HƯỚNG DẪN VỀ TÍNH TOÁN DỰ BÁO DÒNG CHẢY KIỆT

chảy ngưỡng cho một thời kỳ bất kỳ được trích xuất từ biểu đồ mực nước dựa vào phân tích thống kê về thời kỳ hơn, như là thủy sản và cảnh quan, hàng hải, chỉ dẫn chung về tần suất hạn Ch

Chịu trách nhiệm nội dung:

Biên tập nội dung:

HƯỚNG DẪN VỀ TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO

DÒNG CHẢY KIỆT Báo cáo thủy văn nghiệp vụ số 50, WMO-số 1029

LỜI NÓI ĐẦU

Mục tiêu của Hướng dẫn này là để công bố những quy trình phân tích tiên tiến

về tính toán và dự báo dòng chảy kiệt ở tất cả các địa điểm với các điều kiện về số liệu thực đo Hướng dẫn này sẽ được sử dụng để tính toán và dự báo dòng chảy kiệt cho nhiều ứng dụng, bao gồm quy hoạch tài nguyên nước, tính toán pha loãng chất thải và quản lý tài nguyên nước trong thời kỳ kiệt

Hướng dẫn này sẽ trở thành một trong những tài liệu hướng dẫn kỹ thuật trong Khung quản lý chất lượng của WMO về thủy văn và được thảo luận bởi phiên họp thứ

13 của Ủy ban Thủy văn

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Báo cáo của Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) (Báo cáo số 50 về vận hành thủy văn của WMO-No.1029)

Bản quyền: Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), 2008.

Chương 1 và 2: Giới thiệu các mục tiêu, cấu trúc và các vấn đề chính liên quan đến

dự đoán và dự báo dòng chảy kiệt

Chương 3: Thảo luận về yêu cầu số liệu để tính toán dòng chảy kiệt, bao gồm dòng

chảy trong sông và các đặc trưng liên quan đến lưu vực sông, ví dụ như loại đất, địa chất thủy văn và khí hậu

Chương 4: Trình bày các quá trình quan trọng của dòng chảy kiệt và hàng loạt kết

quả phản hồi của dòng chảy kiệt, cách hiểu này sẽ góp phần quan trọng trong phân tích và mô tả thông tin về dòng chảy kiệt

Chương 5: Mô tả những chỉ số đơn giản của dòng chảy kiệt, bao gồm chỉ số lưu

lượng vượt quá 95%, dòng chảy cơ sở và đặc trưng giảm dần

Chương 6,7 và 8: Giới thiệu quy trình tính toán đường cong dòng chảy-thời gian,

phân bố giá trị cực trị và phân tích sự thiếu hụt của dòng chảy

Chương 9: Mô tả các phương pháp tính toán dòng chảy kiệt ở các vị trí không có trạm

đo, bao gồm việc sử dụng chuỗi số liệu dòng chảy không đủ dài và các trạm gần kề để giảm thiểu độ bất ổn định trong tính toán dòng chảy

Chương 10: Trình bày các vấn đề thực tế trong việc tính toán dòng chảy kiệt trong

sông bị ảnh hưởng bởi các công trình điều khiển nước nhân tạo, như là điểm xả nước, quá trình bơm ngược trong xử lý nước thải và cống ngăn nước

Chương 11: Mô tả những ứng dụng chính của dòng chảy kiệt trong dự báo và trình

bày các phương pháp dự báo dòng chảy theo chuỗi thời gian

Chương 12: Trình bày các nghiên cứu riêng lẻ hoặc đồng thời với những nghiên cứu

khác về các vấn đề liên quan đến dòng chảy quốc tế, công cụ hỗ trợ ra quyết định về nguồn nước, hướng tiếp cận trong khu vực để tính toán thủy điện loại nhỏ và tính toán phần nước còn lại sau những điểm xả nước

năng lực Cùng với các phương pháp kỹ thuật, hi vọng rằng những kết luận và kiến nghị này sẽ giảm độ bất ổn định trong tính toán dòng chảy kiệt và cải thiện các phương pháp để phục vụ lợi ích của người sử dụng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 9

1.1 Mục tiêu 9

1.2 Bối cảnh 9

1.3 Cấu trúc 10

1.4 Các phương pháp không bao gồm trong Hướng dẫn này 12

1.5 Hướng dẫn cho các ứng dụng thực tế 13

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, DỰ ĐOÁN VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY KIỆT 15

2.1 Giới thiệu 15

2.2 Những thông tin dòng chảy kiệt 16

2.3 Các vấn đề về thiết kế 18

2.4 Các nghiên cứu trước đây 22

2.5 Phổ biến kết quả 22

2.6 Các nguyên tắc chính trong thiết kế dòng chảy kiệt 23

CHƯƠNG 3 SỐ LIỆU THỦY VĂN 25

3.1 Giới thiệu 25

3.2 Phân tích số liệu dòng chảy kiệt 25

3.3 Chuẩn bị số liệu đạt chất lượng để phân tích dòng chảy kiệt 31

CHƯƠNG 4 CÁC QUÁ TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY 48

4.1 Giới thiệu 48

4.2 Các quá trình gây ra dòng chảy kiệt 48

4.3 Dòng chảy kiệt trong các chế độ thủy văn khác nhau 53

CHƯƠNG 5 CÁC CHỈ SỐ DÒNG CHẢY KIỆT 58

5.1 Giới thiệu 58

5.2 Chỉ số dòng chảy cơ sở 58

5.3 Phân tích độ suy thoái 60

5.4 Các thống kê dòng chảy kiệt 65

5.5 Ứng dụng trong nghiệp vụ 66

CHƯƠNG 6 ĐƯỜNG CONG DÒNG CHẢY-THỜI GIAN 69

6.1 Định nghĩa và nguồn gốc 69

6.2 Tiêu chuẩn hóa 71

6.3 Các thời kì và mùa vụ 73

6.4 Các phân vị như là chỉ số của dòng chảy kiệt 74

6.5 Các ứng dụng của FDC 74

CHƯƠNG 7 PHÂN TÍCH GIÁ TRỊ CỰC TRỊ 79

7.1 Giới thiệu 79

7.2 Số liệu ví dụ cho phân tích tần suất dòng chảy kiệt tại chỗ 80

7.3 Giới thiệu về phân tích tần suất 81

7.4 Lựa chọn giá trị cực trị 84

7.5 Các hàm phân bố 87

7.6 Các phương pháp ước lượng tham số 89

7.7 Ước lượng sự kiện T năm 91

7.8 Áp dụng phân bố Weibull để phân tích dòng chảy kiệt 92

CHƯƠNG 8 SỰ THIẾU HỤT DÒNG CHẢY 101

8 1 Giới thiệu 101

8.2 Định nghĩa và nguồn gốc 102

8.3 Ứng dụng: Xác định các đặc điểm thiếu hụt của dòng chảy 106

8.4 Định nghĩa về các đặc trưng dòng chảy kiệt và độ thiếu hụt: Các tiêu chuẩn quốc gia ở Đức 107

CHƯƠNG 9 ƯỚC LƯỢNG DÒNG CHẢY KIỆT TẠI CÁC ĐỊA ĐIỂM KHÔNG CÓ TRẠM ĐO 110

9.1 Giới thiệu 110

9.2 Các phương pháp thực nghiệm 111

9.3 Các phương pháp thống kê – khu vực hóa 113

9.5 Sử dụng số liệu địa phương 122

CHƯƠNG 10 TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY KIỆT KHI SÔNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI 128

10.1 Giới thiệu 128

10.2 Liệt kê các tác động nhân tạo 129

10.3 Các ảnh hưởng nhân tạo 130

10.3.2 Xả thải vào các dòng sông 134

10.3.3 Hồ chứa đa mục tiêu 134

10.4 Tính toán dòng chảy kiệt do tác động của con người 136

10.4.1 Số liệu dòng chảy thực đo 136

10.4.2 Các vị trí không có trạm đo 136

10.4.5 Sơ đồ dòng chảy dư 138

10.5 Tự nhiên hóa dòng chảy 139

10.6 Biến đổi khí hậu và thay đổi trong sử dụng đất 140

CHƯƠNG 11 DỰ BÁO DÒNG CHẢY KIỆT 143

11.1 Giới thiệu 143

11.2 Thời kỳ dự báo 143

11.2 Dự báo ngắn hạn 145

11.2.1 Mục đích 145

11.2.2 Phân tích suy thoái 146

11.2.4 Các mô hình khác 147

11.3 Dự báo hạn vừa 148

11.3.1 Mục đích 148

11.4 Mục đích của dự báo dài hạn 149

11.5 Các kỹ thuật mô phỏng cơ bản trong dự báo 152

11.5.1 Mục đích 152

11.5.4 Mô hình chuyển cấp 155

11.5.5 Một vài điểm nhấn mạnh 156

11.6 Kết luận 157

CHƯƠNG 12 CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 159

12.1 Tóm tắt các nghiên cứu thực nghiệm 159

12.2 Sông đa quốc gia 160

12.3 Công cụ hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước theo quy mô lưu vực ở Anh 169

12.4 Vấn đề quản lý dòng chảy kiệt ở Vương Quốc Anh 173

12.5 Quản lý thời gian thực của các yêu cầu về dòng chảy môi trường đối với sông Thukela ở Nam Phi 178

12.6 Các mô hình tài nguyên theo vùng cho thủy điện quy mô nhỏ: Ấn Độ và Nepal 182

12.7 Ước lượng dòng chảy còn lại và thủy điện: Na Uy 185

CHƯƠNG 13 KIẾN NGHỊ VÀ KẾT LUẬN 190

13.1 Giới thiệu 190

13.2 Số liệu 190

13.3 Các ứng dụng trong nghiệp vụ 191

13.4 Nâng cao năng lực 193

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Mục tiêu

Một trong những mục tiêu của WMO là

giới thiệu những tiêu chuẩn quan trắc

khí tượng và thủy văn và đảm bảo độ

phân tích hợp lý và thích hợp của dữ

liệu môi trường WMO đã xuất bản

những hướng dẫn mô tả chi tiết các ứng

dụng thực tế, quy trình và đặc điểm kỹ

thuật do các thành viên của WMO thực

hiện Hướng dẫn này đóng góp cho

nhiệm vụ trên và mục tiêu quan trọng

của nó là nhằm mục đích công bố

những quy trình phân tích tiên tiến về

tính toán và dự báo dòng chảy kiệt ở tất

cả các địa điểm, với tất cả các điều kiện

về số liệu thực đo

Hướng dẫn sẽ được sử dụng bởi các cơ

quan dự báo nghiệp vụ để dự đoán và

dự báo dòng chảy kiệt cho các mục

đích như quy hoạch tài nguyên nước

cho một khu vực và cho một quốc gia,

thiết kế cấp nước công cộng, quyết

định lượng dòng chảy vào, tính toán

pha loãng chất thải, hàng hải, thiết kế

hệ thống tưới và quản lý tài nguyên

nước trong thời kỳ kiệt Hướng dẫn này

sẽ giúp ích giảm thiểu ảnh hưởng thủy

văn của dòng chảy kiệt và thiết kế

mạng lưới giám sát dòng chảy Hướng

đang sử dụng để dự đoán và dự báo

dòng chảy kiệt và các ví dụ thực tế về

những ứng dụng trong dự báo nghiệp

vụ Nó giải quyết việc tính toán dòng

chảy kiệt từ chuỗi số liệu đo liên tục, ở

các vị trí không có trạm đo và từ chuỗi

số liệu không đủ dài ở cả lưu vực tự

nhiên và nhân tạo Hướng dẫn này sẽ

có giá trị cho các dự báo viên thủy văn

ở các cơ quan dự báo nghiệp vụ nơi quy trình tính toán dòng chảy kiệt đã được phát triển hoặc cải tiến và cho các giáo sư giảng dạy những khóa kỹ thuật ngắn hạn và các khóa dành cho cử nhân

và thạc sỹ chuyên ngành thủy văn ứng dụng

1.2 Bối cảnh

Hướng dẫn này nằm trong nhiều tài liệu xuất bản của WMO bao gồm các hướng dẫn và nguyên tắc trong Khung quản lý chất lượng của WMO về thủy văn Tất cả các hướng dẫn này đưa ra một phương pháp thiết kế thủy văn và tài nguyên nước và hướng vào giải quyết những nhu cầu của các trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia Các hướng dẫn sẽ bao gồm cả phần lý thuyết giúp cho việc hiểu rõ bản chất của vấn đề Những hướng dẫn được thiết lập theo những chủ đề sau: dự báo

lũ, lượng mưa lớn nhất có khả năng xảy ra/ trận lũ lớn nhất có khả năng xảy ra,

lũ thiết kế, tính toán dòng chảy kiệt, và đánh giá tài nguyên nước Hướng dẫn

sẽ bổ sung thông tin trong thủy văn thực hành WMO-số 168) và các quy chuẩn kỹ thuật của WMO (WMO-số 49)

Hướng dẫn này bổ sung hệ thống điều hành thủy văn đa mục tiêu (HOMS-Hydrological Operational Multipurpose System) do WMO xây dựng để chuyển giao công nghệ trong thủy văn và tài nguyên nước Công nghệ này mô tả dụng cụ đo đạc thủy văn, các hướng

dẫn kỹ thuật hay các chương trình máy

tính và được sử dụng trong nghiệp vụ

bởi các trung tâm khí tượng thủy văn

quốc gia thuộc WMO Điều này đảm

bảo cho việc chuyển giao công nghệ

không chỉ sẵn sàng cho việc sử dụng,

mà còn đảm bảo thực hiện công việc

một cách đáng tin cậy Các nước thành

viên tham gia chỉ định một trung tâm

tham khảo quốc gia về HOMS

(HNRC), thường là trung tâm thủy văn

quốc gia Trung tâm này sẽ cung cấp

thành phần quốc gia ở HOMS, giải

quyết những yêu cầu quốc gia về các

thành phần của HOMS được cung cấp

từ các trung tâm HNRC khác, cố vấn

cho người sử dụng về HOMS, và hợp

tác cũng như công bố các hoạt động

của HOMS

Các thuật ngữ được sử dụng trong báo

cáo này giống với những chú giải về

thủy văn của UNESCO và WMO

(UNESCO/WMO, 1992) và hạn thủy

văn-quá trình và các phương pháp tính

toán dòng chảy và dòng chảy ngầm

(Tallaksen and van Lanen, 2004)

