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

68

Chơng 3
Sự giữ nớc trên lu 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 đợc
bề mặt đất phía dới. Một phần của lợng ma có thể bị chặn lại bởi lá và thân của
thảm thực vật và đợc chứa tạm thời trên bề mặt của chúng. Một ít hoặc tất cả lợng
nớc 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 đợc đặt tên là tổn thất do
bị giữ lại (
interception loss
). Lợng nớc còn lại tới đợc bề mặt đất tạo thành lợng
ma thực (
net rainfall
) (Hình 3.1). Phần chủ yếu của lợng ma này bao gồm
lợng
ma xuyên qua đợc
gồm những những giọt ma rơi xuyên qua khoảng trống của tán
cây và nớc nhỏ xuống từ những lá, cành và thân cây ớt xuống mặt đất; một lợng
nớc thờng thờng 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 nớc và
những thành phần stemflow. Một lớp của đống rác lá trên mặt đất cũng có thể chặn
lại một ít nớc.
Quá trình giữ nớc rất quan trọng do một số nguyên nhân sau. Thứ nhất,
lợng ma thực bên dới tán cây thờng nhỏ hơn lợng ma tổng cộng (
gross
rainfall

) rơi xuống phần trên của tán cây. Trong một số trờng hợp, tổn thất do sự giữ
nớc có thể khá lớn và có ảnh hởng đáng kể đến cân bằng nớc. Thứ hai, vì là kết
quả của sự đi qua tán lá cây nên sự biến thiên theo không gian của lợng ma thực
lớn hơn nhiều so với lợng ma tổng cộng. Lợng ma xuyên qua đợc và nớc chảy
nhỏ giọt đợc tích tụ ở các rìa của các tán cây, trong lúc đợc tích tụ lại những giọt
nớc sát với thân cây và dòng chảy theo cành cây thờng đa 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 lợng ma qua tán lá của
thực vật có thể làm tăng sự biến đổi kích thớc các giọt nớc. 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 nớc (xem chơng 8).
Sự giữ nớc đợc trình bày trong một chơng riêng biệt với chơng bốc hơi
(chơng 4) tuy chúng có cùng bản chất vật lý, tổn thất do chặn nớc chỉ có thể xuất
hiện khi tán của thảm thực vật bị ẩm ớt. Lợng giữ này phụ thuộc nhiều vào những
biến đổi của lợng ma hạn ngắn và thời đoạn của ma cá biệt và khoảng thời gian
khô hạn giữa các trận ma.
3.2 Sự chặn nớc và cân bằng nớc
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 nớc trong cân bằng
69

nớc của những lu vực đã tơng đối sáng tỏ. Trong rất nhiều năm đã có hai quan
điểm trái ngợc. Một quan điểm cho rằng tổn thất do sự chặn nớc không có ảnh
hởng thực tế nào đến cán cân nớc của lu 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 nớc cho
đất và dòng sông.

Hình 3.1 Tổn thất do bị chặn nớc (l) đợc định nghĩa là hiệu số giữa lợng giáng thủy tổng cộng (P) và lợng
ma thực (N). Lợng ma thực đợc hình thành bởi lợng ma xuyên qua đợc (T) và dòng chảy qua thân và
cành cây (S).

Mặc dù có bằng chứng đáng kể chứng minh rằng lợng giáng thủy thực tế phía
dới rừng cây nhỏ hơn nhiều so với ở vùng đất trống (ví dụ Horton, 1919) nhng nó
cũng không chắc chắn vì tổn thất nớc do bị chặn nớc cho thấy sự tăng rõ ràng của
bốc hơi. Một điều có thể gây tranh luận là tổn thất do chặn nớc đợc cân bằng bởi
một sự giảm tơng ứng của lợng nớc mà thảm thực vật hút lên (lợng nớc này sẽ
ngừng lại khi tán lá ớt). Trong trờng hợp đó, tác động tổng cộng lên sự cân bằng
nớc sẽ đợc trung hòa hoặc rất nhỏ có thể bỏ qua. Đến hiện tại mặc dù tầm quan
trọng của sự chặn nớc đã đợc nhận thức rộng rãi hơn rất nhiều nhng nó vẫn chỉ
đợc 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 chơng này sẽ chỉ ra sự quan trọng của sự chặn nớc đối với thủy văn học.
Giả thuyết nhấn mạnh rằng tổn thất do sự chặn nớc về cơ bản có thể bay hơi
trong bất kỳ thời gian nào bằng chỉ một lợng nhất định năng lợng là có thể thực
hiện đợc. Năng lợng này hoặc đợc sử dụng để làm bốc hơi nớc trong lá cây (thoát
hơi) hoặc để bốc hơi nớc trên bề mặt của lá cây (interception). Do đó, sự chặn nớc ít
nhất một phần đợc cân bằng bởi sự giảm lợng thoát hơi (sẽ xuất hiện nếu trời
không ma) (Rutter, 1968). Những thí nghiệm trớc 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 ớt và sự thoát hơi của cỏ không bị ớt đợc cung cấp một
lợng nớc thích hợp. Họ kết luận rằng tổn thất do sự giữ nớc đợc cân bằng bởi một
sự giảm tơng ứng của sự thoát hơi. Vì vậy tổn thất do sự giữ nớc khác sự bốc hơi và
không phải là sự thêm vào lợng thoát hơi và do đó sẽ có ít (nếu có) ảnh hởng đến
70

cân bằng nớc của một lu vực. Theo phép ngoại suy có thể thấy một tình huống
tơng tự xảy ra đối với những khu rừng nhng quá khó để có thể xác minh bằng thực
nghiệm. Giả thuyết về ảnh hởng trung gian này rõ ràng đã làm tăng thêm sự tin
tởng đáng kể thông qua các lập luận trên và tài liệu đợc công nhận về bốc hơi bởi
Penman. Ông là ngời đã khẳng định rằng: trong khi năng lợng đang đợc tiêu hao

hết để loại bỏ lợng nớc bị chặn lại, thì lợng năng lợng tơng tự không thể đợc
tiêu hao để loại bỏ hết lợng nớc thoát hơi (Pennan, 1963).
Tuy nhiên, bằng chứng cho thấy đây không phải là câu trả lời hoàn thiện.
Những nghiên cứu về lu vực ở châu Âu và nớc 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 đợc giải thích theo nhiều cách khác nhau
nh là do những sai số của thực nghiệm, hoặc do rừng có khả năng giữ lại lợng nớc
lớn hơn từ mặt đất hơn là những thảm thực vật thấp hơn trong thời gian đất thiếu
nớc. Một bớc tiến quyết định trong nhận thức đợc đa ra bởi Law (1958) ở Tây
Bắc nớc Anh ngời nghiên cứu cân bằng nớc của một thẩm kế nhỏ tự nhiên đợc
đặt trong rừng cây vân sam. Những đo đạc bao gồm cả lợng ma tổng cộng và lợng
ma thực cùng với sự tiêu nớc. Lợng nớc dùng hàng năm (ma tổng trừ đi lợng
nớc tiêu đi) lớn hơn 50% so với lợng nớc dùng ghi lại đợc ở máy đo ngấm nớc có
cỏ bao phủ hay ở lu vực có cỏ bao phủ ở gần đó. Hơn nữa lợng nớc mà rừng sử
dụng dờng nh lớn hơn đáng kể so với giá trị năng lợng bức xạ thực có thể cung cấp
cho quá trình bốc hơi.
Kết quả này miêu tả sinh động sự chặn nớc, không phải giống nh sự thoát
hơi mà là giá trị tổn thất thực của nớc (sẽ đợc bổ sung cho đất và nớc ngầm hoặc
cho dòng sông nếu không có sự chặn nớc). Những câu hỏi chủ yếu cần đợc trả lời là
quá trình bốc hơi từ bề mặt ẩm ớt 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 ớt hay không và quá trình
bốc hơi đáng kể của nớc bị chặn lại có thể xảy ra trong những trờng hợp mà tốc độ
thoát hơi nhỏ không đáng kể hay không chẳng hạn từ thảm thực vật chết bị ớt 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 lợng 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 nớc bị chặn lại bốc hơi nhanh
hơn nhiều so với nớc thoát hơi và do đó phần lớn tổn thất do sự chặn nớc là kết quả
của một tổn thất phụ thêm trong cán cân nớc của lu vực. Rutter (1963) phát hiện

ra rằng tổn thất do bốc hơi từ những cành cây ớt vợt quá tổn thất từ những cành
cây không bị ớt chỉ mất nớc 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 ngời khác, (1967) cho thấy trong suốt thời kỳ mùa đông, tổn thất của nớc bị
chặn lại vợt quá đáng kể tốc độ thoát hơi trong cùng những điều kiện môi trờng.
Những kết quả của các nghiên cứu cho các lu vực nhỏ đã cho thấy sự tăng thêm
đáng kể lợng nớc là do sự loại bỏ thảm thực vật (Hewlett và Miner, 1961; Hibbert,
1967) và lợng nớc 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 hởng của sự
chặn nớc.
Sau đó một sự kết hợp của những phân tích lý thuyết và sự thu thập số liệu đã
71

