đoạn của trận mưa là một nhân tố nữa ảnh hưởng đến sự chặn nước thông qua việc xác định sự cân bằng giữa lượng trữ nước giảm đi trên bề mặt của thảm thực vật và lượng tổn thất do bốc hơi tăng lên Số liệu thu thập được thông qua các công trình kinh điển của Horton (1919) và rất nhiều những nghiên cứu sau này đã cho thấy điều chắc chắn rằng tổn thất do chặn nước tăng cùng với thời đoạn của trận mưa, mặc dù tầm quan trọng tương đối của nó (tức là sự chặn nước như một phần của lượng mưa) giảm đi Vì lượng và thời đoạn mưa có quan hệ chặt chẽ với nhau, nên nhiều nghiên cứu đã gắn tổn thất do chặn nước với lượng mưa Khi một trận bão bắt

đầu, những tổn thất là lớn vì khả năng trữ chặn nước ban đầu bị đầy; sau đó chúng tăng chậm cùng với quá trình bay hơi của nước bị chặn trong quá trình mưa về sau khi khả năng trữ được bổ sung Do tốc độ của quá trình bay hơi này thường nhỏ hơn tốc độ mưa, nên tầm quan trọng tương đối của những tổn thất do chặn nước sẽ có xu hướng giảm khi lượng mưa tăng lên Điều này được minh họa trong hình 3.3(a) trong

đó tỷ lệ sự chặn nước (tức là tổn thất do chặn nước/giáng thủy) được vẽ so với lượng giáng thủy bão trong khu vực rừng nhiệt đới ở Puerto Rico Mối quan hệ cũng có thể

áp dụng cho những điều kiện hàng năm, như được minh họa trong hình 3.3(b) bằng biểu đồ của tỷ lệ sự chặn nước trung bình hàng năm so với lượng giáng thủy hàng năm cho một số địa điểm có rừng thuộc vùng có khí hậu hải dương ở nước Anh Bởi tỷ

lệ lượng mưa trung bình và bốc hơi tiềm năng trong trận mưa đồng nhất một cách

đáng ngạc nhiên nên tỷ lệ hàng năm là khá đồng nhất ở vào khoảng 0.30 – 0.35 (Calder, 1990; IH,1998)

Vì tổn thất do chặn nước lớn nhất xuất hiện ở thời gian đầu của trận bão, khi bề mặt của thảm thực vật còn khô và khả năng trữ chặn nước là lớn nên dễ dàng thấy là

tần số mưa, tức là tần số của tình trạng làm ẩm ướt lại có khả năng có tầm quan trọng đáng kể hơn thời đoạn cũng như lượng mưa

Tổn thất do chặn nước cũng bị tác động bởi loại giáng thủy bao gồm phân bố kích thước của giọt nước mưa và đặc biệt là sự tương phản giữa mưa và tuyết (sẽ được nói đầy đủ hơn ở phần sau) Một nhân tố quan trọng nữa mà cũng xứng đáng được nói

đến riêng rẽ là sự biến đổi của tổn thất do chặn nước với những loại và hình thái khác nhau của lớp phủ thực vât

3.5 Những tổn thất do chặn nước của các loại thảm thực vật khác nhau

Trên cơ sở của những thảo luận trước đây sẽ là hoàn toàn bình thường khi tổn thất do chặn nước ở các vị trí khác nhau thay đổi tương ứng với những khác biệt về những đặc điểm của thảm thực vật và giáng thủy Những ảnh hưởng chính của thảm thực vật có quan hệ với sự khác biệt về khả năng trữ chặn nước giữa các loại thảm thực vật và về độ nhám khí động lực và sự quan hệ của nó đối với sức cản khí động lực và tốc độ của quá trình bay hơi từ bề mặt ẩm ướt của thảm thực vật Theo thuật ngữ khái quát, những tổn thất do chặn nước sẽ lớn hơn đối với những thảm thực vật rậm rạp hơn, thảm thực vật cao hơn và khí hậu ẩm ướt hơn Những đặc điểm quan trọng nhất của giáng thủy là thời đoạn, tần số và cường độ cũng như là loại giáng thủy (lỏng hay rắn) (đã được đề cập riêng trong mục 3.7)

Bởi vì sự phức tạp của quá trình chặn nước và mối quan hệ qua lại giữa những nhân tố của thảm thực vật và những nhân tố khí tượng mà quyết định độ lớn của tổn thất do chặn nước, nên thường khó khăn để đưa ra sự so sánh chắc chắn giữa những

số liệu đã công bố về tổn thất do chặn nước Tuy nhiên rõ ràng là trong phần lớn các trường hợp, tổn thất do chặn nước ở cây lớn hơn cây thân cỏ hay cây nông nghiệp mặc

dù những nguyên nhân cho việc này thay đổi cùng với các điều kiện khí tượng Ví dụ,

ở miền núi nước Anh nơi mưa thường có thời đoạn dài và cường độ nhỏ và bề mặt thảm thực vật ẩm ướt trong một thời gian đáng kể, tổn thất do bôc hơi từ cây là khá lớn Nguyên nhân là vì sự tăng của tốc độ bốc hơi trong những điều kiện ẩm ướt (hay

là sự chặn nước) do độ nhám khí động học của cây lớn, hơn là khả năng trữ chặn nước hơi cao của chúng (Calder, 1979) Tỷ lệ chặn nước của cây có quả hình nón ở miền núi nước Anh thường là 30 - 35% của tổng lượng mưa do khí hậu hải dương với những trận mưa thời đoạn dài nhưng cường độ nhỏ Những tổn thất này là một trong những giá trị cao nhất thế giới và đó chính là nguyên nhân mà một khối lượng đáng kể những nghiên cứu về sự chặn nước của rừng được tiến hành ở nước Anh