Nghiên cứu về hạn thủy văn cũng đưa

ra góc nhìn rộng hơn về các vấn đề hạn

hán, bao gồm các quá trình thủy văn

gây ra hạn hán, và các phương pháp

phân tích dòng chảy trong sông và hạn

hán trong tầng nước ngầm, dòng chảy

sinh thái và quản lý dòng chảy

Hướng dẫn này trình bày những

phương pháp khác nhau để phân tích số

liệu thủy văn phục vụ cho công tác dự

đoán và dự báo dòng chảy kiệt Bảng 1

tổng kết những cách mô tả chế độ dòng chảy kiệt trong sông, đặc trưng riêng của phương pháp phân tích, yêu cầu về

số liệu và một vài ứng dụng thông thường Hướng dẫn sẽ cung cấp từng bước tính toán những đặc trưng dòng chảy kiệt này từ dữ liệu dòng chảy tự ghi và các phương pháp ước lượng các đặc trưng này ở các vị trí không có trạm đo và đối với dự báo dòng chảy kiệt vào các bước thời gian khác nhau Các phương pháp sẽ được phân tích bằng các ví dụ thực tế được sử dụng trong dự báo thủy văn nghiệp vụ

Chương này và chương 2 giới thiệu mục tiêu, cấu trúc và các vấn đề quan trọng liên quan đến dự đoán và dự báo dòng chảy kiệt Chương 3 đưa ra đánh giá toàn diện những yêu cầu về số liệu

để tính toán dòng chảy kiệt, bao gồm dòng chảy trong sông và các đặc trưng lưu vực tương ứng như là loại đất, địa chất thủy văn và khí hậu Chương 4 giới thiệu các quá trình chính của dòng chảy kiệt và hàng loạt phản hồi của dòng chảy kiệt; những kiến thức này rất quan trọng cho việc phân tích và mô tả thông tin dòng chảy kiệt Chương 5 đưa

ra những chỉ số đơn giản của dòng chảy kiệt, bao gồm chỉ số lưu lượng vượt quá 95%, dòng chảy cơ sở và đặc trưng giảm dần, phân bố giá trị cực trị và phân tích sự thiếu hụt của dòng chảy Chương 6, 7 và 8 cung cấp quy trình tính toán đường cong dòng chảy-thời gian, phân bố giá trị cực trị và phân tích thiếu hụt dòng chảy

Chương 9 mô tả các phương pháp tính toán dòng chảy kiệt ở các vị trí không

có trạm đo, bao gồm việc sử dụng

chuỗi số liệu dòng chảy không đủ dài

và các trạm gần kề để giảm thiểu độ bất

ổn định trong tính toán dòng chảy

Chương 10 trình bày các vấn đề thực tế

trong việc tính toán dòng chảy kiệt

trong sông bị ảnh hưởng bới các công

trình điều khiển nước nhân tạo, như là

điểm xả nước, quá trình bơm ngược

trong xử lý nước thải và cống ngăn

nước Chương 11 mô tả những ứng

dụng chính khi dự báo dòng chảy kiệt

được yêu cầu và trình bày các phương pháp cho dự báo dòng chảy theo chuỗi thời gian Chương 12 trình bày các nghiên cứu liên quan đến sông quốc tế, công cụ hỗ trợ ra quyết định về nguồn nước, hướng tiếp cận trong khu vực để tính toán thủy điện loại nhỏ và tính toán phần nước còn lại sau những điểm

xả nước Hy vọng rằng một vài bước thực hiện mô tả trong các chương phân tích sẽ được đặt trong ngữ cảnh rộng hơn

Bảng 1.1 Tóm tắt cách đo đạc chế độ dòng chảy kiệt (dựa trên nghiên cứu

của Gustard và cộng sự, 1992) Chế độ được

ngày, tuần hoặc tháng

Định nghĩa chế độ chung, cấp phép lấy nước (quyền về nước) hoặc nước thải (thỏa thuận xả); thiết kế thủy điện

chảy nhỏ nhất

hàng năm

Dòng chảy thấp nhất hàng năm

điểm bất kỳ)

Dòng chảy thấp nhất hàng năm-ngày hoặc trung bình một vài ngày

dòng chảy kiệt

Những vấn đề chất lượng nước phức tạp

chảy ngưỡng cho một

thời kỳ bất kỳ

được trích xuất

từ biểu đồ mực nước dựa vào phân tích thống

kê về thời kỳ

hơn, như là thủy sản và cảnh quan, hàng hải, chỉ dẫn chung về tần suất hạn

Chỉ số giảm

dần

Tốc độ giảm dần của đường quá trình

ngày trong suốt thời kỳ mùa khô

ngày

Nghiên cứu địa chất thủy văn, tính toán sơ bộ nguồn cấp nước

Chương 13 đưa ra kết luận và kiến nghị

liên quan đến thu thập số liệu, thủy văn

nghiệp vụ và tăng cường năng lực

Cùng với các phương pháp kỹ thuật, hi

vọng rằng những kết luận và kiến nghị

này sẽ giảm độ bất ổn định trong tính

toán dòng chảy kiệt và cải thiện các

phương pháp để chuyển giao thông tin

này đến các bên liên quan

1.4 Các phương pháp không bao gồm

trong Hướng dẫn này

Mặc dù quy trình thông dụng nhất để

giảm thiểu những ảnh hưởng của dòng

chảy kiệt là để cung cấp lượng nước

tích trữ cho các hồ chứa, mối quan hệ

về khả năng tích nước để thiết kế hồ

chứa không nằm trong mục tiêu của

Hướng dẫn này Một tổng quan chi tiết của vấn đề này đã được nghiên cứu bởi McMahon và Mein (1978) Xu thế về

số liệu thủy văn được thảo luận để xác định sự không đồng nhất trong chuỗi dòng chảy ở Chương 3 (phần 3.3.3) Tuy nhiên Hướng dẫn này không mô tả nhiều phương pháp cho việc dò tìm xu hướng vì đã được mô tả chi tiết trong WMO (2000) Mặc dù mô phỏng lưu vực được trình bày trong Chương 9, xuất phát từ quan điểm tính toán dòng chảy ở các vị trí không có trạm đo, Hướng dẫn không đánh giá hay mô tả từng bước thực hiện một cách chi tiết cho thiết kế mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định Beven (2001) đã đánh giá nguyên tắc và ứng dụng mô phỏng quá trình thủy văn, và bao gồm tài liệu

tham khảo cho các ứng dụng Một

hướng tương tự được thực hiện liên

quan đến dự báo dòng chảy kiệt

Những vấn đề chính liên quan đến các

thời kỳ dự báo khác nhau và các

phương pháp dự báo đã được đánh giá;

tuy nhiên mô tả từng bước về mô

phỏng và dự báo trong thời gian thực

của các mô hình dự báo cũng nằm

ngoài mục tiêu của Hướng dẫn này

Mặc dù Hướng dẫn nhấn mạnh tầm

quan trọng của các vấn đề về sinh thái

trong thiết kế dòng chảy kiệt nhưng sẽ

không mô tả các quá trình sinh thái và

mô hình sử dụng trong thiết lập dòng

chảy đến mà đã được mô tả chi tiết

trong Tallaken và van Lanen (2004)

toán dòng chảy kiệt bởi vì sự đa dạng

của môi trường thủy văn và các vấn đề

về nguồn nước, hiện trạng của chuỗi số

liệu, các mô hình sẵn có và thời gian và

kỹ năng cần thiết để giải quyết một vấn

đề Có thể ở đâu đó những hướng dẫn

về một số mặt của việc tính toán dòng

chảy kiệt đã được trình bày Nó sẽ phù

hợp khi mà một phương pháp được mô

tả hoàn chỉnh, ví dụ, trong tính toán các

chỉ số dòng chảy kiệt hay phân bố phù

hợp đối với giá trị nhỏ nhất hàng năm

Tuy nhiên, nhiều thành phần để ước

lượng mạng lưới thủy văn và đóng vai

trò chính trong việc tính toán dòng

chảy kiệt, phát triển các mô hình thống

kê khu vực, các mô hình lưu vực tất

định và các quy trình dự báo toàn diện thì không thể được tổng hợp như các bước đơn giản Từng hướng tiếp cận sẽ liên quan đến việc lựa chọn từ một loạt các tùy chọn có sẵn, cái mà đến lượt nó

sẽ yêu cầu các kỹ năng của nhà phân tích thủy văn và kinh nghiệm từ việc nghiên cứu thủy văn và công tác dự báo tác nghiệp Chiến lược này có thể được ứng dụng để phát triển các quy trình tính toán dòng chảy kiệt và có nhiều lợi ích rõ ràng để hình thành những quy chuẩn được đồng thuận bởi các cơ quan quốc gia chịu trách nhiệm về chính sách tài nguyên nước Tuy nhiên, vấn

đề này không được mở rộng để mô tả từng phần tính toán dòng chảy kiệt Một vài những chỉ dẫn hữu ích dựa trên mặt tích cực và tiêu cực trong tiêu chuẩn hóa thiết kế lũ quốc gia được trình bày trong Reed (1999) Nhiều vấn

đề trong hướng dẫn này cũng tương ứng để tính toán dòng chảy kiệt

Tài liệu tham khảo

Beven, K.J., 2001: Rainfall-Runoff

Modelling: The Primer John Wiley &

Sons, Chichester, United Kingdom Gustard, A., A Bulock and J.M Dixon,

1992: Low Flow Estimation in the

United Kingdom Institute of

Wallingford, United Kingdom

McMahon, T.A and R.G Mein, 1978:

Reservoir Capacity and Yield

Developments in Water Science 0, Elesevier, Amsterdam, the Netherlands

Reed, D.W., 1999: Flood Estimation

Handbook - Volume 1: Overview,

Institute of Hydrology, Wallingford,

United Kingdom

Tallaksen, L.M and H.A.J van Lanen

(eds), 2004: Hydrological Drought -

Processes and Estimation Methods for

Streamflow and Groundwater

Developments in Water Science, 48,

Elsevier Science B.V., Amsterdam

United Nations Educational, Scientific

Meteorological Organization, 1992:

International Glossary of Hydrology

Second edition, UNESCO, Paris

World Meteorological Organization,

Regulations (WMO-No 49), Geneva

2000: Detecting Trend and other

Changes in Hydrological Data (Z.W

Kundzewicz and A Robson, eds)

Geneva

2008: Guide to Hydrological Pratices

Volume I, sixth edition (WMO-NO

preparation)

thông tin dòng chảy kiệt được yêu cầu

Đầu tiên là khi những công trình điều

tiết nguồn nước được xây dựng Những

công trình này thường yêu cầu một

nghiên cứu tiền khả thi để quyết định

liệu những mục tiêu của đề xuất có thể

đạt được hay không Với những công

trình có vốn đầu tư lớn, yêu cầu chi tiết

về thiết kế công trình được đặt ra bao

gồm cả những tính toán tần suất dòng

chảy kiệt Thứ hai là trong thời kỳ điều

hành công trình điều tiết nguồn nước

khi nó đã được xây dựng, và bao gồm

các quyết định để quản lý công trình

hàng ngày Ví dụ, quyết định bao nhiêu

lượng nước có thể được chuyển từ sông

để phục vụ mục đích thủy điện mà

không vi phạm các điều kiện lấy nước

theo luật có thể rất cần thiết Điều này

có thể phụ thuốc vào từng thời điểm

trong năm hay lượng nước ở hạ lưu Ở

nhiều nước, những hạn chế về điều

hành không được đề cập chính thức và

nhà điều hành phải hiểu biết, và cảm

thông cho những nhu cầu của những

người sử dụng nước ở hạ lưu Ví dụ,

nước có thể cần thiết cho nhu cầu sử

dụng cá nhân, hay cho mục đích nông

nghiệp, sản xuất điện, đường thủy,

phục vụ công nghiệp, du lịch, xử lý

nước thải công nghiệp hay nước thải

sinh hoạt, duy trì hệ sinh thái để sản

xuất thực phẩm hay duy trì hệ sinh thái

tự nhiên cho một con sông Kịch bản

thứ ba được sử dụng khi đưa ra những quyết định điều hành hiện tại dựa vào những tính toán dòng chảy tương lai với thời gian dự kiến theo ngày, tuần hoặc tháng Những dự báo này có thể tăng tính hiệu quả của việc sử dụng nước và hiệu quả về mặt kinh tế khi giảm được chi phí hoạt động của các công trình điều tiết nguồn nước Những cảnh báo chung về lượng mưa thấp hơn trung bình hàng năm trong một vài tháng tới có giá trị cho các kế hoạch dài hạn và dự phòng khi hạn hán nghiêm trọng xảy ra (Chương 11)