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 nớc dới ánh sáng ban ngày là phần
thêm vào cho sự thoát hơi (ví dụ 32% có thể đợc bù lại bởi sự thoát hơi). Pearce và
các cộng sự (1980) nhận thấy nếu tính toán tổn thất nớc thêm vào do sự tồn tại của
sự bốc hơi với tốc độ lớn vào ban đêm của lợng nớc bị chặn lại thì tổn thất nớc bị
chặn lại thực tế có thể tới 84% của lợng nớc bị chặn tổng cộng. Hơn nữa, theo
những quan trắc của Pearce và các cộng sự (1980), tổn thất nớc bị chặn lại thực tế sẽ
tăng lên khi tỷ lệ của thời đoạn ma ban đêm với lợng ma tăng lên. Điều này có
nghĩa là trong nhiều khu vực có lợng ma lớn, đặc biệt là những vùng khí hậu hải
dơng - nơi ít nhất 1/2 các cơn ma có thể xuất hiện vào ban đêm, tầm quan trọng của
sự chặn nớc nh là một tổn thất do bốc hơi và cờng độ của tổn thất thực có thể rất
đợc đề cao liên quan đến những khu vực mà ma bị chi phối bởi những hoạt động
đối lu ban ngày.
Trong những điều kiện cụ thể, những nhân tố khác có thể gây ra những tổn

thất chặn nớc thực đợc thêm vào. Ví dụ: ở một số vùng, sự thoát hơi có thể bị giới
hạn bởi hiệu lực của sự giữ nớc hơn là năng lợng gây bốc hơi. Khi đó bằng việc tăng
lợng nớc sắn có, sự chặn nớc sẽ tăng tổn thất nớc tổng cộng của lu vực. Sự bay
hơi của nớc bị chặn lại bởi thực vật và bởi một tầng rác lá tất nhiên sẽ tơng ứng với
tổn thất chặn nớc thực (McMillan và Burgy, 1960), nhân tố duy nhất liên quan đến
trờng hợp này là khả năng trữ của sự chặn nớc và sự rút hết của nó thông qua quá
trình bay hơi. Lợng trữ của tổn thất do chặn nớc đã đợc Zinke (1967) đánh giá là
giữ vai trò quan trọng nhất trong việc tác động đến cân bằng nớc của lu vực.
Sự lý giải đầu tiên/chủ yếu cho tốc độ bốc hơi lớn ở những bề mặt thực vật ớt
và đặc biệt là từ tán lá ẩm ớt của các khu rừng liên quan tới tầm quan trọng tơng
đối của hai lực cản chính ở tán lá của thảm thực vật đợc áp đặt lên dòng hơi nớc
vào trong khí quyển ở phía trên. Điều này sẽ đợc thảo luận chi tiết hơn trong chơng
4 trong mối quan hệ với phơng 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 đợc áp đặt bởi chính tán lá của thảm thực vật lên quá trình di
chuyển của nớc qua sự thoát hơi và sức cản khí động lực là một phép đo của sức cản
đợc sinh ra do hơi nớc chuyển động tách khỏi bề mặt thảm thực vật chẳng hạn bề
mặt bốc hơi ẩm ớt 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, nhng khi bề mặt của thực vật ẩm ớt, sức cản này thực tế đợc 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 (thờng ở cây cối có
xu hớng lớn hơn đáng kể so với cỏ). Sức cản đối với dòng hơi trong trờng hợp bề mặt
thảm thực vật ẩm ớt nhỏ hơn so với bề mặt khô và tơng đối thấp trong trờng 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
hởng lớn đến hơi nớc.
Năng lợng thêm vào để duy trì tốc độ cao của tổn thất do bốc hơi có ảnh
72

hởng lớn của sức cản khí động học đối với thảm thực vật ẩm ớt xem ra có thể quy
cho năng lợng bình lu. Năng lợng này liên quan tới chuyển động theo phơng
ngang của năng lợng trong khí quyển (đối lập với đối lu chuyển động theo phơng
thẳng đứng). Rutter (1967) chỉ ra rằng trong những điều kiện tán lá ẩm ớt, tổn thất
do bốc hơi có thể không bị kiểm soát chủ yếu bởi sự cân bằng bức xạ hơn tán lá bị ớt.
Nó làm nhiệm vụ nh một cái bồn tiếp nhận năng lợng bình lu từ không khí.
Quan trọng là ông Rutter đã nhận thấy khi nớc bị chặn lại bốc hơi, tán lá
lạnh hơn không khí ở xung quanh và gradient nhiệt độ đợc sinh ra đủ để sinh ra
dòng nhiệt cung cấp cho năng lợng thiếu hụt. Giả thuyết này sau đó đợc 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 lỡng đến một mức nhất định mà hiện nay
chúng ta nhận thức đợc rằng năng lợng đối lu có thể bắt nguồn từ hoặc là lợng
nhiệt trong không khí đi qua tán lá thực vật (Stewart, 1977; Singh và Szeicz, 1979)
hoặc là từ lợng nhiệt đợc trữ trong chính tán lá và thảm thực vật (Moore, 1976).
Stewart (1977) đã quan trắc gradient âm của nhiệt độ và gradient dơng của hơi nớc
trong những điều kiện ẩm ớt của tán lá. Từ những quan trắc này ông có thể đo đạc
đợc bốc hơi với bớc thời gian 20 phút và nhận thấy 70% của những thời gian này sự
bốc hơi vợt quá bức xạ thực, năng lợng thêm vào đợc bắt nguồn từ không khí đi
qua bầu trời.
Những bằng chứng thêm nữa về vai trò của năng lợng bình lu và năng lợng
dự trữ trong việc đẩy mạnh sự bốc hơi của tán cây ẩm ớt đợc đa ra bởi Pearce và
những ngời khác

(1980) (ngời củng cố/xác nhận dấu hiệu của tốc độ bay hơi nhanh
vào ban đêm khi không có nguồn năng lợng nào khác).
Về việc này, cần chú ý rằng những nghiên cứu của Singh và Szeicz (1979) và
Stewart (1977) đợc tiến hành trong những khu vực rừng tơng đối nhỏ bao quanh
bởi đất nông nghiệp nơi mà bình lu quy mô lớn của năng lợng d thừa có thể xảy
ra. Tuy nhiên, có thể trong trờng hợp những khu rừng rất rộng lớn ví dụ nh thảm

phủ thực vật của Canada hoặc lu vực Amazon - những nơi rừng trải dài hàng trăm
km, ít năng lợng d thừa hơn có thể có khi khu vực rộng lớn nh vậy bị ẩm ớt. Tuy
nhiên khoanh vùng lại, tình trạng ớt do ma 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
ớt.
Sự mô phỏng quá trình trao đổi năng lợng 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
hởng tổng hợp của sự chặn nớc lên cân bằng năng lợng 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 tơng đối và tốc độ gió. Kết
quả là họ đa ra kết luận rằng bốc hơi tăng cờng của nớc bị chặn lại có thể xuất
hiện ở những khu rừng có quy mô lớn nơi bình lu theo phơng ngang có thể không
đáng kể.
Gần đây hơn những tiến bộ trong mô phỏng ma 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 đờng đi có thể của những hạt ma rơi trên cây cải Bruxen, củ cải đờng
73

và khoai tây, tức là chúng có thể rơi giữa các lá cây, đặc tính của chúng giữ nguyên
không đổi. Lợng nớc bị chặn lại và chuyển thành dòng nớc men theo lá và cành
cây. Lợng nớc bị chặn lại và kết hợp thành một khối, sau đó rơi xuống dới 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 trởng
thành và diện tích chặn nớc của chúng tăng lên thì lợng nớc xuyên qua tán lá cây
sẽ giảm xuống kèm theo với sự tăng lên của dòng nớc theo cành cây và dòng nhỏ giọt
từ lá và sự giảm nhỏ của hiện tợng đất bị ớt ngoại trừ tại những điểm lá nhỏ giọt
xuống.
Những thí nghiệm mô phỏng ma với các bụi cây thân cỏ cho thấy cách mà cấu