Tuy nhiên, trong những điều kiện khác vai trò của khả năng trữ chặn nước trong việc xác định sự khác biệt về tổn thất do chặn nước giữa cây và cỏ có thể quan trọng hơn nhiều Đây là trường hợp có mưa thường xuyên nhưng tồn tại trong thời gian ngắn với sự khô hạn nhanh giữa các trận mưa

Giá trị của tổn thất do chặn nước đối với những thảm phủ thực vật được nêu ra trong mục này phải được giải thích càng rõ càng tốt dưới ánh sáng của cả sự trọn vẹn của số liệu đo đạc được và những điều kiện thời tiết Ví dụ, trong một số trường hợp những đo đạc về dòng chảy qua thân và cành cây, trong những trường hợp khác thành phần này được công nhận tức thời và trong nhiều trường hợp dường như nó hoàn toàn được bỏ qua Mặt khác dữ liệu được trình bày trong tài liệu, đặc biệt là đề

cập đến lượng, thời đoạn, tần số, cường độ và loại giáng thủy, tất cả các loại này cần thừa nhận một sự hiểu có ý nghĩa của số liệu sau:

3.5.1 Rừng

Trong nhiều trường hợp, dù cho thực tế là mật độ lá ở rừng cây rụng lá dày hơn

ở rừng cây lá kim, phần chủ yếu của bằng chứng thực nghiệm cho thấy những tổn thất do chặn nước lớn hơn ở rừng cây lá kim Xem xét lại một phạm vi rộng lớn số liệu của Nga, châu Âu và Mỹ, Rakhmanov (1966) cho rằng rừng lá kim cùng với rừng thưa và rừng cấm trên các bãi than bùn và địa hình đầm lầy, chặn một lượng trung bình khoảng 25 - 35% lượng giáng thủy hàng năm so với 15 - 25% của những khu rừng lá rộng Những giá trị tương tự đối với sự chặn nước của rừng lá kim ở nước Anh

được đưa ra bởi Calder (1990) và một tài liệu của châu Âu gần đây hơn dùng cho rừng cây lá rộng rụng lá cho biết giá trị tổn thất từ 10 - 30% (IH, 1998) Đối với rừng cây xanh lá hỗn tạp ở South Island, New Zealand, tổn thất do chặn nước trung bình khoảng 29% (Pearce và những người khác, 1982)

Sự tương phản giưa rừng lá rộng và rừng lá kim được minh họa trong hình 3.4 Cả hai loại rừng đều cho thấy sự giảm bớt tầm quan trọng tương đối của tổn thất do chặn nước khi lượng mưa tăng lên nhưng trên toàn vùng của lượng mưa tổng cộng, tổn thất do chặn nước của rừng lá kim lớn hơn rõ ràng Một trong những nguyên nhân của sự tương phản này có thể là trong khi những giọt nước vẫn bám sát để rời

ra khỏi lá kim thì chúng có xu hướng chảy cùng nhau trên lá rộng và do đó rơi xuống hay chảy xuống các cành và nhánh cây Cây lá kim đặc trưng là có khả năng trữ chặn nước khoảng 1-2 mm, trong khi những cây lá rộng có giá trị dưới 1 mm (Harding và các cộng sự, 1992) Cũng có khả năng là kết cấu mở của lá nhọn cho phép sự lưu thông không khí tự do hơn và do đó quá trình bốc hơi của lượng ẩm được giữ lại cũng nhanh hơn Những tổn thất do chặn nước sẽ phụ thuộc vào một số nhân tố bao gồm tuổi của cây và cấu trúc của rừng Teklehaimanot và các cộng sự (1991) chỉ ra tầm quan trọng của khoảng cách giữa các cây Tổn thất do chặn nước giảm từ 33% xuống còn 9% của lượng mưa khi khoảng cách giữa các cây vân sam Sitka được tăng từ 2 lên

8 m Sự biến đổi lớn hơn giữa các vị trị của những cây lá rộng trong hình 3.4 có thể là

do chúng bao gồm nhiều loài hỗn tạp với tuổi khác nhau và thảm thực vật có tầng biến đổi; ngược lại những nơi có cây lá kim thì thường bằng tuổi, cây trồng đơn loài Những đánh giá về sự chặn nước ở rừng nhiệt đới thì rất hay thay đổi, do những khó khăn của việc lấy mẫu theo không gian nhưng thường thấp hơn nhiều so với những đánh giá thu được ở rừng ôn đới Điều này là do 3 nguyên nhân chính:

Phần lớn các trận mưa ở vùng nhiệt đới sinh ra do những cơn dông đối lưu cường độ mạnh, thời đoạn ngắn

Những hạt nước lớn ít có hiệu quả trong việc làm ướt tán lá so với hạt nước nhỏ hơn

Lá cây của rừng mưa nhiệt đới thường có đầu mút để nước chảy nhỏ giọt mà để tập trung lượng mưa xuyên qua được (rơi xuống dưới dạng những giọt nước to)