Về mặt lịch sử, hầu hết các ứng dụng của thông tin dòng chảy kiệt được sử dụng trong thiết kế và điều hành các công trình cho từng khu vực sử dụng nước riêng, như là cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu, năng lượng, đường thủy và công nghiệp Bây giờ nhu cầu giám sát

và phân tích cơ bản về dòng chảy kiệt

để hỗ trợ quản lý tích hợp lưu vực sông được công nhận Điều này cung cấp khung hỗ trợ cho các cơ quan môi trường để đưa ra những quyết định liên quan đến phát triển nguồn nước cho các lưu vực sông và ngăn chặn các quyết định tức thời dựa trên những nghiên cứu trường hợp cụ thể Ví dụ, so sánh việc lấy nước hiện tại với các tính toán dòng chảy kiệt cho tất cả các nhánh sông trên một lưu vực, hoặc trên các sông chính nơi không còn được hỗ trợ việc lấy nước lâu dài có thể được xác định Tương tự, những con sông có tiềm năng lấy nước lâu dài mà không ảnh hưởng đến lợi ích ở dưới hạ lưu,

nhấn mạnh Các kỹ thuật để đánh giá

nguồn nước sẽ được mô tả chi tiết trong

quyển hướng dẫn đánh giá nguồn nước

của WMO (đang trong quá trình chuẩn

bị) Thông tin nền dài hạn có thể được

sử dụng để đưa ra các cảnh báo sớm về

những thay đổi tự nhiên hay nhân tạo

trong chế độ dòng chảy kiệt

2.2 Những thông tin dòng chảy kiệt

2.2.1 Quản lý lưu vực sông

Thông tin về dòng chảy kiệt được yêu

cầu cho rất nhiều ứng dụng và được

kiểm soát bởi luật và chính sách về

nước của quốc gia và quốc tế Ví dụ, ở

Châu Âu, chỉ thị khung hành động về

nước được thông qua bởi Quốc hội

Châu Âu và Hội đồng liên minh Châu

Âu vào tháng 10 năm 2000 Chỉ thị này

thiết lập khung chiến lược cho việc

quản lý bền vững cả nguồn nước mặt

và nguồn nước ngầm Chỉ thị cũng yêu

cầu quản lý từ các chính quyền nằm

trên lưu vực sông và không theo ranh

giới hành chính hoặc chính trị (xem

phần 12.3.2) Một thành phần quan

trọng để tạo ra các kế hoạch dài hạn

liên quan đến quản lý tổng hợp tài

nguyên nước Điều này sẽ yêu cầu các

tính toán dòng chảy kiệt để giảm thiểu

tác động đến môi trường của việc lấy

nước hiện tại và lập kế hoạch phát triển

nguồn nước trong tương lai

2.2.2 Khai thác nước từ các con sông

Theo truyền thống, một trong những

ứng dụng thông tin dòng chảy kiệt

thường xuyên nhất là thiết kế và điều

hành các công trình cấp nước sinh hoạt

Thông tin về tần suất xảy ra dòng chảy

kiệt được yêu cầu để đánh giá khả năng lấy nước mà không giải quyết nhu cầu

dự kiến Việc lấy nước có thể trực tiếp

từ nhà máy xử lý nước hoặc hồ chứa

Về mặt phân tích thủy văn, các vấn đề tương tự liên quan đến lấy nước và tưới tiêu, mặc dù có sự thay đổi mạnh hơn theo mùa và theo nhiều năm liên tiếp (ở vùng khí hậu ôn đới) đối với nhu cầu nông nghiệp, phụ thuộc chủ yếu vào loại cây trồng và khí hậu địa phương Mục tiêu thường xuyên là tính toán khu vực nơi có thể được tưới cho một loại cây trồng nhất định với rủi ro thất bại nhất định Mặc dù thiết kế các công trình thủy điện phụ thuộc vào loại dòng chảy, dòng chảy kiệt có thể quan trọng trong việc quyết định lượng nước phải chảy qua nhà máy thủy điện để duy trì

hệ sinh thái sông ở hạ lưu và lượng nước sinh ra điện trong mùa khô Các nhà máy nhiệt điện phụ thuộc vào lấy nước để làm mát và thông tin về dòng chảy kiệt được yêu cầu khi lượng nước tối thiểu phải được duy trì cho việc lấy nước và lượng nước thải của quá trình làm mát phục vụ mục đích thiết kế

Ứng dụng hay gặp nhất trong việc sử dụng thông tin dòng chảy kiệt là tính toán lượng nước thải từ sinh hoạt và công nghiệp xả ra sông ngòi Sự thỏa thuận về luật pháp được bắt buộc đối với các trường hợp xả các chất gây ô nhiễm Các mô hình chất lượng nước dựa vào tốc độ và chất lượng xả và dòng chảy và chất lượng các con sông nhận lượng chất xả được sử dụng để quyết định phân bố tần suất chất lượng

nước ở hạ lưu Đường cong dòng chảy

theo thời gian (hàm phân phối tích lũy)

của dòng chảy ở các con sông nhận

lượng chất xả là dạng được sử dụng

nhiều nhất để phân tích (Chương 6)

Thiết kế này trái với ứng dụng thời

gian thực để đánh giá tác động của các

sự cố ô nhiễm, ví dụ, lượng dầu xả ra

sau sự cố công nghiệp Tốc độ dòng

chảy được sử dụng để tính toán tốc độ

lan truyền và thời gian di chuyển để

cảnh báo cho những đơn vị lấy nước ở

hạ lưu để dừng lấy nước

2.2.4 Đường thủy

Hệ thống sông cung cấp một phương

tiện giao thông quan trọng cho cả nền

công nghiệp và giải trí Đường thủy bị

gián đoạn trong suốt thời kỳ dòng chảy

kiệt bởi vì lượng nước bị giảm không

thể đủ khả năng để lưu hành tàu thuyền

và lượng nước có sẵn không đủ cho các

hoạt động đường thủy Giá trị thủy văn

quan trọng là độ sâu của nước, và trong

trường hợp thiếu số liệu quan trắc,

chiều sâu trung bình mặt cắt phải được

ước lượng bằng chuỗi thời gian của

dòng chảy trong sông và các mô hình

thủy lực Những giá trị cho phép tính

toán số lần ngành đường thủy bị gián

đoạn cho từng loại tàu thuyền và đề

xuất để cải thiện đường sông trong khi

bảo vệ hệ sinh thái tự nhiên Đường

thủy được định hướng đầu tư dài hạn

và cơ sở hạ tầng liên quan không thể dễ

thay đổi, thiết kế hay xây dựng lại Do

đó, dự báo dòng chảy kiệt rất quan

trọng để cảnh báo cho các công ty vận

chuyển hàng hóa về những hạn chế của

đường thủy và có cơ hội để cung cấp

những phương tiện thay thế trong điều kiện khắc nghiệt

2.2.5 Bảo vệ hệ sinh thái và cảnh quan

Hệ sinh thái dễ bị tổn thương nhất trong suốt giai đoạn dòng chảy kiệt do suy giảm môi trường sống, cực trị của nhiệt độ nước, giảm lượng ôxy hòa tan, suy thoái chất lượng nước (do lượng chất thải xả ra) và môi trường sống phân mảnh (gây ra bởi rào cản tự nhiên

và nhân tạo đối với sự di chuyển của cá) Các kỹ thuật liên quan bao gồm các phương pháp đơn giản dựa vào các chỉ số dòng chảy kiệt thường được biết đến như thiết lập các tiêu chuẩn và bao gồm giá trị trung bình hàng năm nhỏ nhất của một khoảng thời gian nhất định (Chương 5) hay là phân vị từ đường cong dòng chảy với thời gian (Chương 6) Lưu lượng ước lượng sau

đó được sử dụng để thiết lập dòng chảy nhỏ nhất trong một con sông khi lưu lượng nhỏ hơn mức độ này, sự lấy nước nên ngừng lại (hoặc giảm dần) Các phương pháp tiên tiến hơn bao gồm mô phỏng môi trường sống nơi sự tác động của từng chế độ dòng chảy kiệt lên từng sinh vật và từng giai đoạn phát triển được đánh giá (Tallaksen và van Lanen, 2004) Để hỗ trợ các hệsinh thái phức tạp, dòng sông là tài sản

tự nhiên cho các hoạt động thể thao và giải trí (ví dụ, chèo thuyền, câu cá, khoa học nghiên cứu về loài chim và đi bộ) Đảm bảo đủ độ sâu nước hay vận tốc trong thời kỳ kiệt có thể tăng sự hấp dẫn tự nhiên của các dòng sông

2.3 Các vấn đề về thiết kế

2.3.1 Tính toán, rủi ro và dự báo

Hướng dẫn này sử dụng thuật ngữ

chung “tính toán dòng chảy kiệt” Điều

này có thể được ứng dụng đối với lưu

lượng thực đo bất kỳ vào một ngày bất

kỳ, thống kê dòng chảy kiệt được tính

toán từ số liệu, thống kê được tính toán

từ một mô hình hay một dự báo về

dòng chảy kiệt trong tương lai Thuật

ngữ “tính toán” chỉ ra rằng có một sai

số tính toán và giá trị dự báo sẽ khác so

với giá trị thực đo

Hướng dẫn của WMO về thực hành

thủy văn (WMO-số 168) xem xét sai số

tính toán chi tiết Dòng chảy kiệt có thể

được phân tích theo một số cách khác

nhau Một vài cách là những giá trị

riêng lẻ như là hằng số nước rút, phần

trăm dòng chảy cơ sở hay trung bình

của một chuỗi số liệu Những cách

phân tích này gọi là các chỉ số dòng

chảy kiệt Các phương pháp phức tạp

hơn tính toán dòng chảy kiệt liên quan

đến xác suất Ví dụ, hàm phân bố lũy

tích (đường cong dòng chảy-thời gian)

của dòng chảy hàng ngày mô tả mối

quan hệ giữa lưu lượng và phần trăm

thời gian khi lưu lượng bất kỳ vượt quá

(Chương 6) Kỹ thuật tính các giá trị

cực trị được trình bày ở Chương 7 để

ước lượng xác suất không vượt quá của

giá trị nhỏ nhất hàng năm Sự khác biệt

quan trọng trong hai cách tính là đường

cong dòng chảy-thời gian xem xét tất

cả các ngày trong chuỗi thời gian và do

đó phần trăm thời gian trên toàn bộ thời

điểm đo khi mà dòng chảy bất kỳ bị

vượt quá Trái lại, các phương pháp tính giá trị cực trị được ứng dụng đối với số liệu nhỏ nhất hàng năm tính toán xác suất không vượt quá trong nhiều năm, hay các bước trung bình trong nhiều năm (chu kỳ) khi giá trị nhỏ nhất hàng năm nhỏ hơn giá trị bất kỳ Do

đó, xác định tuổi thọ thiết kế của công trình điều tiết nguồn nước bất kỳ rất hữu ích Rủi ro của việc trải qua một hoặc nhiều giá trị nhỏ nhất hàng năm thấp hơn lưu lượng nhỏ nhất T-năm trong suốt thời kỳ thiết kế của M năm là:

(2.1) Xác suất rủi ro r khi trải qua giá trị nhỏ nhất xảy ra trong thời đoạn 100 năm trong suốt thời kỳ thiết kế của 100 năm

có thể được tính toán qua thiết kế T =

100 và M = 100 trong phương trình trên Điều này có nghĩa là tần suất là 0.63 và đưa ra một hướng hữu ích cho việc chứng minh rằng tần suất “thất bại” trong suốt thời kỳ vận hành của một công trình bất kỳ là quan trọng và các kế hoạch dự phòng cho các sự kiện cực đoan nên được kết hợp trong thiết

kế Mặc dù thiết kế các công trình điều

của Hướng dẫn này, một điều đáng lưu

ý là một khái niệm quan trọng của từng công trình là “mức độ dịch vụ” Đây là một tính toán tần suất và dự kiến kế hoạch của người sử dụng công trình điều tiết nguồn nước Ví dụ, công trình tưới tiêu có thể chỉ cung cấp 50 phần trăm công suất lấy nước thiết kế cho ba tháng, chỉ trong 20 năm Tính toán

dòng chảy kiệt là một thành phần quan

trọng trong tính toán mức độ dịch vụ

Những phương pháp trên không nhằm

mục đích để tính toán giá trị lưu lượng

bất kỳ hay thống kê dòng chảy kiệt sẽ

xảy ra Ngược lại, kỹ thuật dự báo mô

tả trong Chương 11 tính toán cả cường

độ dòng chảy kiệt và thời gian xảy ra

theo ngày và tháng trong tương lai Khi

thời gian dự kiến tăng lên, mức độ

chính xác của dự báo giảm, và, cho thời

gian dự kiến rất dài, dự báo có thể

không còn chính xác hơn những dự báo

sử dụng giá trị trung bình thống kê dài

hạn Các phương pháp dự báo được

phân loại theo bước thời gian cho từng

dự báo Dự báo hạn ngắn có thời gian

dự kiến ngắn hơn 7 ngày, dự báo hạn

vừa có thể đến 6 tháng, và dự báo hạn

dài trên 6 tháng

2.3.2 Các thời kỳ năm, thời vụ và các

thời kỳ khác

Theo truyền thống, thông tin về dòng

chảy kiệt dựa vào tính toán xác suất từ

số liệu có sẵn Tuy nhiên, cho nhiều

ứng dụng, số liệu theo tháng, nhóm các

tháng hoặc theo những mục đích riêng

có thể được sử dụng Ví dụ, trong thiết

kế một công trình tưới tiêu, phân tích

nên tập trung vào các thời điểm trong

năm khi nhu cầu lấy nước phục vụ tưới

tiêu diễn ra, và số liệu của các tháng

còn lại có thể không sử dụng Tương

tự, mô phỏng hệ sinh thái có thể thiết

lập dòng chảy cho từng loài sinh vật và

các giai đoạn phát triển và một lần nữa,

phân tích nên tập trung vào những giai

đoạn chuyển mùa quan trọng Giá trị

nhỏ nhất hàng năm và phân tích dòng chảy-thời gian có thể được thực hiện cho các tháng bất kỳ hoặc nhóm các tháng bất kỳ Nó có thể phù hợp để xem xét giá trị nhỏ nhất hàng năm của các thời điểm khác nhau, ví dụ 7 ngày,

10 ngày, 30 ngày và 90 ngày, để giải quyết yêu cầu thiết kế bất kỳ

2.3.3 Quy mô tính toán

Một vấn đề quan trọng trong thủy văn nghiệp vụ là đơn vị quản lý, nó có thể

là mạng lưới sông ngòi hay cơ sở hạ tầng (ví dụ, hồ chứa, ống dẫn nước, bơm nước, nhà máy xử lý nước, mạng lưới phân phối, nhà máy xử lý nước thải) Đơn vị quản lý chính đối với vấn