trúc của cây, với dãy lá hội tụ của nó, trực tiếp chặn nớc ma 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 sờn dốc với thảm
thực vật giống nh thảo nguyên.
3.3 Đo đạc sự giữ nớc
Phơng pháp phổ biến nhất để đo đạc tổn thất do chặn nớc (
I
) là tính toán
hiệu số giữa lợng giáng thủy phía trên lớp phủ thực vật (
P
) và lợng giáng thủy thực
phía dới tán lá của chúng bao gồm lợng ma xuyên qua đợc (
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 dới tán lá của thực
vật, nên phơng pháp này đợc sử dụng nhiều đối với rừng hơn là những lớp phủ
thấp hơn. Lợng ma xuyên qua đợc có thể đo đạc đợc bằng việc sử dụng máy đo
bằng phễu hoặc bằng rãnh đợc đặt bên dới tán lá rừng và dòng chảy qua thân và
cành cây có thể đợc thu thập bằng những máng nớc 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:
Ngời ta đã nhận thấy lợng ma xuyên qua đợc 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 hớng có thể

tập trung lợng ma xuyên qua đợc vào những điểm chảy nhỏ giọt. Stemflow có thể
bị chi phối bởi hớng của cành cây và độ gồ ghề của vỏ cây.
Thông thờng, giáng thủy tổng cộng đợc đo đạc ở những khu vực trống nhng
đôi khi điều này là không thể và có thể có những vấn đề do các ảnh hởng 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 lợng ma xuyên qua đợc 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 lợng nớc xuyên qua tán lá trong những
điểm chảy nhỏ giọt (Hình 3.2). Những đánh giá trớc đây về tổn thất do chặn nớc
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 trớc đã không
hiểu đầy đủ những biến thiên rất lớn theo không gian của nớc ma xuyên qua tán lá
74

đòi hỏi phải có một số lợng lớn các máy đo đợc đặt tại những địa điểm ngẫu nhiên,
đợc di chuyển thờng xuyên để có đợc những đánh giá chính xác.

Hình 3.2 So sánh lợng ma xuyên qua thu đợc của một mạng lới các vũ kế đợc thể hiện bằng phần trăm
của lợng ma tổng cộng cho (a) rừng ma nhiệt đới, (b) rừng ôn đới (Lloyd và Marques, 1988).
Dòng chảy theo thân cây có thể đợc đo đạc bằng những máng nớc dẻo gắn
xung quanh thân cây và dẫn nớc vào một thiết bị chứa nớc. Mặc dù có nhiều
nghiên cứu trớc đây bỏ qua dòng chảy theo thân cây nhng 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 nớc 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 nh một phần của lợng
ma tổng cộng (ví dụ Johnson, 1990). Kết quả này phần nào do vỏ của cây trở nên
nhám hơn hoặc đợc bao phủ bởi rêu và địa y và phần nào là do các cành cây già cỗi
hơn có xu hớng ít dốc hơn.

Một phơng pháp thỏa đáng hơn trong việc đo đạc lợng ma thực là sử dụng
những vũ kế tấm lớn - loại thu thập cả lợng ma xuyên qua đợc 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 lợng lớn vũ kế đo lợng ma xuyên qua
đợc 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 ma xuyên qua cao gần với những địa điểm
có ma 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
75

những nơi thông tin cần là sự biến thiên theo không gian của lợng ma thực, nh
trong trờng hợp nghiên cứu sự bổ sung độ ẩm đất, xói mòn hoặc chất lợng nớc.
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 hởng đến tán lá cây do việc cắt đứt nguồn cung cấp của lợng ma
thực và rác rơi xuống mặt đất.
Những nghiên cứu về sự chặn nớc 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 đợc. Ví dụ những thẩm kế cân nhỏ đợc sử dụng để đo đạc tổn thất
do bốc hơi từ bề mặt ẩm ớt trên cây thạch nam (Hall, 1985; 1987), nhng 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 phơng pháp để đo đạc tổn thất do chặn nớc ở cỏ
bằng việc chèn vào những vòng đệm bằng kim loại có đờng 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 tơng mủ loại này không làm ảnh hởng đến sự phát
triển của cỏ. Một ống dẫn ở bên cạnh của mỗi chiếc vòng dẫn cả lợng ma xuyên qua
và dòng chảy theo thân cây đến một bình chứa.
Những hớng tiếp cận cân bằng nớc đã đợc sử dụng để đo đạc gián tiếp độ

lớn của tổn thất do chặn nớc. Một số nghiên cứu sử dụng những bồn thu nớc nhỏ để
đa ra những đánh giá quy mô lớn về tổn thất do chặn nớc. Ví dụ: Swank và Miner
(1968) nhận thấy rằng ảnh hởng của việc chuyển đổi những rừng cây lá rộng trởng
thành thành cây thông trắng phơng Đông ở hai lu vực thực nghiệm ở phía Nam
Appalachians là giảm dòng chảy sông gần 100 mm sau 10 năm. Vì phần lớn lợng
nớc giảm xảy ra trong mùa đông, nên nó đợc quy chủ yếu là do tổn thất do chặn
nớc ở cây thông không rụng lá lớn hơn cây lá rộng rụng lá. Sự tăng lợng nớc, cũng
có thể phần lớn do những ảnh hởng của sự chặn nớc, đợc đa 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 hớng nghiên cứu để xác định khả năng trữ
của sự chặn nớc và những thành phần riêng lẻ của nó. Cách đơn giản nhất là vẽ biểu
đồ lợng ma xuyên qua đợc và lợng ma tổng cộng (Leyton và các cộng sự, 1967),
và lắp một vỏ bọc bên trên những điểm lợng ma xuyên qua đợc. Đờng kẻ tạo
thành phần mặt phẳng âm bị chắn trên trục lợng ma xuyên qua đợc thể hiện khả
năng trữ của tán lá. Tuy nhiên, số liệu thờng có sự phân bố lớn do sự phân bố của
chu trình ẩm và khô trong mỗi trận ma cũng nh sự thay đổi lớn của các điều kiện
thực nghiệm. Vỏ bọc có xu hớng làm cho các kết quả thiên về những điểm có sai số
theo cùng một hớng. 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 ớt không hoàn toàn của tán
lá. Vì có tổn thất do chặn nớc nên những đo đạc về lợng trữ của tán lá và khả năng
trữ đều đợc biểu diễn tơng đơng độ sâu (thờng là mm) trên một đơn vị diện tích
đất và không giống với độ dầy vật lý của lớp màng nớc trên tán lá.

Bảng 3.1
Những giá trị đặc trng của khả năng chặn nớc ma của tán lá đối
với các loại thảm thực vật khác nhau, đợc biểu diễn bằng chiều sâu nớc tơng
đơng trên khu vực phát triển của thảm thực vật (phỏng theo số liệu của Rutter và
76

các cộng sự, 1975; Shuttleworth, 1989; Zinke, 1967; Hall, 1985).
Thảm thực vật

Khả năng trữ của tán
lá
S (mm)
Rơi xuống tự do
p (tỷ lệ)
Lá kim:
1.05 0.25
1.5 0.25
1.7 0.05
1.2 0.09
Cây rụng lá: Mọc lá Không Mọc lá Không
Cây trăn 1.0 0.65 0.35 0.55
Cây sồi 0.85 0.3 0.45 0.80
Rừng nhiệt đới
1

1.1
a
4.9
b
0 0.08
Cây thạch nam

1.1 0.13
Cây thân cỏ 1.3
1
Rừng nhiệt đới giá trị S đợc tối u hóa bằng (a) mô hình

Rutter, (b) mô hình ngẫu nhiên
Những hớng tiếp cận trực tiếp bao gồm làm ớt thảm thực vật và đo đạc
những thay đổi sau đó về khối lợng khi nớc bay hơi. Cách này có thể thực hiện đợc
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 nớc của bề mặt lá cây
rừng ma nhiệt đới bằng cách sử dụng thiết bị mô phỏng ma và khả năng trữ của sự
chặn nớc của các thân cây và bề mặt gỗ bằng cách ngâm những mảnh vỏ cây trong
những dung dịch nớc. 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). Nh là diện tích bề mặt có
rừng/diện tích tán lá, để xác định khả năng trữ tổng cộng của sự chặn nớc. 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 thờng thấy ở các phơng 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 nớc lên nó và theo dõi sự thay đổi về khối lợng 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 nớc của thảm thực vật có chiều cao trung bình của cây thạch nam.
Cảm biến từ xa cũng đợc sử dụng để đo đạc ngay tức khắc lợng nớc đợc
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 đợc treo ở hai tháp cách nhau 40 m và đợc
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 ngời theo dõi đợc.
3.4 Những nhân tố tác động đến tổn thất do chặn nớc của thảm
thực vật
77

Nếu ma rơi xuống tán lá của thảm thực vật khô thì tổn thất do chặn nớc

thờng lớn nhất lúc bắt đầu trận ma và giảm theo thời gian. Quá trình này phản
ánh phần lớn sự thay đổi trạng thái của lợng trữ chặn nớc (
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, lợng trữ còn trống, khả năng trữ chặn nớc là lớn nhất và một phần
lớn lợng giáng thủy bị ngăn cản rơi xuống mặt đất. Khi lá cây trở nên ẩm ớt hơn,
khối lợng của nớc trên đó cuối cùng vợt quá sức căng bề mặt mà nhờ đó chúng
đợc giữ lại và sau đó những giọt ma thêm vào gần nh hoàn toàn bù lại bởi những
giọt nớc rơi xuống từ các cạnh thấp hơn của lá cây. Nó là một câu chuyện tởng
tợng nhng mà dựa trên ý nghĩa phổ biến rõ ràng rằng khả năng chặn nớc 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, nh đã nêu trong mục 3.5.2, tổn thất do chặn nớc của
cỏ dĩ nhiên sẽ không lớn hơn đợc của rừng.
Cần phải ghi nhớ rằng sự ngng tụ và sự hình thành những giọt nớc ma ở
trong khí quyển trên cao không nhất thiết có nghĩa là không khí ở gần mặt đất cũng
bão hòa. Một lợng nớc đáng kể có thể mất đi do bốc hơi từ bề mặt của lá trong suốt
trận ma, đến nỗi ngay cả khi khả năng trữ nớc bị chặn ban đầu đã bị choán hết
chỗ, vẫn có sự chặn lại một lợng tơng đối không đổi của giáng thủy rơi xuống để
thực hiện sự tổn thất do bốc hơi. Thực vậy, trong trận ma kéo dài, tổn thất do chặn
nớc có thể có quan hệ chặt chẽ với tốc độ của sự bay hơi, vì thế mà những nhân tố
khí tợng ảnh hởng sau đó cũng có liên quan đến sự thảo luận này. Trong khi ma
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 hớng tăng cùng với tốc độ gió, kết quả
là trong suốt thời kỳ ma kéo dài, tổn thất do chặn nớc 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 ma thời đoạn ngắn trong thời gian đó tốc độ gió lớn làm giảm khả năng
trữ chặn nớc thông qua việc đa sớm nớc ra khỏi bề mặt của thảm thực vật và do

đó phần nào ảnh hởng nhiều hơn đến tổn thất do bốc hơi.
78


Hình 3.3 Tỷ lệ chặn nớc (tổn thất nh là một phần của lợng ma) 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 ma là một nhân tố nữa ảnh hởng đến sự chặn nớc thông
qua việc xác định sự cân bằng giữa lợng trữ nớc giảm đi trên bề mặt của thảm thực
vật và lợng tổn thất do bốc hơi tăng lên. Số liệu thu thập đợc 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 nớc tăng cùng với thời đoạn của trận
ma, mặc dù tầm quan trọng tơng đối của nó (tức là sự chặn nớc nh một phần của
lợng ma) giảm đi. Vì lợng và thời đoạn ma có quan hệ chặt chẽ với nhau, nên
nhiều nghiên cứu đã gắn tổn thất do chặn nớc với lợng ma. Khi một trận bão bắt
đầu, những tổn thất là lớn vì khả năng trữ chặn nớc ban đầu bị đầy; sau đó chúng
tăng chậm cùng với quá trình bay hơi của nớc bị chặn trong quá trình ma về sau
khi khả năng trữ đợc bổ sung. Do tốc độ của quá trình bay hơi này thờng nhỏ hơn
tốc độ ma, nên tầm quan trọng tơng đối của những tổn thất do chặn nớc sẽ có xu
hớng giảm khi lợng ma tăng lên. Điều này đợc minh họa trong hình 3.3(a) trong
đó tỷ lệ sự chặn nớc (tức là tổn thất do chặn nớc/giáng thủy) đợc vẽ so với lợng
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, nh đợc minh họa trong hình 3.3(b) bằng
biểu đồ của tỷ lệ sự chặn nớc trung bình hàng năm so với lợng giáng thủy hàng
năm cho một số địa điểm có rừng thuộc vùng có khí hậu hải dơng ở nớc Anh. Bởi tỷ
lệ lợng ma trung bình và bốc hơi tiềm năng trong trận ma 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 nớc 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 nớc là lớn nên dễ dàng thấy là
79

tần số ma, tức là tần số của tình trạng làm ẩm ớt lại có khả năng có tầm quan
trọng đáng kể hơn thời đoạn cũng nh lợng ma.
Tổn thất do chặn nớc cũng bị tác động bởi loại giáng thủy bao gồm phân bố
kích thớc của giọt nớc ma và đặc biệt là sự tơng phản giữa ma và tuyết (sẽ đợc
nói đầy đủ hơn ở phần sau). Một nhân tố quan trọng nữa mà cũng xứng đáng đợc nói
đến riêng rẽ là sự biến đổi của tổn thất do chặn nớc với những loại và hình thái khác
nhau của lớp phủ thực vât.
3.5 Những tổn thất do chặn nớc của các loại thảm thực vật khác
nhau
Trên cơ sở của những thảo luận trớc đây sẽ là hoàn toàn bình thờng khi tổn
thất do chặn nớc ở các vị trí khác nhau thay đổi tơng ứng với những khác biệt về
những đặc điểm của thảm thực vật và giáng thủy. Những ảnh hởng chính của thảm
thực vật có quan hệ với sự khác biệt về khả năng trữ chặn nớc 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 ớt của thảm thực vật. Theo thuật
ngữ khái quát, những tổn thất do chặn nớc sẽ lớn hơn đối với những thảm thực vật
rậm rạp hơn, thảm thực vật cao hơn và khí hậu ẩm ớt hơn. Những đặc điểm quan
trọng nhất của giáng thủy là thời đoạn, tần số và cờng độ cũng nh là loại giáng
thủy (lỏng hay rắn) (đã đợc đề cập riêng trong mục 3.7).
Bởi vì sự phức tạp của quá trình chặn nớc và mối quan hệ qua lại giữa những
nhân tố của thảm thực vật và những nhân tố khí tợng mà quyết định độ lớn của tổn
thất do chặn nớc, nên thờng khó khăn để đa ra sự so sánh chắc chắn giữa những
số liệu đã công bố về tổn thất do chặn nớc. Tuy nhiên rõ ràng là trong phần lớn các
trờng hợp, tổn thất do chặn nớc 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 tợng. Ví dụ,
ở miền núi nớc Anh nơi ma thờng có thời đoạn dài và cờng độ nhỏ và bề mặt
thảm thực vật ẩm ớt 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 ớt (hay
là sự chặn nớc) do độ nhám khí động học của cây lớn, hơn là khả năng trữ chặn nớc

hơi cao của chúng (Calder, 1979). Tỷ lệ chặn nớc của cây có quả hình nón ở miền núi
nớc Anh thờng là 30 - 35% của tổng lợng ma do khí hậu hải dơng với những
trận ma thời đoạn dài nhng cờng 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 lợng đáng kể
những nghiên cứu về sự chặn nớc của rừng đợc tiến hành ở nớc Anh.
Tuy nhiên, trong những điều kiện khác vai trò của khả năng trữ chặn nớc
trong việc xác định sự khác biệt về tổn thất do chặn nớc giữa cây và cỏ có thể quan
trọng hơn nhiều. Đây là trờng hợp có ma thờng xuyên nhng tồn tại trong thời
gian ngắn với sự khô hạn nhanh giữa các trận ma.
Giá trị của tổn thất do chặn nớc đối với những thảm phủ thực vật đợc nêu ra
trong mục này phải đợc giải thích càng rõ càng tốt dới ánh sáng của cả sự trọn vẹn
của số liệu đo đạc đợc và những điều kiện thời tiết. Ví dụ, trong một số trờng hợp
những đo đạc về dòng chảy qua thân và cành cây, trong những trờng hợp khác
thành phần này đợc công nhận tức thời và trong nhiều trờng hợp dờng nh nó
hoàn toàn đợc bỏ qua. Mặt khác dữ liệu đợc trình bày trong tài liệu, đặc biệt là đề
80

cập đến lợng, thời đoạn, tần số, cờng 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 trờng 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 nớc 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
tha và rừng cấm trên các bãi than bùn và địa hình đầm lầy, chặn một lợng trung
bình khoảng 25 - 35% lợng giáng thủy hàng năm so với 15 - 25% của những khu
rừng lá rộng. Những giá trị tơng tự đối với sự chặn nớc của rừng lá kim ở nớc Anh
đợc đa 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 nớc trung bình