đề bảo vệ môi trường là lưu vực sông,

và tầm quan trọng của sự phát triển thủy văn thượng lưu và hạ lưu đối với các vấn đề hạ lưu đã nhấn mạnh nhu cầu quản lý tổng hợp lưu vực sông Đối với nhà máy thủy điện, đơn vị quản lý thường là hồ chứa và hệ thống tua bin, với việc xem xét thay đổi chế độ xả nước để bảo vệ lợi ích dưới hạ lưu Những đơn vị quản lý cấp nước thường rất phức tạp và có thể liên quan đến hệ thống nước mặt và nước ngầm hay tái

sử dụng nước thải Những hệ thống này cần các mô phỏng thủy văn, tài nguyên nước và sử dụng nước phức tạp

Các vấn đề về tài nguyên nước xảy ra trên quy mô không gian rộng lớn có thể được tính toán chi tiết ở những nhánh sông riêng lẻ theo thứ tự 100m trong lưu vực rộng 10km2 để tính toán tần suất dòng chảy kiệt theo tỉ lệ lưu vực sông bao phủ diện tích lưu vực sông

vượt quá 1 triệu km2 Ở các nước đang

phát triển, đối với các lưu vực sông

vượt quá 1000km2, các sông thường

được đo với chuỗi thời gian dài (lớn

hơn 50 năm) Điều này cho phép các

vấn đề về thiết kế hầu hết dựa vào các

phân tích từ số liệu thực đo

Tuy nhiên, những lưu vực lớn hơn

thường tách những ảnh hưởng nhân tạo

khỏi chế độ dòng chảy tự nhiên Ở các

nước đang phát triển, tuy nhiên, do

thiếu số liệu thực đo chất lượng tốt và

liên tục nhiều sông chính không có

trạm và phân tích dòng chảy kiệt do đó

phải dựa vào tính toán từ mô hình Ở

nhều nước thậm chí với mạng lưới trạm

đo dày đặc, có một số lượng lớn sông

nhánh không có trạm đo Điều này dẫn

đến nhu cầu phát triển hàng loạt mô

hình khu vực để tính toán dòng chảy

kiệt ở những nơi không có trạm đo

nguyên của các nước trên cùng một lục

địa, độ tin cậy của tính toán nguồn dữ

liệu có sẵn dựa vào việc sử dụng một

phương pháp thích hợp Các mô hình

thủy văn đơn giản thích hợp trong

những trường hợp này bởi vì yêu cầu

chính là xác định các thay đổi theo

không gian của nguồn tài nguyên, và

một hệ số dòng chảy kiệt đơn giản

thường là vừa đủ Khảo sát dòng chảy

kiệt có thể diễn ra theo tỉ lệ từng nhánh

sông, lưu vực, lưu vực liên tỉnh và quốc

tế, khu vực (nhóm các nước) hay toàn

cầu Tỉ lệ nghiên cứu sẽ ảnh hưởng

chính lên phương pháp được áp dụng

và thông tin được yêu cầu

2.3.4 Khối lập phương dòng chảy kiệt

Các nhà thủy văn có thể sử dụng một loạt những quy trình cho từng thiết kế thủy văn và quản lý tài nguyên nước, lựa chọn được quy định dựa trên yếu tố đầu ra-yêu cầu thiết kế Lựa chọn được quyết định bởi rủi ro liên quan đến quyết định thiết kế Ví dụ, rủi ro đầu tư liên quan đến xây dựng một bể chứa lớn cần thiết để thiết lập các trạm đo và phân tích dòng chảy thực đo Những số liệu cung cấp một cơ sở cho thiết kế thủy văn, điển hình là các đặc trưng lượng trữ/năng suất Ngược lại, ứng dụng để xin giấy phép lấy nước quy mô nhỏ sẽ thường xuyên ở nơi không có trạm đo, không bảo đảm xây dựng các trạm đo và thiết kế nên dựa vào thống

kê chế độ dòng chảy, như là dòng chảy mùa khô với độ tin cậy nhất định, mà không cần những yêu cầu về phân tích chuỗi thời gian

Sự phức tạp của các kịch bản thiết kế khác nhau (UNESCO, 1997) có thể được đơn giản bởi khái niệm hóa của một ‘thiết kế kịch bản khối lập phương’ (Hình 2.1), định nghĩa bởi 3 chiều yêu cầu thiết kế như sau:

1 Vị trí của vấn đề thiết kế, ví dụ, ở một nơi không dữ liệu thủy văn Thay vào đó, có một trạm đo ở gần thượng lưu hoặc gần hạ lưu Điều này phân biệt giữa vị trí có trạm và không có trạm đo

2 Những yêu cầu vận hành của thiết kế thủy văn Ví dụ, ngành nước và mức độ vốn đầu tư sẽ quyết định liệu những

thống kê đơn giản được yêu cầu hay

một chuỗi thủy văn dài và liên tục

Chiều dữ liệu này phân biệt giữa yêu

cầu về chuỗi thời gian hay thống kê

dòng chảy kiệt

3 Lưu vực có thể tương đối tự nhiên

hay bị thay đổi nhiều bởi sự phát triển

tài nguyên nước, trong trường hợp nó

có thể cần thiết để chuyển dòng chảy tự

nhiên từ chuỗi dòng chảy thực đo

(Chương 3) Chiều dữ liệu này phân

biệt giữa những yêu cầu cho dòng chảy

tự nhiên hay nhân tạo

Khối lập phương ba chiều đưa ra 8 kịch

bản thiết kế riêng biệt và được tóm tắt

dưới đây:

1 Chuỗi số liệu tự nhiên: chuỗi thời

gian dòng chảy (hàng ngày) ở một vị trí

trạm đo nơi đại diện chế độ dòng chảy

từ một lưu vực tự nhiên Một ứng dụng

của yêu cầu thiết kế này có thể được

trường ở vị trí những trạm đo gần kề

2 Chuỗi số liệu nhân tạo: một chuỗi số

liệu dòng chảy hàng ngày ở trạm đo nơi

đại diện chế độ dòng chảy từ một lưu

vực không còn tự nhiên nữa Những

định nghĩa khác nhau của “nhân tạo” có

thể được sử dụng bao gồm sử dụng

nước liên quan đến kịch bản trong quá

khứ, hiện tại và tương lai Một ứng

dụng của yêu cầu thiết kế này là đánh

giá phạm vi những đối tượng lấy nước

khác nhau ở thượng lưu làm giảm dòng

chảy hạ lưu trong một chuỗi thời gian

trong quá khứ

3 Thống kê chuỗi số liệu tự nhiên:

thống kê chế độ dòng chảy như là dòng chảy 95 phần trăm, đại diện cho chế độ dòng chảy từ một lưu vực tự nhiên ở vị trí có trạm đo Điều này cần thiết để quyết định liệu một đề xuất lấy nước có được tán thành

4 Thống kê chuỗi số liệu nhân tạo: thống kê chế độ dòng chảy đại diện cho chế độ dòng chảy từ một lưu vực nhân tạo ở vị trí có trạm đo Thiết kế này có thể được yêu cầu để quyết định nơi mà những đối tượng lấy nước đã giảm 95 phần trăm lưu lượng dòng chảy kiệt ở

vị trí có trạm đo

5 Chuỗi số liệu nơi không có trạm ở lưu vực tự nhiên: một chuỗi số liệu dòng chảy đại diện cho chế độ dòng chảy tự nhiên ở vị trí không có trạm đo

Số liệu này sẽ cần để thiết kế một công trình lấy nước phức tạp ở vị trí không

có trạm đo và sẽ yêu cầu phát triển một

mô hình mô phỏng lưu vực (Chương 9)

6 Chuỗi số liệu nơi không có trạm đo ở khu vực nhân tạo: một chuỗi số liệu dòng chảy đại diện cho chế độ dòng chảy nhân tạo ở vị trí không có trạm

đo Một ứng dụng điển hình của yêu cầu thiết kế này có thể trong thiết kế cho những công trình sử dụng chung

lưu vực nơi có những máy bơm nước ngầm nhưng thiếu đo đạc lưu lượng

7 Thống kê số liệu nơi không có trạm

đo ở lưu vực tự nhiên: thống kê chế độ dòng chảy đại diện cho chế độ dòng chảy tự nhiên ở vị trí không có trạm đo

Ứng dụng của nó cho đánh giá sơ bộ tài

nguyên nước cấp khu vực

Hình 2.1 Thiết kế kịch bản khối lập

phương: khái niệm hóa các hướng khác

nhau để tính toán dòng chảy kiệt

8 Thống kê số liệu nơi không có trạm

đo ở lưu vực nhân tạo: thống kê chế độ

dòng chảy đại diện cho chế độ dòng

chảy nhân tạo ở vị trí không có trạm

đo Một ứng dụng điển hình của yêu

cầu này có thể sử dụng trong thiết kế sơ

bộ một công trình thủy điện cỡ nhỏ ở

lưu vực nhân tạo

Sự phức tạp thêm của công trình này

bao gồm đánh giá tác động lên dòng

chảy ở hạ lưu bị ảnh hưởng của con

người dựa trên chuỗi số liệu lịch sử,

tình hình sử dụng nước hiện tại hay

kịch bản lấy nước trong tương lai

Trong hầu hết các trường hợp, điều này

sẽ yêu cầu chuyển dòng chảy tự nhiên

từ chuỗi dòng chảy liên tục hay thống

kê dòng chảy kiệt (Chương 10)

2.4 Các nghiên cứu trước đây

Trước khi tập trung vào khảo sát dòng chảy kiệt, một điều quan trọng là xem lại công việc trước đây được thực hiện trong khu vực Các quy trình đối chiếu thông tin này được mô tả chi tiết trong WMO (2008) Những quy trình này nên bao gồm đánh giá tất cả số liệu thủy văn Nếu các phương pháp tính toán ở vị trí không có trạm đo được xem xét, dữ liệu chuyên đề (Demuth, 1993) mô tả khí hậu, đất, địa chất và địa mạo cũng được đối chiếu Ví dụ, mặc dù nghiên cứu dòng chảy kiệt ở quy mô khu vực có thể không được thực hiện trong khu vực đó, một nghiên cứu lũ có thể trở thành một công cụ mô

tả lưu vực hữu ích (Chương 3) Nguồn

số liệu chính nên được đánh giá bao gồm: dữ liệu khí tượng thủy văn, dữ liệu vật lý học, tác động của con người, các loại bản đồ giấy và số và các nghiên cứu thủy văn trước đây đã được xuất bản trong các báo cáo hoặc tạp chí chuyên ngành Thông tin này có thể có sẵn trong các danh mục siêu dữ liệu, phần lưu trữ dự án, thư viện, giao tiếp

cá nhân và Internet

2.5 Phổ biến kết quả

Thành phần quan trọng trong bất kỳ các cuộc khảo sát dòng chảy kiệt là quyết định kết quả sẽ được phổ biến đến người sử dụng (WMO, 2008) Người

sử dụng có thể là các chuyên gia thủy văn liên quan đến các phương pháp phân tích dòng chảy kiệt, đến các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật, sinh thái học hoặc luật pháp, đến nhóm cộng đồng quan tâm đến môi trường tự nhiên Các kết quả truyền thống được

cung cấp trong các báo cáo và định

dạng bản đồ; nhưng, bây giờ được bổ

sung hay được thay thế bằng phần mềm

tính toán dòng chảy kiệt quy mô cấp

khu vực và hiển thị kết quả dạng số hay

các dịch vụ trực tuyến Điều này cũng

có thể bởi vì tăng nhu cầu điều hành

các thông tin thủy văn dạng số bao gồm

mô hình độ cao và mạng lưới sông suối

(Chương 3) Đây vẫn là nhu cầu để

đảm bảo rằng các phương pháp và kết

quả dòng chảy kiệt được hiểu một cách

đầy đủ, và quan trọng là hỗ trợ trực

tuyến sẽ được cung cấp bởi các chuyên

gia về phương pháp và ứng dụng thông

tin dòng chảy kiệt

2.6 Các nguyên tắc chính trong thiết

kế dòng chảy kiệt

Một vài nguyên tắc chung trong thiết

kế thủy văn (Reed, 1999) được trình

bày trong Hướng dẫn này và nên được

xem xét bởi các nhà thủy văn khi thực

hiện thiết kế dòng chảy kiệt cho từng

công trình riêng biệt và khi phát triển

các quy trình tính toán cấp quốc gia

Mục tiêu chính của tất cả các quy trình

thiết kế là để giảm độ bất định của tính

toán dòng chảy kiệt Một vài nguyên

tắc chung được nêu dưới đây:

(a) Tính toán dòng chảy kiệt nên, bất

cứ khi nào có thể, dựa vào số liệu thực

đo;

(b) Trong trường hợp thiếu số liệu thực

đo, chuyển đổi số liệu thượng lưu hay

hạ lưu hay từ một lưu vực gần kề sẽ

làm giảm sai số tính toán;

(c) Tính toán thống kê dòng chảy kiệt ở

vị trí không có trạm đo từ các yếu tố

mô tả lưu vực có thể được hỗ trợ bởi một vài số liệu chuyển đổi chính thức hay không chính thức;

(d) Khả năng để chọn phương pháp phân tích và tính toán dòng chảy kiệt thích hợp nhất dựa vào kinh nghiệm Quyết định sẽ luôn luôn bị ảnh hưởng bởi bản chất của vấn đề thiết kế, lưu vực, số liệu sẵn có và kinh nghiệm của chuyên gia;

(e) Nhà phân tích có thể tìm nhiều thông tin mà nếu được sử dụng, thông tin này sẽ giảm sai số tính toán;

(f) Cho sự phát triển tự động của phân tích hiện đại và phần mềm tính toán, các chuyên gia sẽ tăng cường trách nhiệm trong công tác thiết kế thủy văn

và luôn tìm kiếm lời khuyên từ một chuyên gia có kinh nghiệm;

(g) Đóng góp tích cực và tiêu cực từ cộng đồng người sử dụng, cùng với những tiến bộ trong các phương pháp

và sự sẵn có của số liệu, cho phép những thay đổi nhỏ trong các quy trình thiết kế quốc gia và phần mềm Hiệu chỉnh tức thời cho bất kể sai số hay bất cập của các kỹ thuật tính toán dòng chảy kiệt rất quan trọng Tuy nhiên, hiệu chỉnh nhỏ liên tục cho các phương pháp thiết kế không được hoan nghênh

từ người sử dụng, trong đó nói chung

họ thích cập nhật những thay đổi lớn hơn

Tài liệu tham khảo

Demuth, S., 1993: Untersuchungen

zum Niedrigwasser in West-Europa

Freiburger Schriften zur Hydrologie,

Bd.1

Reed, D.W., 1999: Food Estimation

Handbook Volume, Institute of

Kingdom

Tallksen, L.M and H.A.J van Lanen

(eds), 2004: Hydrological Drought -

Processes and Estimation Methods for

Streamflow and Groundwater

Developments in Water Science, 48,

Elsevier Science B.V., Amsterdam

United Nations Educational, Scientific

and Cultural Organization (UNESCO),

1997: Southern Africa - Friend

Technical Documents in Hydrology

No.15, UNESCO, Paris

World Meteorological Organization,

2008: Guide to Hydrological Pratices

Volume I, sixth edition

(WMO-No.168), Geneva (Volume II in

preparation)

CHƯƠNG 3 SỐ LIỆU THỦY VĂN

3.1 Giới thiệu

Số liệu thủy văn và những số liệu liên

quan bao gồm tất cả số liệu thông

thường được sử dụng bởi các nhà thủy

văn học (WMO, 1958, 2006) Phân tích

thủy văn có ý nghĩa sẽ luôn luôn dựa

vào số liệu có chất lượng đảm bảo đại

diện cho những điều kiện trong lưu

vực, khu vực nghiên cứu hay khu vực

bất kỳ trong một khoảng thời gian bất

kỳ Mục tiêu của chương này là giới

thiệu cho người đọc các loại số liệu hay

gặp nhất trong thủy văn dòng chảy kiệt

và cung cấp hướng dẫn trong chuẩn bị

số liệu để phân tích Chương này nhấn

mạnh việc chuẩn bị số liệu dòng chảy

bởi vì tầm quan trọng của dữ liệu trong

các nghiên cứu dòng chảy kiệt Tuy

nhiên, chương này cố tình loại trừ chi

tiết về quan trắc các yếu tố liên quan

đến thủy văn, xử lý và quản lý dữ liệu

này, thiết kế mạng lưới và cách quyết

định và quản lý dữ liệu thủy văn: một

vài xuất bản và báo cáo kỹ thuật của

WMO (ví dụ, WMO, 1980, 2008a) và

các tài liệu xuất bản khác (ví dụ

Herschy, 1999) đã đề cập đến vấn đề

này một cách đầy đủ Các tài liệu tham

khảo sẽ được trích dẫn để tiện cho việc

nghiên cứu Hướng dẫn của WMO về

đánh giá nguồn nước (đang được chuẩn

bị) sẽ cung cấp chi tiết về việc thu thập

và xử lý số liệu địa vật lý (địa hình, đất,

địa chất và thảm phủ), số liệu kinh

tế-xã hội (sử dụng đất và dân số) và số

liệu khí hậu (giáng thủy và bốc hơi)

Chương này sẽ cung cấp một cách tóm

tắt một vài biến này

3.2 Phân tích số liệu dòng chảy kiệt

Số liệu tương ứng cho phân tích dòng chảy kiệt có thể được liệt kê như sau:

số liệu khí tượng thủy văn, số liệu địa văn học và số liệu nhân chủng học Số liệu khí tượng thủy văn mô tả các yếu

tố của vòng tuần hoàn thủy văn (nước) thay đổi liên tục theo thời gian Số liệu địa văn học, trái lại, mô tả các đặc tính

tự nhiên trên cạn cái mà không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể trong chuỗi thời gian ngắn tương ứng được xem xét bởi các phân tích thủy văn Số liệu nhân chủng học giúp giải thích những ảnh hưởng của hoạt động con người lên hệ thống tự nhiên và nhân tạo

Số liệu thủy văn có thể được chia nhỏ hơn thành các số liệu thực đo tại từng điểm và số liệu không gian Số liệu thực đo tại điểm bất kỳ mô tả sự đo đạc của một thực thể xác định ở một vị trí xác định Một chuỗi các số liệu thực

đo, các mẫu vật, các quan trắc hay ghi chép của một thực thể thay đổi theo thời gian ở một vị trí đơn lẻ là kết quả của một chuỗi thời gian của một thực thể ở điểm đó Số liệu theo chuỗi thời gian có thể được vận dụng để tạo ra các chuỗi số liệu tổng hợp và thống kê Ví

dụ, tính toán trung bình 96 số liệu thực

đo theo bước thời gian 15 phút trong một ngày đưa ra một giá trị dòng chảy trung bình ngày Nhắc lại cách tính này cho một vài chuỗi số liệu ngày tạo ra một chuỗi các giá trị trung bình ngày

ra chuỗi số liệu tuần, 10 ngày, tháng và năm Thống kê chuỗi đủ lớn (ví dụ,

trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất, độ lệch)

có thể được quyết định đối với các thời

điểm khác nhau theo chuỗi thời gian để

đưa ra một cách khái quát về số liệu và

hình thành cơ sở phân tích Để loại bỏ

những dao động ngắn hạn và nghiên

cứu tác động của số liệu, chuỗi số liệu

trung bình trượt có thể được sử dụng

trong phần tính toán này Trong thủy

văn dòng chảy kiệt, trung bình trượt 7,

30 hay 120 ngày bắt nguồn từ số liệu

ngày được sử dụng thường xuyên, ví

dụ, để tính dòng chảy nhỏ nhất hàng

năm 7 ngày, cho một năm bất kỳ, hay

trung bình của số liệu nhỏ nhất hàng

năm 7 ngày (MAM(7)) cho một vài

năm

Số liệu không gian đơn giản được định

nghĩa như là bất kỳ số liệu nào có thể

được trình bày trên bản đồ Số liệu

không gian thường được tính toán nội

suy của nhiều điểm số liệu thực đo

Đường viền của bản đồ địa hình thường

được lấy từ những ghi chép độ cao

điểm Khi được số hóa (được lưu trữ

theo định dạng số trên máy tính), các

đặc trưng về đường thẳng, mũi tên,

đường viền, điểm và đa giác được gọi

là dữ liệu vector Thông tin ô, lưới

được máy tính hóa như là mô hình độ

cao số nói chung được gọi là dữ liệu

raster Để thuận tiện trong việc phân

tích, số liệu không gian số hóa thường

được lưu trữ trong máy tính như là số

liệu được sử dụng trong hệ thống thông

tin địa lý (GIS) Một vài ví dụ về các

loại số liệu khác nhau được một nhà

thủy văn có thể sử dụng được trình bày

trong các phần tiểu mục tiếp theo

3.2.1 Số liệu thủy văn

Số liệu thủy văn bao gồm (WMO, 2006) dữ liệu quan trắc, dữ liệu dòng ngầm và dữ liệu khí hậu cho các mục đích thủy văn Chúng cung cấp thông tin về phân bố nước không gian và thời gian khi nó tồn tại ở các dạng khác nhau trong vòng tuần hoàn thủy văn Ở đây chỉ mô tả một cách ngắn gọn các loại số liệu thủy văn hay được sử dụng nhất trong nghiên cứu dòng chảy kiệt

Số liệu quan trắc

Số liệu quan trắc bao gồm số liệu dòng chảy, số liệu mực nước sông và mực nước hồ (từng giai đoạn) Trong tất cả các loại số liệu thủy văn khác nhau, số liệu dòng chảy (lưu lượng) được sử dụng nhiều nhất trong thủy văn dòng chảy kiệt bởi vì chúng đại diện cho phản ứng kết hợp của tất cả các quá trình vật lý vận hành trong lưu vực thượng nguồn (Herschy, 1995) Lưu lượng là tốc độ nơi dòng chảy chảy qua một đơn vị mặt cắt và thường được thể hiện bằng đơn vị m3/s, l/s hay ft3/s Một vài phương pháp khác nhau được sử dụng để đo đạc lưu lượng và với việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào điều kiện ở từng khu vực (WMO, 2008a) Các phương pháp nhìn chung liên quan đến đo đạc mực nước ở các trạm đo và ứng dụng của mối quan hệ lưu lượng-mực nước để tính toán dòng chảy

Hầu hết các nước có một mạng lưới số liệu quan trắc lâu dài bao gồm nhiều trạm đo, được sử dụng cho nhiều mục đích như quản lý tài nguyên nước, các

kế hoạch để kiểm soát lũ, quan trắc và

đánh giá tác động môi trường Tuy

nhiên, ở tất cả các quốc gia, các trạm

đo đóng góp phần nào cách hiểu về

dòng chảy, với hầu hết các trạm có giá

trị nhất là những trạm có số liệu tốt

nhất, ít sự ảnh hưởng của con người và

có chuỗi số liệu quan trắc dài (Rees and

others, 2004)

Độc giả sẻ được tham khảo Hướng dẫn

của WMO về đo đạc dòng chảy

(WMO- số 519), Hướng dẫn thực hành

thủy văn (WMO- số 168), hướng dẫn

kỹ thuật cho các tổ chức quốc tế về tiêu

chuẩn (ISO) như là đo dòng chảy chất

lỏng trong kênh hở (ISO, 1981, 1982)

và sách giáo khoa (ví dụ Herschy,

1995, 1999) về thực hành quan trắc và

thiết kế mạng lưới trạm đo

Hướng dẫn của WMO về thông tin

thủy văn (WMO- số 683) nên được sử

dụng cho thông tin về tình trạng mạng

lưới, và sự sẵn có của số liệu ở các

nước khác nhau

Số liệu khí hậu phục vụ các mục đích

thủy văn

Số liệu này bao gồm số liệu giáng thủy,

bốc thoát hơi, nhiệt độ không khí, bức

xạ, gió, độ ẩm và áp suất khí quyển, và

số liệu synốp mô tả các đặc trưng khí

tượng, như là khu vực áp cao và áp

thấp, các dạng và chỉ số hoàn lưu khí

quyển (ví dụ, El Nino/chỉ số dao động

Nam và dao động khí áp ở Bắc Đại Tây

Dương) Thông tin về các phương pháp

đo đạc có thể được tìm thấy trong

Hướng dẫn của WMO về thiết bị quan

trắc khí tượng và các phương pháp

quan trắc (WMO- số 8)

Giáng thủy rơi xuống hoặc là ở dạng lỏng như mưa, mưa phùn hay sương, hay ở thể rắn như là tuyết, mưa tuyết, mưa đá hay sương muối Kiến thức phân bố giáng thủy theo thời gian và không gian hữu ích trong bất kỳ phân tích dòng chảy kiệt nào Tổng lượng giáng thủy rơi xuống mặt đất trong xuống một khoảng thời gian xác định được thể hiện bằng độ sâu bao phủ một mặt phẳng ngang của bề mặt trái đất (WMO, 2008a) Giáng thủy thường được lấy mẫu nhiều nhất từ các trạm đo giáng thủy riêng lẻ (trạm đo mưa, nếu chỉ có giáng thủy dạng lỏng được đo),

ở các bước thời gian khác nhau, phụ thuộc vào thiết bị và phương pháp quan trắc Các trạm đo giáng thủy nhạy cảm đối với các yếu tố dễ dàng quan trắc được, điển hình là gió và lượng đo đạc

có thể ít hơn lượng giáng thủy thực tế lên đến 30% hoặc hơn (WMO, 2008b) Sai số hệ thống của giáng thủy thay đổi theo các loại giáng thủy (sai số đo đạc cho giáng thủy thể rắn thường theo một thứ tự cường độ lớn hơn sai số đo đạc cho giáng thủy dạng lỏng), vị trí của trạm (bị che khuất hay không bị che khuất) và phương pháp đo đạc được sử dụng (ví dụ, loại đo, chiều cao lỗ hay đường kính) Trong nhiều nghiên cứu, việc hiệu chỉnh số liệu thực đo rất cần thiết để loại bỏ sai số hệ thống Khi chỉnh biên số liệu, quan trọng nhất là phải cẩn thận và những thay đổi phải được ghi chép đầy đủ Báo cáo của WMO số 21 đề cập về thủy văn nghiệp

vụ, các phương pháp sửa lỗi hệ thống ở từng điểm đo mưa phục vụ nghiệp vụ

(WMO-số 589), mô tả các phương

pháp hiệu chỉnh các điểm đo mưa

Giáng thủy quan trắc chỉ đại diện cho

lượng giáng thủy rơi xuống một khu

vực giới hạn trong một khu vực đo bình

quân, và để hiểu phân bố giáng thủy

theo không gian trên một khu vực rộng

hơn (ví dụ, một lưu vực kín hay lưu

vực hở) Một vài phương pháp nội suy

có thể được sử dụng đối với các điểm

đo để tạo ra ban đồ đẳng mưa, chỉ ra

các đường (đường viền) đẳng mưa, hay

các ô lưới mưa

Phương pháp đa giác Thiesen bình

quân diện tích (Thiessen, 1911), nội

suy khoảng cách nghịch đảo có trọng

số (Barner, 1973), dạng hàm Thin-plate

splines (Champion and others, 1996) và

Kriging (Dingman and others, 1988) là

những ứng dụng rộng rãi của phương

pháp nội suy Bản đồ đẳng mưa và ô

lưới mưa có thể được sử dụng để tính

toán giáng thủy thực cho một vùng lớn

hơn (ví dụ lượng mưa toàn bộ lưu vực)