khoảng 29% (Pearce và những ngời khác, 1982).
Sự tơng phản gia rừng lá rộng và rừng lá kim đợc minh họa trong hình 3.4.
Cả hai loại rừng đều cho thấy sự giảm bớt tầm quan trọng tơng đối của tổn thất do
chặn nớc khi lợng ma tăng lên nhng trên toàn vùng của lợng ma tổng cộng,
tổn thất do chặn nớc của rừng lá kim lớn hơn rõ ràng. Một trong những nguyên
nhân của sự tơng phản này có thể là trong khi những giọt nớc vẫn bám sát để rời
ra khỏi lá kim thì chúng có xu hớng chảy cùng nhau trên lá rộng và do đó rơi xuống
hay chảy xuống các cành và nhánh cây. Cây lá kim đặc trng là có khả năng trữ chặn
nớc khoảng 1-2 mm, trong khi những cây lá rộng có giá trị dới 1 mm (Harding và
các cộng sự, 1992). Cũng có khả năng là kết cấu mở của lá nhọn cho phép sự lu
thông không khí tự do hơn và do đó quá trình bốc hơi của lợng ẩm đợc giữ lại cũng
nhanh hơn. Những tổn thất do chặn nớc 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 nớc giảm từ 33% xuống
còn 9% của lợng ma khi khoảng cách giữa các cây vân sam Sitka đợc 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; ngợc lại những nơi có cây lá kim thì thờng bằng tuổi, cây trồng đơn loài.
Những đánh giá về sự chặn nớc ở rừng nhiệt đới thì rất hay thay đổi, do những
khó khăn của việc lấy mẫu theo không gian nhng thờng thấp hơn nhiều so với
những đánh giá thu đợc ở rừng ôn đới. Điều này là do 3 nguyên nhân chính:
Phần lớn các trận ma ở vùng nhiệt đới sinh ra do những cơn dông đối lu
cờng độ mạnh, thời đoạn ngắn.
Những hạt nớc lớn ít có hiệu quả trong việc làm ớt tán lá so với hạt nớc nhỏ
hơn
Lá cây của rừng ma nhiệt đới thờng có đầu mút để nớc chảy nhỏ giọt mà để
tập trung lợng ma xuyên qua đợc (rơi xuống dới dạng những giọt nớc to).
81

Hình 3.4 Tỷ lệ chặn nớc hàng năm của rừng lá kim và rừng cây lá rộng (IH, 1998)
Những đánh giá gần đây về những tổn thất do chặn nớc bao gồm 9% (Lloyd và
các cộng sự, 1988) và 12% (Ubarana, 1996) cho rừng ma ở Brazil và 21% cho rừng
tái sinh ở Indonesia (Calder và các cộng sự, 1986), trong khi Asdak và các cộng sự
(1998a) tuyên bố những tổn thất là 11% đối với rừng nguyên thủy cha khai thác (~
580 cây/ha) và 6,2% đối với rừng đã đợc khai thác (~ 250 cây/ha) ở miền Trung
Indonesia. Bảng 3.2 cho thấy tổn thất do chặn nớc hàng năm tiêu biểu của bốn loại
rừng.
Bảng 3.2 Những giá trị tiêu biểu của tổn thất do chặn nớc hàng năm (% giáng thủy) đối với các loại rừng
khác nhau (dựa theo số liệu của Calder, 1990; Hall và các cộng sự, 1992; IH, 1998).
Loại rừng Chặn nớc hàng năm (%)

Lá kim miền núi

30 35
Lá rộng 15 25
Rừng nhiệt đới 10 15
Cây bạch đàn 5 15
Liên quan đến những tơng phản theo mùa, tỷ lệ phần trăm sự chặn nớc vào
mùa đông và mùa hè đối với rừng lá kim không rụng lá có vẻ nh giống nhau. Hình
3.5 cho thấy tại một địa điểm ở miền Bắc nớc Anh, tổn thất trong mùa đông của cây
vân sam có thể hơi cao hơn tổn thất trong mùa hè (Law, 1958). Ngợc lại, mọi ngời
trông đợi là có sự khác biệt rõ ràng theo mùa đối với tổn thất do chặn nớc của cây
rụng lá, là lớn nhất trong thời kỳ đầy lá. Trong một bài phê bình/bài báo về tài liệu đã
đợc công bố cho một số loài cây lá rộng, Hall và Roberts (1990) cho thấy một giá trị
trung vị của khả năng của tán lá là 0.8 mm (mọc lá) và 0.6 mm (không có lá). Lull
(1964) những hình vẽ khi cây đang mọc lá, tổn thất do chặn nớc ở rừng cây lá rộng
phơng Bắc và rừng aspen-birch lần lợt là 15 và 10 %, trong khi đó đối với những
cây không lá tổn thất chỉ bằng một nửa: 7 và 4%. Tơng tự, Carlisle và các cộng sự
(1965) nhận thấy tổn thất của cây sồi là gần 17% trong thời kỳ sinh trởng mùa hè so

với dới 10 % trong thời kỳ không có lá. Tuy nhiên, Raynolds và Henderson (1967) tìm
ra sự khác biệt không lớn theo mùa của tổn thất do chặn nớc do lá rụng. Kết quả
hình nh gây ngạc nhiên này biểu thị một số nhân tố. Cờng độ ma cao hơn trong
mùa hè do những cơn dông đối lu có thể hạ thấp tổn thất do chặn nớc. Cũng là
82

hoàn toàn bình thờng khi độ nhám khí động học của rừng phải thay đổi, và có thể
lớn hơn vào mùa đông khi cây trơ trụi, làm tăng tốc độ bay hơi. Thứ ba, nh đã trình
bày trong mục 3.7, sự chặn tuyết trong mùa đông có thể làm tổn thất tăng cao.

Hình 3.5 Tổn thất do chặn nớc theo mùa của cây vân sam xanh lá (theo biểu đồ gốc của Law, 1958).
Một khía cạnh quang trọng nữa của tổn thất do chặn nớc trong những khu
vực có rừng là quá trình này xuất hiện ở 2 tầng hoặc hơn trong lớp phủ thực vật.
Giáng thủy đầu tiên bị chặn lại bởi tán lá ở phía trên cao; một phần của lợng ma
xuyên qua đợc sau đó bị chặn tiếp tục bởi tầng cây thấp hoặc bởi một tầng bụi cây ở
mặt đất. Chúng ta còn hiểu biết tơng đối ít về tầm quan trọng của sự chặn nớc thứ
cấp này mặc dù tốc độ gió nhỏ ở khoảng không gian giữa các thân cây có nghĩa là tốc
độ bay hơi khá thấp. Nó có xu hớng tăng cùng với lợng ma bởi vì trong những trận
ma nhỏ, rất ít hoặc không có lợng ma xuyên qua đợc xuất hiện qua tán lá, nhng
ngợc lại trong những trận ma kéo dài, lợng ma xuyên qua đợc của những trận
ma dông nặng hạt sẽ lấp đầy khả năng trữ chặn nớc của tầng cây thấp hoặc bởi
một tầng bụi cây ở mặt đất.
3.5.2 Cây thân cỏ và cây bụi
Diện tích lá tổng cộng của một lớp phủ liên tục của cỏ hay cây bụi trởng
thành có thể gần tơng tự với diện tích lá tổng cộng của một khu rừng có tán lá khép
kín, kết quả là khả năng trữ chặn nớc cũng có độ lớn tơng tự của cây trong mùa
sinh trởng tối đa. Do sức cản khí động lực lớn và mùa sinh trởng ngắn nên tổn thất
do chặn nớc tổng cộng hàng năm của cây thân cỏ tơng đối nhỏ hơn tổn thất của
rừng cây lá rộng rụng lá. Hơn nữa, trong những khu vực mà cỏ đợc cắt làm cỏ khô
hay thức ăn gia súc hoặc là bị chăn thả quá mức, tổn thất do chặn nớc cũng bị giảm

đi nhiều.
Kittredge (1948) nhận thấy ở California, những loài cỏ yên tĩnh chặn 26% của
826 mm lợng ma theo mùa, trong khi đó ở Missouri, cỏ xanh chặn 17% lợng ma
trong tháng trớc khi gặt (Musgrave, 1938). Trong cả hai trờng hợp đều không có
dòng chảy theo thân cây. Những công trình của Corbett và Crouse (1968), trong đó
lợng ma xuyên qua và dòng chảy theo thân cây đợc đo đạc, cho thấy tổn thất do
chặn nớc hàng năm của cỏ dứa ở miền Nam California trung bình khoảng 8%. Tổn
thất do chặn nớc của lớp phủ cây bụi chaparan trởng thành ở phía Nam California
trung bình khoảng 13% của lợng giáng thủy hàng năm. Những thí nghiệm về sự
chặn nớc với thảm phủ thực vật bị chặt hoặc một lợng nhỏ nhân tạo đã cho những
83

kết quả khá khác nhau. Ngợc lại, ở những khu vực ôn đới ẩm có ma thờng xuyên,
chẳng hạn khu vực Tây Âu gần biển, sự chặn nớc có thể đóng vai trò chính trong
những tổn thất do bay hơi của cây cỏ cao, mặc dù lợng này là chắc chắn nhỏ hơn
nhiều so với tổn thất do chặn nớc của rừng.
Số liệu về sự chặn nớc của thảo mộc và cây bụi che phủ cây thạch nam và
vùng đất mọc đầy cây thạch nam ở Châu Âu là rất thiếu (Leyton và các cộng sự,
1967). Đây là một sự thiếu sót quan trọng bởi vì việc trồng cây gây rừng trong những
khu vực nh thế này sinh ra sự không có lợi cho việc đánh giá sự chặn nớc cây thạch
nam. Những đo đạc bằng vũ kế đợc đặt ở dới những cây thạch nam đang lớn ở
Scotland (Aranda và Coutts, 1963), cho thấy trung bình 55% lợng giáng thủy đi
xuyên qua tán lá. Mặc dù không có đo đạc về stemflow nhng họ nhận thấy nó có thể
đáng kể do cấu trúc nhiều cành nhánh của cây. Những nghiên cứu của Viện thủy văn
(Hall, 1985, 1987; Wallace và các cộng sự, 1982) cho thấy trong thời kỳ ẩm ớt, tổn
thất do chặn nớc của cây thạch nam dờng nh cao hơn nhiều so với cỏ. Tuy nhiên,
trong những giai đoạn khô hạn, tổn thất do thoát hơi của cây thạch nam lại nhỏ hơn
đáng kể so với cỏ, kết quả là ở những vùng có lợng ma hàng năm vừa phải (~1500
mm) sự tăng tổn thất do chặn nớc có thể để làm đối trọng với sự giảm của quá trình
thoát hơi, ở những khu vực có lợng ma lớn, tổn thất do chặn nớc sẽ chiếm u thế

và ở những khu vực khô hạn thì ngợc lại.
3.5.3 Cây trồng nông nghiệp
Hơn nữa, số liệu về tổn thất do chặn nớc của cây trồng nông nghiệp là rất ít
so với số liệu của khu vực có rừng. Hình 3.6 cho thấy sự chặn nớc của ngũ cốc, đỗ
tơng và yến mạch ban đầu tăng cùng với sự tăng mật độ cây trồng. Tuy nhiên, sau
khi đã đạt đợc một lớp phủ nhất định sự tăng lên sau đó của sự chặn nớc là khá
nhỏ, cho thấy rằng sự chặn nớc trung bình của yến mạch, đậu tơng và ngũ cốc chín
lần lợt là 23, 35 và 40-50%. Vì không có phép đo nào đợc tiến hành về dòng chảy
qua thân và cành cây nên những con số này sẽ bị giảm đi bởi một lợng thích hợp để
miêu tả tổn thất do chặn nớc thực. Những quan trắc khác trong mùa phát triển của
cả 3 loại cây trồng cho thấy tổn thất do chặn nớc tơng ứng khoảng 7, 15 và 16% của
tổng lợng ma (Lull, 1964). Những thí nghiệm của ngời Nga cho thấy sự chặn nớc
của bột mì xuân trong thời kỳ sinh trởng tơng tự hay nhỏ hơn một chút so với rừng
đang mọc lá trong cùng một thời đoạn, khoảng từ 11 đến 19% của tổng lợng giáng
thủy (Kontorshchikov và Eremina, 1963).
84


Hình 3.6 Tổn thất do chặn nớc của cây trồng nông nghiệp với sự tăng mật độ cây trồng (dựa theo số liệu của
Woollny đợc trích dẫn bởi Baver, 1956).
3.6 Mô hình hóa sự chặn nớc
Mặc dù việc đo đạc tổn thất do chặn nớc trực tiếp đơn giản hơn nhiều so với
thu thập những số liệu khí hậu và thảm thực vật cần thiết để mô hình hóa tổn thất
do chặn nớc, nhng việc mô hình hóa có rất nhiều lợi thế. Đầu tiên, nó cung cấp một
cách để tổng kết; thứ hai nó cho phép những kết quả của những nghiên cứu ở một nơi
có thể ngoại suy sang các khu vực khác và thứ ba nó giúp chúng ta hiểu rõ cơ cấu bên
trong của quá trình.
Nhiều phơng pháp khác nhau để mô hình hóa tổn thất do chặn nớc đã đợc
phát triển dù cho sự phức tạp của quá trình chặn nớc và khó khăn của việc thành
lập những giá trị chính xác cho các thành phần chính và những nhân tố ảnh hởng

(ví dụ khả năng trữ của cành và tán cây, tốc độ chảy nhỏ giọt, stemflow, sức cản khí
động học, tốc độ bay hơi v.v ) phần lớn các mô hình mắc phải hoặc là quá khái quát
và đơn giản hóa hoặc là sự đòi hỏi cao và rộng lớn của số liệu và việc xử lý số liệu.
Những mô hình đơn giản nhất là những mô hình kết hợp chặt chẽ những biểu
diễn kinh nghiệm, dựa trên hồi quy mà liên hệ tổn thất do chặn nớc với lợng giáng
thủy tổng cộng. Horton (1919) là ngời đầu tiên có thể đa ra đề xuất rằng đối với
những trận bão mà làm ớt đẫm tán lá của thảm thực vật, tổn thất do chặn nớc (
I
)
sẽ bằng tổng của tổn thất do bốc hơi của nớc bị chặn trong trận ma và lợng nớc
bị giữ lại bởi tán lá lúc kết thúc trận bão (mà lợng này sau đó sẽ bị bốc hơi)\

I =

SEdt
t


0

(3.2)
trong đó E là tốc độ bốc hơi của nớc bị chặn lại, t là thời đoạn của trận ma và
S là khả năng trữ chặn nớc của tán lá, một thuật ngữ mà có một số sự nhầm lẫn
trong tài liệu.
ở
đây nó là lợng nớc còn lại trên tán lá trong điều kiện không có sự
bay hơi, sau trận ma và sự nhỏ giọt đã ngừng lại, tức là lợng cần thiết nhỏ nhất để
bao phủ toàn thảm thực vật. Điều này khác so với sự sử dụng của nó ví dụ bởi
Herwitz (1985), để biểu thị khả năng trữ lớn nhất của tán lá của thảm thực vật.
85

Phơng trình (3.2) có thể làm phức tạp hơn bằng cách coi sự bay hơi riêng lẻ
trớc và sau khi tán lá đã ớt đẫm để chuyển thành

I =

SEdtEdt
t
t
t


'
'
0

(3.3)
trong đó t là thời gian để tán lá ớt đẫm.
Mặc dù Horton (1919) đã nhận thấy phơng trình (3.2) hợp lý hơn nhng ông
kết luận rằng trong thực tiễn thờng thuận tiện hơn nếu hợp nhất lợng giáng thủy
chứ không phải là thời đoạn giáng thủy. Do đó, có rất nhiều mô hình kinh nghiệm về
tổn thất do chặn nớc mà có dạng tổng quát:
I = a.P + b (3.4)
Trong đó P là lợng ma tổng cộng trên tán lá thảm thực vật và a, b là hệ số rút
ra từ thực nghiệm. Phơng trình (3.4) có thể đợc sử dụng để hoặc là mô tả dữ liệu
của một trận bão riêng biệt hoặc là để mô tả tổn thất do chặn nớc hàng ngày nh là
một hàm của lợng ma tổng cộng hàng ngày nếu nh thừa nhận rằng chỉ có một
trận ma một ngày (Gash, 1979).
Merriam (1960) hợp nhất một biểu thức dạng hàm mũ để tính đến sự gia tăng
lợng trữ quan trắc đợc cùng với sự tăng của giáng thủy:

ET
S
P
SI












exp1
(3.5)
trong đó E là tốc độ bốc hơi trung bình trong trận ma, và T là thời gian của
trận ma. Jackson (1975) đã kiểm nghiệm một vài mô hình và nhận thấy một đờng
cong bán logarit phù hợp với số liệu của ông đối với rừng nhiệt đới hơn là các mô hình
khác, kết quả làm,
I = a + b.lnP+ c.lnT (3.6)
trong đó a, b và c là các hệ số kinh nghiệm và
P

là tốc độ ma trung bình trong
trận ma.
Những phân tích hữu ích về các mô hình đơn giản chẳng hạn đợc đa ra bởi