Các phương pháp nội suy có thể được

sử dụng tương tự để tạo ra các bản đồ

đẳng trị ô lưới và tính toán nhiều loại

số liệu khí tượng khác (ví dụ nhiệt độ

không khí, áp suất khí quyển, bốc hơi)

Số liệu lượng mưa thực có thể được

tính toán từ số liệu radar (xem WMO,

1985a) và số liệu viễn thám từ vệ tinh

(ví dụ, nhiệm vụ đo mưa nhiệt đới của

Nhật/Mỹ) Những loại số liệu này đã

được chứng minh rất hữu ích để tính

toán lượng mưa ở khu vực có mật độ

trạm đo thưa

Số liệu bốc hơi hay thoát hơi (nếu thực

vật tồn tại) quan trọng trong phân tích dòng chảy kiệt bởi vì chúng mô tả lượng nước mất đi (quay trở lại khí quyển) từ nơi chứa nước, đất hay thực vật, phần nhiều đóng góp cho tầng ngầm hay dòng chảy Ở nhiều nơi trên thế giới nơi giáng thủy không nhiều, tổn thất bốc hơi có thể khiến sông ngòi

và ao hồ trở nên khô hạn Đo đạc bốc hơi hay thoát hơi từ dạng chứa nước lớn hay bề mặt đất (WMO, 2008a) Khi chảo bốc hơi và thủy tiêu kế có thể đo lượng bốc hơi thực tế ở một vị trí bất

kỳ, do những khó khăn trong việc đo đạc trực tiếp bốc hơi trên một vùng rộng lớn, các phương pháp gián tiếp, sử dụng số liệu bức xạ sóng ngắn và sóng dài, nhiệt độ không khí, độ ẩm khí quyển hay áp suất hơi nước và gió thường, được sử dụng Những số liệu này thường được ứng dụng để tính toán bốc hơi tiềm năng, giả định rằng sự sẵn

có của nước là không giới hạn từ một

bề mặt thảm phủ Thoát hơi tiềm năng

có thể sau đó được tính toán từ mối quan hệ của nó với bốc hơi tiềm năng

và giải thích cho độ ẩm đất sẵn có WMO (1985b) cung cấp chỉ dẫn về các phương pháp tính toán bốc hơi thích hợp

Số liệu thường lấy từ Trung tâm Khí tượng quốc gia (hay thời tiết) hay có thể được truy cập qua các trung tâm số liệu khu vực hay thế giới WMO, phối hợp với Hội đồng khoa học quốc tế, thành lập Trung tâm số liệu thế giới (WDC) tập hợp và phổ biến nhiều loại

số liệu khí hậu và môi trường khác Các trung tâm liên quan đến nghiên cứu dòng chảy kiệt là WDC về khí

tượng, WDC về giáng thủy toàn cầu và

Trung tâm số liệu dòng chảy toàn cầu

Số liệu tuyết phủ

Chế độ dòng chảy trong sông trong các

vùng bị ảnh hưởng của tuyết thường ở

các khu vực vĩ độ cao và/hoặc các khu

vực miền núi được đặc trưng bởi dòng

chảy kiệt trong các tháng mùa đông

lạnh và tăng dòng chảy vào mùa xuân,

khi nhiệt độ tăng lên khiến cho tuyết

tan Số liệu về độ sâu, lượng nước

tương ứng, và mở rộng khu vực tuyết

phủ là những giá trị phục vụ nghiên

cứu dòng chảy kiệt bởi vì chúng giúp

đánh giá tiền năng nguồn nước của

tuyết tích tụ lại (Singh and Singh,

2001)

Các cọc tuyết thường được sử dụng

nhiều nhất để đo độ sâu tuyết Lượng

nước tương ứng từ tuyết-độ sâu tương

ứng của nước có thể lấy từ băng

tan-được quyết định bởi sự kết hợp độ sâu

thực đo và mật độ tính toán tuyết

Những số liệu này có thể lấy từ các

cuộc khảo sát tuyết và thể tích trọng số

của các mẫu tuyết hay bởi các cuộc

khảo sát bức xạ gamma, tìm kiếm sự

thay đổi trong bức xạ gamma phát ra từ

mặt đất Tuyết phủ thực tế thường được

quyết định bởi thám sát mặt đất hay

viễn thám (chụp ảnh trên không hay

quan trắc bằng vệ tinh) Quan trắc bằng

về tinh từ máy quét đa quang phổ

Landsat, Tổng cục Quản lý đại dương

và khí quyển đã nâng cấp với độ phân

giải rất cao và, gần đây nhất, độ phân

giải hình ảnh trong số liệu trung bình từ

Trung tâm số liệu tuyết và băng quốc

gia Mỹ đã được sử dụng rộng rãi để đánh giá tuyết phủ trong nhiều lưu vực sông trên toàn cầu Các thông tin thêm

về các phươnd pháp đo số liệu tuyết phủ được cung cấp trong hai ấn phẩm của WMO là đo đạc tuyết phủ và đánh giá mưa và độ ẩm đất thực tế (WMO-

số 749); và so sánh giữa đo đạc giáng thủy thể rắn của WMO: báo cáo cuối cùng (Báo cáo các phương pháp đo đạc

và quan trắc số 67) (WMO/TD-số 872)

Số liệu nước ngầm và độ ẩm đất

Nước ngầm thường có tầm quan trọng bậc nhất trong việc quyết định tới của dòng chảy kiệt và dòng chảy cơ sở Số liệu nước ngầm bao gồm mực nước ngầm và lưu lượng Số liệu độ ẩm đất được quan tâm trong phân tích dòng chảy kiệt bởi vì sự ảnh hưởng mạnh mẽ lên độ bốc thoát hơi và lượng nước ngấm xuống tầng ngậm nước phía dưới hay đóng góp trực tiếp cho dòng chảy mặt Các hướng trực tiếp và gián tiếp

sử dụng để đo độ ẩm đất được mô tả trong WMO (1992) Số liệu mực nước ngầm mô tả sự thay đổi của độ dốc thủy lực trong tầng ngầm, và có thể đo được sử dụng áp kế, giếng quan trắc, các lỗ khoan hay giếng tự đào Đường bao mực nước ngầm theo mùa được sử dụng riêng cho việc so sánh sự thay đổi trong điều kiện mùa đông và mùa hè hay giữa các năm ẩm ướt và năm khô hạn Nước ngầm chảy vào sông suối nhỏ hay chảy vào sông, được đo theo cùng một cách như dòng chảy trong sông Các thông tin thêm về đo dòng ngầm được cung cấp trong Hướng dẫn

tiêu chuẩn quốc tế về lấy mẫu dòng

ngầm (ISO, 1988)

3.2.2 Số liệu địa văn học

Lưu vực sông là một thực thể quan

trọng trong các nghiên cứu dòng chảy

kiệt, và các đặc điểm địa văn học của

lưu vực có một ảnh hưởng đáng kể lên

phản ứng của dòng chảy kiệt Đặc điểm

ảnh hưởng nhất nói chung liên quan

đến địa hình lưu vực (ví dụ, diện tích,

hình dạng, hướng, độ cao, độ dốc, …),

hình thái sông, thảm phủ, thổ nhưỡng

(đất), và địa chất Các đặc điểm của lưu

vực có thể được lấy từ các bản đồ dạng

giấy hay số liệu dạng số không gian

(bao gồm số liệu vector hay raster) Tỉ

lệ cần thiết, hay độ phân giải không

gian, của bản đồ phụ thuộc và yêu cầu

nghiên cứu Nhìn chung, bản đồ vector

được sử dụng trong thủy văn dòng chảy

kiệt thay đổi tỉ lệ từ 1:10 000 đến 1:5

000 000, trong đó số liệu raster có thể

thay đổi theo độ phân giải từ nhỏ đến

hàng chục mét (ví dụ, 10mx10m hay

hơn

Diện tích lưu vực, đặc điểm quan trọng

của một lưu vực, được định nghĩa

thông thường như là phần diện tích bao

quanh bởi đường phân chia nước địa

hình Đường biên lưu vực thường được

miêu tả từ một tấm bản đồ địa hình hay

một mô hình độ cao số thích hợp

Đường biên định nghĩa các đặc trưng

của diện tích lưu vực (km2) và hình

dạng (ví dụ, yếu tố hình dạng, tỉ lệ

vòng tròn, tỉ lệ kéo dài) Số liệu địa

hình (từ các bản đồ số, giấy, hay mô

hình độ cao số) có thể sau đó được sử dụng để thiết lập các bộ mô tả địa mạo

nư là độ cao lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất; chiều dài lưu vực, được định nghĩa như khoảng cách dọc sông chính

từ cửa ra của lưu vực đến đường phân chia địa hình; độ dốc lưu vực, phản ánh

tỉ lệ thay đổi độ cao với khoảng cách dọc theo đường dòng chảy chính; độ dốc của dòng chính được định nghĩa bởi sự khác nhau về độ cao giữa hai điểm trên dòng chính (ví dụ, độ dốc giữa các điểm ở 10 và 85% của chiều dài dòng chính); mật độ sông, tỉ lệ của tổng chiều dài sông trong một lưu vực

và diện tích lưu vực Thảm phủ có ảnh hưởng quan trọng đối với dòng chảy kiệt, chủ yếu ảnh hưởng của nó lên việc ngăn nước, thấm nước và bốc hơi Bộ

mô tả được lấy từ các bản đồ thảm phủ bao gồm tỉ lệ diện tích lưu vực theo sự phát triển của đô thị, tỉ lệ rừng, tỉ lệ đất canh tác (ví dụ, đất trồng trọt, đất tưới tiêu, đồng cỏ), tỉ lệ đất không canh tác (ví dụ, vùng than bùn, đồng cỏ tự nhiên hay cây bụi) và tỉ lệ lưu vực được bao phủ bởi vùng đất ngập nước (đầm lầy, đất ngập nước, hồ) Tỉ lệ các loại thảm phủ khác nhau trong lưu vực thường dựa trên bản đồ khảo sát mặt đất (giấy hoặc số) xuất bản bởi các cơ quan bản

đồ quốc gia Nhiều số liệu thảm phủ sinh ra từ quan trắc của vệ tinh từ cấp quốc gia, khu vực và toàn cầu từ nhiều nguồn như cơ quan Môi trường Châu

Âu (ví dụ dự án thảm phủ Corine 2000)

và chương trình Địa Quyển và Sinh Quyển quốc tế (ví dụ bộ số liệu thảm phủ toàn cầu)

Địa chất và đất cơ bản có một ảnh

hưởng mạnh mẽ lên dòng chảy kiệt ở

nhiều lưu vực Bản đồ địa chất, ở dạng

số hay giấy, mô tả thạch học, độ sâu

từng lớp, sự đứt gãy và sự uốn nếp, và

có thể được sử dụng để tạo ra bản đồ

địa chất thủy văn để cung cấp các

thông tin có giá trị về sự tồn tại của

tầng ngậm nước và đặc tính thủy lực

(ví dụ, tính dẫn nước, khả năng truyền,

sức bền thủy lực) Bản đồ đất cung cấp

thông tin về phân bố không gian của

đất, với phân loại đất để đưa ra thông

tin về tính chất và cấu trúc, từ các đặc

tính thuỷ văn (khả năng giữ nước của

đất và khả năng trữ) có thể giảm Như

với thảm phủ, bản đồ địa chất và đất có

thể lấy từ các nguồn trong và ngoài

nước khác nhau Các ví dụ điển hình là

Bản đồ địa chất tổng quát của cơ sở dữ

liệu và thế giới (Khảo sát địa chất của

Canada, 1995) và Bản đồ đất của thế

giới (FAO/UNESCO, 1981)

3.2.3 Số liệu tổng hợp từ các tác động

của con người

Một vài lưu vực vẫn còn giữ được

những nét tự nhiên mà không bị ảnh

hưởng các hoạt động của con người

Điều hành một vài đập ngăn, các công

trình trung chuyển giữa các lưu vực,

các công trình tăng dòng chảy, hệ

thống cung cấp nước cho cộng đồng và

hệ thống thoát nước, các công trình

tưới tiêu và thoát nước, nhà máy thủy

điện và thay đổi thảm phủ đã làm ảnh

hưởng chế độ dòng chảy tự nhiên Ảnh

hưởng thực tế lên dòng chảy kiệt

thường lớn và dòng chảy thực đo chưa

hiệu chỉnh có thể rất không đại diện

cho các điều kiện tự nhiên Trong nhiều lưu vực phát triển, thành phần nhân tạo của dòng chảy thường xuyên vượt quá thành phần tự nhiên ở dòng chảy kiệt Thông tin (ví dụ, vị trí, thể tích và thời gian) của những ảnh hưởng nhân tạo là

vô cùng quan trọng trong phân tích dòng chảy kiệt để định lượng dòng chảy thực đo bị ảnh hưởng như thế nào

và để quyết định liệu số liệu này có thể được sử dụng hay không Những thông tin chi tiết về những ảnh hưởng nhân tạo là sẵn có, thỉnh thoảng có thể hiệu chỉnh số liệu dòng chảy thực đo để tạo

ra số liệu dòng chảy tự nhiên có ích Quá trình dòng chảy được tự nhiên hóa được mô tả trong chương này (3.3.4) Chương 10 cung cấp thêm những chỉ dẫn để giải quyết những ảnh hưởng nhân tạo trong phân tích dòng chảy kiệt

3.3 Chuẩn bị số liệu đạt chất lượng

để phân tích dòng chảy kiệt

Chương này sẽ tập trung mô tả các bước chuẩn bị số liệu dòng chảy đạt chất lượng để phân tích dòng chảy kiệt Mặc dù ít quan tâm mô tả các loại số liệu khác, một vài quy trình và phương pháp cũng có thể ứng dụng cho các đối tượng khác

3.3.1 Thiết lập các yêu cầu về số liệu

Số liệu thủy văn có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, như tính toán nguồn tài nguyên nước của một đất nước, lên kế hoạch, thiết kế và điều hành các dự án về nước, đánh giá các ảnh hưởng kinh tế, xã hội và môi trường trong vấn đề quản lý nước, định

lượng các ảnh hưởng của đô thị hóa

(hay chặt phá rừng) lên tài nguyên

nước, hay đưa ra các giải pháp cho lụt

và hạn (WMO, 1998b) Các yêu cầu về

số liệu có thể do đó khác hoàn toàn ứng

dụng này so với ứng dụng khác Ví dụ,

trong dự báo lũ, só liệu thực tế theo

không gian, hầu hết từng phút, độ phân

giải rất cần thiết, trái lại cho kế hoạch

tài nguyên nước, số liệu ngày và tháng

là đầy đủ

Từng phân tích thủy văn phụ thuộc vào

điều kiện tiên quyết của số liệu tương

ứng Đây là điều tốt nhất đã đạt được

bởi việc thiết lập đầu tiên về các yêu

cầu số liệu trong nghiên cứu và tạo ra

chỉ dẫn những yêu cầu của số liệu để

phục vụ như là tài liệu tham khảo chính

cho toàn bộ nghiên cứu

Thời gian được lấy để sửa các yêu cầu

số liệu trong khi bắt đầu nghiên cứu có

thể tiết kiệm đáng kể năng suất, về mặt

thời gian, nỗ lực và tiền bạc, trong giai

đoạn chuẩn bị lại và kiểm định số liệu

khi chỉ tập trung vào số liệu tương ứng

Mặc dù không có các quy luật cứng rắn

nhằm kiểm soát yêu cầu số liệu, nói

chung, những yêu cầu này nên bao gồm

thông tin đầy đủ để thiết lập tiêu chuẩn

cho việc lựa chọn số liệu có khả năng

được yêu cầu trong phân tích Điển

hình, tài liệu mô tả bao gồm như sau:

(a) Mục đích và bối cảnh của nghiên

cứu, bao gồm thông tin nền, đối tượng

số liệu dòng chảy, độ chính xác có thể

là ±5% trong 95% khoảng tin cậy (WMO, 2008a, Bảng 1.2.5) Độ chính xác này có thể giả định nằm trong quy định nghiêm ngặt và không thể đạt được trong nhiều ứng dụng cụ thể Mục đích và hạn chế của nghiên cứu lý tưởng nên quyết định độ chính xác cần thiết của số liệu (Steward, 1999); (c) Nguồn sẵn có cho nghiên cứu, cái

có thể dễ đạt được Một nghiên cứu, và chất lượng các kết quả của nó, bị hạn chế nhiều nhất bởi ngân sách, thời gian, phần mềm và năng lực nhân viên cũng như chính số liệu được sử dụng trong nghiên cứu Tuy nhiên, từ khi các kết quả nghiên cứu dựa trên số liệu nó sử dụng, tài nguyên đầy đủ nên được phân

bổ từ nhiệm vụ đầu tiên của thu thập và chuẩn bị số liệu để ngăn những kết quả không mong muốn cuối cùng;

(d) Phạm vi địa lý (diện tích, tỉ lệ và độ phức tạp) của nghiên cứu Điều này, đến lượt nó, quyết định độ phân giải không gian cần thiết của số liệu cho chuỗi thời gian của các điểm đo đạc (ví

dụ, dòng chảy, giáng thủy), có thể là mật độ trạm nhỏ nhất, hay, số liệu

không gian (ví dụ, số liệu địa văn học

hay khí hậu), quy định tỉ lệ cần thiết (ví

dụ, 1 : 50 000, 1 : 250000) của bản đồ

hay độ phân giải không gian cho số liệu

raster hay ô lưới (ví dụ, mô hình độ cao

số 1km);

(e) Khung thời gian của nghiên cứu,

khoảng thời gian (ví dụ, khoảng thời

gian dài hạn, tiêu chuẩn) và yêu cầu tối

thiểu về thời gian (chiều dài chuỗi), tần

suất (giá trị độ phân giải theo không

gian) và tính đầy đủ (trị số chấp nhận

cho các giá trị thiếu)

Liên quan đến yêu cầu về số liệu dòng

chảy trong các nghiên cứu dòng chảy

kiệt, tốc độ dòng chảy có khuynh

hướng tương đối nhỏ từ ngày này qua

ngày khác trong suốt thời kỳ dòng chảy

kiệt, số liệu độ phân giải theo ngày

(dòng chảy trung bình ngày) thường

được sử dụng hơn mặc dù số liệu tuần

(dòng chảy trung bình 7 ngày), số liệu

10 ngày và tháng (dòng chảy trung bình

tháng) cũng được sử dụng thường

xuyên Chuỗi thời gian nên càng dài

càng tốt Chuỗi số liệu với thời gian 30

năm hay nhiều hơn thường được sử

dụng như là chuỗi thời gian ngắn nhất

để tính toán (ví dụ, Tallaksen and

others, 2004) Theo lý thuyết, các nhà

thủy văn thường phải quản lý số liệu

với thời gian ngắn hơn: độ dài chuỗi

nhỏ nhất thường là 5 năm; tuy nhiên,

độ dài chuỗi ít hơn có thể thỉnh thoảng

được sử dụng, đặc biệt nếu các hiện

tượng quan trọng xảy ra ở khu vực gần

trạm và nếu số liệu có thể có tương

quan với chuỗi số liệu dài hơn từ các

trạm đo gần kề Trong điều kiện lý

tưởng, mỗi chuỗi thời gian nên liên tục, không bị ngắt quãng và số liệu bao gồm toàn bộ các giá trị, từ giá trị cao nhất đến giá trị nhỏ nhất Trong khi các phương pháp làm đầy có thể cải thiện việc sử dụng số liệu (xem 3.3.4), và đồng thời có thể quyết định chuỗi dòng chảy thực tế đối với chuỗi số liệu dài nhưng có các giá trị bị thiếu Các ngưỡng có thể được thiết lập để xác định mức độ chấp nhận về tính đầy đủ của số liệu, cái mà số lớn nhất, hay tỉ

lệ, của các giá trị bị thiếu được cho phép Ngưỡng có thể được sử dụng để quyết định liệu toàn bộ số liệu hay chỉ

số liệu của một vài năm không được sử dụng Đối với chuỗi dòng chảy trung bình hàng ngày, toàn bộ số liệu sẽ không bị loại bỏ nếu, ví dụ, hơn 20% các giá trị bị thiếu Đối với số liệu hàng ngày của một năm, các ngưỡng 5% (hơn 18 ngày số liệu bị thiếu) hay 10% thường được sử dụng Ngưỡng được chọn thường được quyết định dựa vào mục tiêu và tình huống của từng nghiên cứu Tuy nhiên, một điều cần chú ý là hướng tiếp cận này thường không phù hợp bởi vì nhiều giá trị thiếu hay bỏ qua có thể xảy ra trong các thời kỳ dòng chảy lũ, nhưng sẽ không cần thiết trong phân tích dòng chảy kiệt Trước khi loại bỏ một số liệu, hay phần nào trong chuỗi số liệu phải được xem xét cẩn thận trên cơ sở tính đầy đủ, thời gian xảy ra các giá trị bị thiếu: số liệu không được coi là đầy đủ có vẫn được chứng minh là có giá trị nếu các thời kỳ kiệt rơi vào khoảng thời gian này Nhiều phương pháp thống kê được sử dụng trong phân tích dòng chảy kiệt

yêu cầu chuỗi thời gian đồng nhất, có

nghĩa là số liệu phải liên tục và cố định

Số liệu được xem là cố định nếu không

có thay đổi hệ thống theo giá trị trung

bình (không có xu thế) hay phương sai

và nếu sự thay đổi có chu kỳ bị loại bỏ

(Chatfield, 2004) Trong thực tế, chuỗi

thời gian của dòng chảy không bao giờ

cố định, và trong toàn bộ thời gian của

một chuỗi số liệu, sự không đồng nhất

có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân,

bao gồm những thay đổi trong phương

pháp đo đạc, thay đổi vị trí trạm, xây

dựng và/hay loại bỏ cỏ dại, băng hay

mảnh vỡ, ảnh hưởng của nước vật,

chỉnh trị dòng sông, thay đổi trong sử

dụng nước ở đầu nguồn, thay đổi thảm

phủ hay khí hậu Yêu cầu các lưu vực

tự nhiên với hạn chế tối thiểu ảnh

hưởng của con người hay nhân tạo

thường là cách dễ nhất để tránh chuỗi

số liệu không đồng nhất (do ảnh hưởng

hoạt động của con người) Tuy nhiên,

một vài lưu vực không bị ảnh hưởng

bởi hoạt động của con người, và, đối

với nghiên cứu dòng chảy kiệt, mức độ

chấp nhận ảnh hưởng nhân tạo phải

được xác định, ví dụ, một vài phần

trăm (ví dụ, 5 hay 10%) của 95% dòng

chảy Trong các lưu vực nơi số liệu

chính xác về các ảnh hưởng nhân tạo ở

thượng lưu được xác định, chuỗi số liệu

này có thể phải được tính toán lại thành

chuỗi dòng chảy tự nhiên Quá trình

này, được biết đến như là “tự nhiên

hóa” được mô tả các phần tiếp theo,

và điều kiện vị trí đặt trạm (phát triển của cỏ dại, điều kiện lòng sông, ảnh hưởng nước vật) Số liệu được giải thích được hỗ trợ bởi kiến thức về lưu vực thượng lưu, bao gồm bộ mô tả lưu vực, sử dụng nước thượng lưu, và các công trình lấy nước và sự thay đổi của các thành phần này trong suốt thời kỳ

đo Siêu số liệu này đặc biệt hữu ích trong suốt thời kỳ kiểm định số liệu và

do đó nên được đáp ứng trong các yêu cầu về số liệu

3.3.2 Điều kiện tiên quyết và lưu trữ

số liệu

Khi các yêu cầu về số liệu trong một nghiên cứu được thiết lập, bước tiếp theo là thu được số liệu cần thiết Số liệu thủy văn có thể thu thập được từ nhiều nguồn khác nhau Một vài nhà cung cấp số liệu là các công ty thương mại, nói chung số liệu và dịch vụ phải trả một chi phí nhất định; trong khi nhiều nhà cung cấp khác là những tổ chức phi lợi nhuận, có thể cung cấp số liệu miễn phí hoặc một phần phí nhỏ để

có thể dùng cho việc chi trả chi phí cho phương tiện truyền thông và xử lý số liệu Ngân sách thường quyết định phần lớn nguồn và chất lượng số liệu

Hiểu biết về nguồn tiềm năng, và số

liệu được sở hữu không có giá trị đối

với bất kể nghiên cứu nào Hiểu biết

này có thể được lấy từ nghiên cứu (ví

dụ, tìm kiếm trên mạng, các tài liệu

tham khảo kỹ thuật) hay liên hệ cá

nhân Một vài mối quan hệ thân thiết

trong khu vực nghiên cứu rất hữu ích

trong việc thiết lập mối quan hệ công

việc tốt đẹp với các tổ chức địa phương

có trách nhiệm trong việc thu thập và

quản lý số liệu Hướng dẫn thông tin

của WMO (WMO-số 683) cung cấp

danh sách về các nhà cung cấp và sự

sẵn có của số liệu ở quy mô quốc tế và

ở 178 đất nước trên thế giới Một vài số

liệu thêm lấy từ báo cáo của WMO,

quản lý số liệu thủy văn: tình hình và

xu thế hiện nay (WMO-số 964)

Nhà cung cấp số liệu đang tăng cường

truyền số liệu qua Internet Những

trang web của họ có thể cung cấp nhiều

lựa chọn cho việc đánh giá số liệu, từ

gửi qua email đến tải từ trang web và

tương tác với các dịch vụ web thông

qua kết nối từ máy chủ Cũng như

chuyển đổi tập tin dựa trên Internet, số

liệu số vẫn được phân bố rộng rãi trên

phương tiện vật lý, như

CD/DVD-ROM, thẻ nhớ và ổ đĩa từ Mặc dù số

liệu có thể vẫn sử dụng ở dạng cứng

(dạng giấy), hinh thức này trở nên

hiếm Mặc dù quá trình phát triển của

công nghệ những năm gần đây, một

lượng lớn số liệu thủy văn giá trị tiềm

năng vẫn được lưu trên đồ thị hoặc tấm

giấy, trong niên giám hay sách giáo

khoa, hay hệ thống lưu trữ các phương

tiện in (tấm vi phim), trong nhiều kho

lưu trữ và thư viện trên khắp thế giới

Những số liệu này, nếu chúng có thể được tìm thấy, phải được số hóa hay được quét thông minh để có thể sử dụng được

Số liệu số được cung cấp ở nhiều dạng tập tin: văn bản thô, cố định, phân cách bằng ký tự (ví dụ, ký tự dấu phẩy), đánh dấu (ví dụ, HTML, XML), hay định dạng theo hệ thống riêng biệt (ví

dụ, bảng tính trong Microsoft Excel, xuất ra dạng ArcGIS, dạng ESRI, vẽ AutoCAD) Nhiều dạng có thể dễ dàng được nén sử dụng phần mềm miền công cộng (ví dụ pkzip hay gzip) Tất nhiên, người nhận số liệu sẽ sở hữu phần mềm tương ứng để đọc được số liệu Tất cả số liệu nên được cung cấp với thông tin thích hợp (siêu số liệu) như là mô tả chi tiết theo dạng tập tin

và số liệu bên trong (ví dụ, định nghĩa các biến, đơn vị đo và tham số chiếu (cho số liệu không gian))