Zinke (1967), Jackson (1975), Gash (1979) và Massman (1983). Họ nhấn mạnh rằng
mặc dù những mô hình rất dễ sử dụng nhng chúng không phải lúc nào cũng cho
những kết quả định lợng vừa ý khi các hệ số nhận đợc bằng hồi quy dựa vào một bộ
số liệu cụ thể và rằng những kết quả kinh nghiệm có thể không đúng đắn đối với
những thảm phủ thực vật tơng tự nhau ở các vị trí khác.
Những mô hình dựa trên những lập luận vật lý cơ bản có xu hớng giảm đến
mức tối thiểu những điểm yếu của mô hình kinh nghiệm nhng thờng đòi hỏi đầu
vào dữ liệu thờng xuyên (ví dụ mỗi giờ) của tốc độ ma và lợng ma xuyên qua
đợc và của những ớc lợng khí tợng của quá trình bay hơi. Có thể sự khắt khe
nhất của những mô hình loại này đợc phát triển bởi Jack Rutter, mô hình này giải
quyết phơng trình cân bằng nớc của thảm thực vật bằng phơng pháp số.
Mô hình đầu tiên đợc mô tả bởi Rutter và các cộng sự (1971) và sau đó đợc
phức tạp và tổng quát hóa (Rutter và các cộng sự
,
1971) nhờ kết quả của công trình
nghiên cứu trên rừng cây lá rộng và rừng lá kim. Lợng ma bị chặn lại đợc thêm
86

vào phần dự trữ này mà sau đó mất hết do quá trình bay hơi, chảy nhỏ giọt và tiêu
thoát nớc. Tốc độ bay hơi và chảy nhỏ giọt đợc thừa nhận là thay đổi theo lợng
nớc trên tán lá và vì vậy mô hình đợc thiết kế để tính toán sự cân bằng liên tục/di
động của lợng ma, lợng ma xuyên qua đợc, sự bốc hơi và những thay đổi của
lợng trữ của tán lá và cành cây. Sự bay hơi từ bề mặt ẩm ớt của thảm thực vật tạo
nên tổn thất do chặn nớc. Tốc độ của lợng nớc vào tán lá cây là
(1 p).R (3.7)
trong đó R là tốc độ của ma và p là phần của lợng ma rơi xuyên qua những
chỗ trống của tán lá. Mô hình thừa nhận rằng khi độ dày của lớp nớc đợc giữ lại
trên tán lá của thực vật (C) bằng hoặc vợt quá khả năng trữ của nó (S) sự bay hơi sẽ
xảy ra với tốc độ tiềm năng, E
p

đợc cho bởi phơng trình Penman-Monteith (xem
mục 4.6.3). Đối với tán lá ẩm nhng cha bão hòa (tức là C < S) phơng trình sẽ giảm
đi cân xứng

S
C
EE
p
.
(3.8)
Sau đó, mối quan hệ này đợc Hancock và Crowther (1979) cung cấp thêm
những sự ủng hộ nhờ quan trắc và Shuttleworth (1978) chỉ ra rằng nó đa ra một mô
tả hợp lý về mặt lý thuyết.
Tốc độ của sự tiêu thoát nớc nhỏ giọt từ tán lá đợc thừa nhận là có quan hệ
hàm logarit với mức độ bão hòa của tán lá

bc
eDD .
'


(3.9)
trong đó D và b là các thông số phụ thuộc vào những đặc tính của bộ lá và
những điều kiện khí tợng, và có thể đợc suy ra từ những quan trắc đợc mô tả bởi
Rutter và Morton (1977). Vì phơng trình này dự báo sự chảy nhỏ giọt bé nhng liên
tục từ tán lá khô nên những biểu thức khác đã đợc đa ra (ví dụ Calder, 1977;
Massman, 1980).
Khả năng trữ của hệ thống cành/nhánh cây (S
t
) đợc coi nh là đợc bổ sung

bởi một phần không đổi của lợng ma mà bị làm chệch hớng sang phần bên kia của
hệ thống cành cây mà thoát xuống thân cây. Khi khả năng trữ đã hoàn toàn đợc lấp
đầy, bốc hơi tiềm năng từ chỗ dự trữ này xảy ra với một tốc độ có quan hệ tuyến tính
với phơng trình Penman-Monteith. Khi độ dày của lớp nớc trên các cành và thân
cây (C
t
) nhỏ hơn khả năng S
t
tổn thất do bốc hơi từ chúng sẽ bị giảm xuống thêm na
theo tỷ lệ (C
t
/S
t
). Ngợc lại với biểu diễn cho sự nhỏ nớc từ tán lá, sự thoát nớc từ
cành và thân cây hơn quá khả năng trữ đợc thừa nhận là ngay lập tức.
Mô hình đợc kiểm nghiệm dựa vào những tổn thất do chặn nớc quan trắc
đợc từ 6 kiểu rừng bao gồm cả những loài lá rộng rụng lá và lá kim không rụng lá
(Rutter và các cộng sự, 1975) và cho một hiệu quả mô phỏng vừa ý (Hình 3.7). Nó
cũng đợc áp dụng thành công cho các bộ số liệu khác (ví dụ Calder, 1977; Gash và
Morton, 1978).
87


Hình 3.7 Những phù hợp hồi quy tuyến tính của tổn thất do ngăn giữ nớc trên mặt đợc quan trắc và mô hình
hóa cho 6 loại rừng. Độ lệch chuẩn đợc chỉ ra ở bên phải cuối mỗi đờng. (Theo đồ thị gốc của Rutter và
cộng sự, 1975, Nhà xuất bản Blackwell Scientific)
Tuy nhiên, mô hình Rutter yêu cầu rất nhiều số liệu, bớc thời gian rất ngắn
và sử dụng rất phức tạp. Kết quả là nó thờng chỉ đợc dùng cho những mục đích
nghiên cứu. Hơn nữa, vì nó dựa trên việc tuân theo cán cân nớc liên tục, nên những
sai số có thể tích tụ lại theo thời gian (Calder, 1998). Một hớng tiếp cận khác là kết

hợp phơng trình cân bằng khối lợng theo phép giải tích. Trong tài liệu này một
trong những phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi nhất và vừa ý nhất là phơng pháp
giải tích đợc phát triển bởi Gash (1979). Mặc dù có một số giả định đơn giản hóa,
nhng nó vẫn giữ đợc nhiều lập luận theo quy luật tự nhiên của mô hình Rutter
phức tạp hơn. Mô hình Gash tính toán tổn thất do chặn nớc dựa trên nền tảng
storm-by-storm và xác định một cách riêng rẽ những nhân tố khí tợng và sinh học
kiểm soát tổn thất do chặn nớc để đa ra một cơ cấu trong đó những kết quả có thể
đợc ngoại suy dễ dàng cho các khu vực khác. Những giả định đơn giản hóa chính là
(Gash, 1979):
Phân bố của ma là kết quả của một loạt các cơn dông riêng biệt, đợc tách rời
bởi những khoảng thời gian đủ dài để cho tán lá và thân cây khô ráo.
Những điều kiện khí tợng tơng tự nhau thịnh hành trong thời gian làm ớt
tán lá cây và trong cơn dông; và
Không có sự nhỏ giọt từ tán lá trong quá trình làm ớt và trong vòng 30 phút
cuối trận ma lợng trữ của tán lá giảm xuống giá trị thấp nhất cần thiết cho sự bão
hòa.
Một chuỗi các cơn dông đợc chia thành
n
cơn dông mà làm ớt tán lá đến độ
bão hòa và
m
cơn không làm tán lá đạt đến độ bão hòa. Một cách đơn giản hóa, tổn
thất do chặn nớc tổng cộng trong quá trình bốc hơi của tán lá bão hòa (trong phơng
trình 3.3) là:
88


SnPP
R
E

EdtI
t
.)'(
0










đối với n cơn dông (3.10a)
trong đó E và R là tốc độ độ ma và bốc hơi trung bình và P là lợng ma cần
thiết để làm bão hòa tán lá.
Tổn thất do chặn nớc trong quá trình làm ớt tán lá đến độ bão hòa là:
I = n(1 p p
t
).P ns đối với n cơn dông (3.10b)
trong đó p là phần của lợng ma rơi xuyên qua tán lá mà không đâm vào một
bề mặt nào và p
t
là phần hớng về phía thân cây để tạo thành stemflow.
Tổn thất do chặn nớc của m cơn dông nhỏ không đủ để làm bão hòa tán lá là:
I = (1 p p
t
).P đối với m cơn dông (3.11)
Tổn thất do chặn nớc từ thân cây trong q cơn dông mà làm đầy lợng trữ của