Hầu hết số liệu phải hướng tới đăng ký bản quyền và quyền sở hữu trí tuệ, và được lưu trữ bởi nhà cung cấp số liệu Những quyền này và các điều khoản sử dụng thường được nêu chi tiết trong các thỏa thuận cấp phép mà những người sử dụng phải chấp nhận trước khi số liệu được gửi đến Một thỏa thuận cấp phép (hay điều khoản sử dụng) sẽ quy định liệu số liệu có thể được sử dụng miễn phí mà không có hạn chế về áp dụng, tái sử dụng, phân

bố hay bán lại Các sản phẩm có nguồn gốc từ số liệu phải có bản quyền và quyền sở hữu trí tuệ của nhà cung cấp; phải cẩn thận, do đó, không vi phạm những điều khoản này với việc sử dụng

tiếp theo của các kết quả của một công

trình nghiên cứu

Số liệu nên được lưu trữ để có thể dễ

truy cập và sử dụng Số liệu dòng chảy

và các loại số liệu khác có thể được lưu

trữ đơn giản theo dạng văn bản, trong

bảng tính (ví dụ, Microsoft Excel),

dạng cơ sở dữ liệu (ví dụ, ORACLE,

PostgreSQL), hay một vài dạng độc

quyền, thiết kế riêng, hệ thống phần

mềm quản lý số liệu thủy văn (ví dụ,

(WMO, 2003) Số liệu không gian nói

chung sẽ cần phải lưu trữ trong GIS (ví

dụ, ArcGIS, MapInfo) hay gói kỹ thuật

(AutoCAD)

Tất cả số liệu nên được dán nhãn theo

hệ thống lưu trữ đã chọn để từng giá trị

số liệu có thể dễ dàng được xác định và

lấy chính xác Đối với số liệu dòng

chảy, tất cả số liệu trong một chuỗi thời

gian đơn lẻ được đặt theo một số đặc

biệt, hay dán nhãn để cho phép nó liên

quan đến trạm đo tương ứng, ví dụ, dán

nhãn theo số trạm, hay mã trạm Để

phân biệt giữa các số liệu trong chuỗi,

từng giá trị nên được gắn ngày và thời

gian cụ thể Nếu hai hay nhiều số liệu

có cùng một mã trạm hay dán cũng thời

gian (ví dụ, khi giá trị tháng và ngày có

cùng ngày), một yếu tố thứ ba (ví dụ,

loại số liệu) cần được sử dụng cho từng

loại giá trị Tất cả siêu số liệu (ví dụ,

tên sông, tên vị trí, kinh vĩ độ, diện tích

lưu vực, đặc điểm lưu vực, lịch sử đo

đạc, các yếu tố ảnh hưởng đến dòng

chảy, …) nên được tham khảo bởi đặc

trưng của trạm tương ứng

Chỉ có lưu trữ theo dạng dễ sử dụng, số liệu có thể được phân tích bởi các công

cụ hay gói phân tích thống kê hay có thể được xây dựng bởi một hệ thống lưu trữ hay được quản lý thông qua phần mềm (ví dụ, MATLAB, S-Plus, SAS)

3.3.3 Xem xét và kiểm định số liệu

Số liệu phải được xem xét và kiểm định trước khi đưa vào sử dụng Nhà thủy văn giả định rằng chúng là những số liệu “tốt” và tiếp tục đem đi phân tích

mà không kiểm tra chất lượng kỹ càng, dẫn đến những kết luận sai lầm từ số liệu “kém” Định lý “đầu vào là rác, đầu ra là rác” luôn đúng trong phân tích thủy văn cũng như trong bất kể trường hợp nào Phần này chỉ xem xét số liệu dòng chảy, và giả định đã qua các bước

xử lý số liệu và đặt đúng đơn vị đo (ví

dụ, m3/s) Thông tin chi tiết về các phương pháp và các bước xử lý số liệu

có thể được tìm thấy thêm trong Hướng dẫn của WMO về thủy văn thực hành (WMO-số 168) hay Herschy (1995) Mục tiêu của việc xem xét và kiểm định số liệu là để đánh giá liệu số liệu sẵn có đã phù hợp với phân tích hay chưa Trong suốt quá trình này các nhà thủy văn phải đánh giá số liệu cẩn thận,

sử dụng chuyên môn và sự đánh giá của họ để quyết định giải quyết tính không đồng nhất, như xu thế, các bước thay đổi, sai số, các giá trị ngoại lệ hay

bị thiếu, trong chuỗi số liệu Với mục tiêu của từng nghiên cứu, các nhà thủy văn nên quyết định liệu số liệu không nên sử dụng hay là được hiểu chỉnh

Tham khảo luôn luôn được sử dụng đối

với siêu số liệu tương ứng trong suốt

quá trình hiệu chỉnh: các bộ mô tả lưu

vực quan trọng (độ cao, thảm phủ, sự

hiện diện của rừng và hồ), chi tiết về

lịch sử quan trắc và mô tả các yếu tố

ảnh hưởng đến dòng chảy hữu ích đổi

với việc giải thích các vấn đề và tính

không đồng nhất Nhiều phương pháp

có thể được sử dụng để xem xét và hiệu

chỉnh số liệu dòng chảy; một vài

phương pháp hay sử dụng nhất được

mô tả phía dưới

Kiểm tra đường quá trình thủy văn,

kiểm tra trực quan của quá trình thay

đổi theo thời gian là phương pháp hiệu

quả nhất dùng để hiệu chỉnh số liệu

dòng chảy Để đánh giá chất lượng số

liệu dòng chảy kiệt nói riêng, đường

quá trình nên được xem xét theo thang

lôgarít trên trục thẳng đứng y Thang

lôgarít được sử dụng bởi vì nó chỉ ra

đặc điểm nổi bật của những dao động

trong chuỗi dòng chảy kiệt Tuy nhiên,

phải chú ý rằng việc sử dụng thang

lôgarít có thể dẫn đến sự suy giảm

không thực tế ở dòng chảy rất kiệt

Phương pháp hữu ích khác giúp tập

trung đến các dòng chảy đặc biệt là vẽ

lên đường quá trình trong một đường

bao giữa dòng chảy ngày tương ứng

lớn nhất và nhỏ nhất trong thời hạn dài

(Hình 3.1)

Đường quá trình của toàn bộ chuỗi số

liệu nên được vẽ để kiểm tra bất kỳ xu

thế dễ nhận ra hay không liên tục trong

chuỗi số liệu Thống kê dựa trên chuỗi

số liệu chứa xu thế, mùa vụ hay các

thành phần hệ thống khác có thể bị gây hiểu lầm nghiêm trọng (Chatfield, 2004) Kiểm tra chặt chẽ toàn bộ chuỗi thời gian giúp bộc lộ tính không cố định trong chế độ dòng chảy, như là những thay đổi thường xuyên trong cường độ, tần suất hay thời gian xuất hiện đỉnh và giá trị nhỏ nhất (có thể do thay đổi khí hậu hay trôi dụng cụ quan trắc), hay tính không liên tục có thể gây

ra bởi sự thay đổi của thảm phủ hay phương pháp quan trắc hay sự khác biệt

về đơn vị đo (ví dụ, mm thay cho m3/s), điều này thỉnh thoảng xảy ra khi số liệu mới được nối thêm vào chuỗi số liệu đang được sử dụng Chỉ dẫn thêm về cách xử lý xu thế và tính không liên tục

sẽ được trình bày sau và ở phần 3.34 Đường quá trình nên được kiểm tra hàng năm, lý tưởng là đường quá trình cho các vị trí khác ở thượng lưu, hạ lưu hay ở các lưu vực lân cận và đường quá trình mưa từ một trạm lân cận (Hình 3.2) Kiểm tra độ suy giảm của các thời

kỳ kiệt ở cùng một trạm có thể cũng được bộc lộ Nhiều đường quá trình nên được vẽ cùng đơn vị với số liệu lưu lượng (m3/s/km2 hay mm) nếu diện tích lưu vực tương ứng khác đáng kể Đối với lưu vực bị ảnh hưởng bởi băng hay tuyết, đường quá trình nhiệt độ từ trạm

đo nhiệt độ (quá trình nhiệt) ở khu vực của lưu vực nên được vẽ Dòng chảy ở những lưu vực này thường thấp trong suốt các tháng mùa đông lạnh và tăng nhanh khi nhiệt độ tăng và tan băng bắt đầu vào mùa xuân So sánh các đường quá trình giữa các vị trí cung cấp tính đồng nhất của số liệu, với bất kể sự khác nhau hay độ phân tán sẽ được xác

định Một vài vấn đề liên quan đến đo

đạc trong suốt quá trình kiểm tra đường

quá trình được nêu ở Bảng 3.1 và

chứng minh ở Hình 3.1

Một biểu đồ biến thiên hàng năm,

đường quá trình các giá trị trung bình

các năm liên tiếp (ví dụ, dòng chảy

trung bình hàng năm) là hướng tiếp cận

hữu ích và tương đối đơn giản để xác

định xu thế trong chuỗi số liệu với

những biến thiên theo mùa

Đương cong kép vẽ các giá trị tích lũy

của hai chuỗi thời gian khác nhau là

phương pháp đồ họa khác để đánh giá

số liệu dòng chảy (Hình 3.3) Đường

cong kép, xây dựng từ các số liệu đo

đồng thời của hai trạm đo có các lưu

vực tương tự về cùng trạng thái nên là

một đường thẳng Chuyển hướng đột

ngột từ đường thẳng có thể chỉ ra một

bước thay đổi hay thay đổi hệ thống trong từng khoảng thời gian, có thể do một sự thay đổi trong phương pháp đo đạc, một công trình lấy nước mới ở thượng lưu, hay sự thay đổi đáng kể của thảm phủ ở một trong các lưu vực Đường cong kép có thể giúp xác định liệu xu thế rõ ràng của từng chuỗi thời gian là kết quả của thay đổi toàn cầu (ví

dụ, khí hậu) (không có chuyển hướng) hay có thể (có chuyển hướng) do các yếu tố địa phương Hai chuỗi thời gian được sử dụng trong đường cong kép không cần thiết phải là một loại biến

Ví dụ, số liệu từ trạm mưa lân cận có thể thỉnh thoảng giúp ích cho việc kiểm tra chuỗi số liệu dòng chảy

Đường cong tích lũy giống với đường cong kép, mặc dù nó vẽ lượng tích lũy của hai chuỗi số liệu từ một vài số liệu

Hình 3.1 Phân tích đường quá trình (Bảng 3.1 giải thích các chữ cái)

Bảng 3.1 Các vấn đề về chất lượng số liệu có thể phát hiện thông qua phân tích

đường quá trình

đạc Thay đổi mối quan hệ lưu lượng-mực nước

Thay đổi mặt cắt dòng sông Thay đổi đơn vị đo

Ảnh hưởng nhân tạo ở thượng lưu

Hỏng thiết bị đo Thời gian bảo trì

C Thiếu số liệu và được thay bằng trị số

dòng chảy 0

Lỗi xử lý số liệu

D Các đỉnh lũ bi sai, tách biệt (ngoại lệ) Lỗi xử lý số liệu

E Dòng chảy tăng dần sau đó giảm đột

G Thay đổi đột ngột sau đó tăng hoặc

giảm kéo dài

Ảnh hưởng nhân tạo ở thượng lưu (công trình lấy nước, xả nước, vận hành hồ chứa)

H Xuống dốc không thực tế của sự suy

giảm dòng chảy (giảm theo từng đoạn)

Phần kéo dài không kiểm tra của đường cong đánh giá

trong thời kỳ dòng chảy kiệt Thiếu độ nhạy đối với những thay đổi của mực nước trong thời kỳ dòng chảy kiệt

Sự cố thiết bị đo

trên hay cận dưới

(thường là trung bình) Như là một

đường cong, xây dựng từ số liệu của

hai lưu vực tương tự về thủy văn, nên

vài trạm đo mưa địa phương và dòng

chảy trong một mùa nên chỉ ra lượng

mưa nói chung vượt quá dòng chảy

cũng như phù hợp giữa hai yếu tố từ

năm này sang năm khác

Kiểm tra tính đồng nhất không gian sử

dụng bản đồ thống kê dòng chảy phù

hợp (ví dụ, dòng chảy tháng theo mm),

hoặc là giá trị điểm được bôi màu hay

giá trị bề mặt nội suy (ví dụ, nội suy

khoảng cách nghịch đảo có trọng số)

nếu dòng chảy thực đo tương ứng với

các yếu tố khác trong khu vực

Ứng dụng các phương pháp ở trên

tương xứng để tìm tính không đồng

nhất trong số liệu dòng chảy Tuy

nhiên, ứng dụng nhiều phương pháp

chính thống và nghiêm ngặt lầ cần thiết

để tìm ra tính không ổn định trong

chuỗi số liệu (xu thế, các bước thay đổi

và thay đổi trong phân phối) Có nhiều loại kiểm tra thống kê khác nhau để phát hiện sự thay đổi trong chuỗi số liệu, và chọn phương pháp kiểm tra thích hợp phụ thuộc vào sự thay đổi (ví

dụ, xu thế hay các bước thay đổi), liệu thay đổi về mặt thời gian được biết và dựa trên sự cần thiết của phương pháp kiểm tra (Robson và những người khác, 2000) Các phương pháp kiểm tra để phát hiện bước thay đổi bao gồm kiểm tra điểm thay đổi trung bình (kiểm tra Pettit để phát hiện thay đổi), kiểm tra Wilcoxon-Mann-Whitney, kiểm tra độ lệch tích lũy và kiểm tra tỉ lệ khả năng Worsley Các phương pháp kiểm tra xu thế bao gồm hệ số tương quan rho Spearman, kiểm tra Mann-Kendall và hồi quy tuyến tính Báo cáo của WMO

Hình 3.2 So

sánh các đường quá trình từ các lưu vực lân cận (A, B, và C) và biểu đồ quá trình mưa

từ trạm mưa lân cận (D) (chú ý các giá trị thiếu vào tháng 8)

phát hiện xu thế và những thay đổi

khác trong số liệu thủy văn

(WMO/TD-số 1013) cung cấp chi tiết các phương

pháp khác nhau

3.3.4 Hiệu chỉnh số liệu

Một vài số liệu sẵn có sử dụng trong phân tích thủy văn tồn tại nhiều sai số, các giá trị thiếu và thiếu tính đồng nhất