thân cây, S
t
, là:
I = q. S
t
đối với q cơn dông (3.12a)
Và đối với những cơn dông không làm đầy, tổn thất là:
I = p
t
.P đối với n + m - q cơn dông (3.12b)
Tổn thất do chặn nớc tổng cộng sau đó đợc quy định bằng cách tính tổng các
thành phần từ những phơng trình riêng lẻ này (3.10 3.12)
Mô hình này đã đợc ứng dụng cho số liệu của rừng Thetford ở miền Đông
nớc Anh và đem lại sự phù hợp thỏa đáng giữa tổn thất do chặn nớc quan trắc đợc
và mô phỏng (Hình 3.8). Nó cũng đợc áp dụng cho rừng hỗn hợp không rụng lá ở
New Zealand (Pearce và Rowe, 1981), rừng cây sồi ở Hà Lan (Dolman, 1987), và rừng
nhiệt đới (Bruijnzeel và Wiersum, 1987; Lloyd và các cộng sự, 1988; Hutjes và các
cộng sự, 1990).
Dolman (1987) đã so sánh mô hình giải tích của Gash (1979) với mô hình mô
phỏng số trị phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều dữ liệu hơn nhiều (Mulder, 1985). Cả hai
mô hình đều chạy tốt nh nhau khi mô tả những tổn thất của rừng cây sồi và ông kết
luận rằng mô hình Gash thích hợp hơn trong những đánh giá thực tiễn về tổn thất do
chặn nớc.
Những nghiên cứu tiếp tục cải thiện bả nền tảng khái niệm và tính có thể ứng
dụng đợc rộng rãi của những mô hình về tổn thất do chặn nớc. Rất nhiều những cố
gắng đã tập trung vào loại của biểu diễn nhỏ/ thoát nớc đợc sử dụng trong mô hình
Rutter; một số khác cố gắng đẻ đơn giản hóa cả cấu trúc và yêu cầu số liệu đối với việc
biểu diễn quá trình bay hơi.
Có một chút nghi ngờ rằng những biểu diễn về sự chảy nhỏ giọt tơng tự nh
phơng trình (3.9) là không thỏa đáng theo nghĩa là họ thừa nhận rằng tốc độ nhỏ

giọt đợc quyết định chỉ bởi lợng nớc đợc trữ lại trong tán lá của thảm thực vât.
Điều này có nghĩa là rõ ràng họ không tính đến hoặc là ảnh hởng của tốc độ ma
đến tốc độ nhỏ giọt hoặc là sự loại ra theo quy luật tự nhiên của ma bị chặn lại lần
trớc bởi những giọt nớc ma rơi xuống hoặc là bản chất nhiều tầng của nhiều tán
lá của thảm thực vật. Do đó, Massman (1983) đề xuất một mô hình cho tốc độ nhỏ
giọt mà thừa nhận rằng sau khi một lợng tới hạn nào đó của nớc bị chặn lại bởi bề
mặt của lá cây ở gần đỉnh của tán lá, sự chặn nớc thêm nữa sẽ lại bỏ một số những
89

giọt nớc đứng yên mà sau đó sẽ rơi ra khỏi cây hoặc là bị chặn lại ở tầng thấp hơn.
Nói cách khác, trong trận ma tốc độ nhỏ giọt có thể đợc kiểm soát bởi những giọt
nớc đổ xuống nh thác xuyên qua cây, lần lợt rơi xuống và va chạm vào bề mặt kế
tiếp thấp hơn (ví dụ Calder, 1977).

Hình 3.8 Tổn thất do chặn nớc tích lũy quan trắc đợc và mô hình hóa đối với rừng thông trong thời đoạn 21
four-week năm 1975 và 1976 (theo biểu đồ gốc của Gash, 1979).
Mặc dù mô hình Rutter hoạt động tốt với rừng ôn đới nhng chúng ta cũng cần
chú ý rằng nó kém thành công hơn khi áp dụng với rừng nhiệt đới (Calder và các cộng
sự, 1986), nhng một số tác giả đã quy cho là do sự biến thiên theo không gian lớn
của lợng ma thực và do dó những sai số lớn của mẫu (ví dụ Lloyd và các cộng sự,
1988; Ubarana, 1996). Calder (1996) đề xuất một mô hình ngẫu nhiên hai lớp nhằm
mô tả quá trình làm ớt tán lá cây của rừng nhiệt đới. Kích thớc của những giọt
nớc ma chính có quan hệ với cờng độ ma và kích cỡ của những giọt nớc thứ cấp
nhỏ từ tán lá phía trên xuống những tầng thấp hơn có đặc điểm là phụ thuộc vào loại
cây mà chúng rơi xuống. Mô hình này tính đến thực tế là trong những khu rừng nhiệt
đới quá trình làm ớt tán lá đợc hoàn tất chậm hơn và khả năng trữ lớn nhất của
tán lá sẽ thấp hơn so với rừng ôn đới do những giọt nớc ma lớn hơn và cờng độ cao
hơn sinh ra trong những cơn ma dông đối lu mạnh.
Những ứng dụng khác của mô hình Gash đã chỉ ra rằng cả nó và mô hình
Rutter đều ớc lợng tổn thất thiên lớn do giữ nớc của những khu rừng tha ở khu

vực Địa Trung Hải và ở nhiều vùng không phải ôn đới trên thế giới (Gash và các cộng
sự, 1995; Llorens, 1997). Mô hình Gash và Rutter đợc làm lại công thức và đem lại
những kết quả khả quan hơn (Gash và các cộng sự, 1995; Valente và các cộng sự,
1997). Về cơ bản nó đòi hỏi phải thay thế sự phân chia của lợng ma bởi p, phần
throughfall tự do (xem phơng trình 3.7), bởi sự phân chia quá trình bay hơi cùng
thảm phủ thực vật. Có thể đoán trớc đợc rằng những mô hình đợc làm lại công
thức sẽ thay thế phiên bản ban đầu của mô hình Gash và Rutter (Gash, 1998). Những
90

dự báo của mô hình Gash sửa chữa về tổn thất do chặn nớc của rừng cây có tán lá
khép kín tốt tơng tự so với mô hình nguyên bản (Asdak
và các cộng sự.
, 1998b),
trong khi đó đối với những tán lá tha nó đa ra những dự báo tốt hơn. (Carlyle-
Moses và Price, 1999).
Calder và Newson (1979) đề xuất một mô hình rất đơn giản cho tổng lợng
giáng thủy đối với rừng lá kim, chỉ sử dụng lợng giáng thủy hàng năm (P) và bốc hơi
tiềm năng Penman của cỏ thấp (E
t
). Về bản chất, nó thừa nhận sự chặn nớc của
rừng hàng năm có thể xấp xỉ bằng một phần (o) của lợng giáng thủy hàng năm:
I = f. (o.P

E
t
) (3.13)
Trong đó f là phần của bồn thu nớc đợc thảm phủ rừng che phủ hoàn toàn và


là phần trong năm khi tán lá ẩm ớt (và không có thoát hơi xảy ra). E

t
xấp xỉ lợng
thoát hơi của rừng. Hớng tiếp cận đơn giản này đã thành công trong việc mở rộng ra
các loại thảm thực vật khác (Hall và Harding, 1993), và bớc thời gian hàng ngày
(Calder, 1990) mà cho phép nghiên cứu những biến đổi theo mùa. ứng dụng của nó để
tính toán tổn thất tổng cộng do bốc hơi (sự giữ nớc và thoát hơi) đợc trình bày trong
chơng 4.
3.7 Sự chặn tuyết
Do những khó khăn lớn của việc thực nghiệm, nên những bằng chứng/ dấu hiệu
liên quan tới sự chặn tuyết luôn luôn không thỏa đáng và khó hiểu và bị giới hạn bởi
thảm phủ thực vật. Rất nhiều sự không thống nhất hiển nhiên trong những thảo luận
dới đây rõ ràng là do những khó khăn trong việc đo đạc tuyết rơi, đặc biệt bởi vì xu
hớng của nó là phủ thành đống ở gờ của những chớng ngại vật dễ thấy chẳng hạn
nh các khu rừng và trong những khoảng rừng trống, tức là những vị trí mà những
đo đạc có thể tiến hành bình thờng.
Một mặt, có sự tranh luận rằng sự bay hơi của tuyết bị chặn lại sẽ rất nhỏ bởi
vì sự tích lũy của tuyết trên tán lá của thảm thực vật sẽ làm cho bề mặt trơn nhẵn
khí động học hơn nhiều. Kết quả là tốc độ bay hơi sẽ thấp hơn so với tán lá bị ma
làm ớt. Hơn nữa, tuyết tích lũy trên bề mặt của thảm thực vật rất dễ giải phóng một
khối lợng quy mô lớn bởi sự cuốn đi của ma và trợt nhờ vào chính trọng lợng của
nó, thờng xuyên đợc sự trợ giúp của những chuyển động do gió đem lại của thảm
thực vật và còn có sự giải phóng quy mô nhỏ của những hạt tuyết và nớc tan chảy
nhỏ giọt. Những cơ chế giải phóng nh vậy có nghĩa là ở nhiều khu vực, tuyết tồn tại
ở trên thảm phủ thực vật chỉ trong ít ngày trớc khi rơi xuống mặt đất, kết quả là cơ
hội để xảy ra quá trình bay hơi là khá nhỏ. Satterlund và Haut (1970) đã ghi lại thu
thập và đo đạc trọng lợng của tuyết lơ lửng trên một cây thông, tuyết và nớc rơi
xuống tấm vải lót trên mặt đất bên dới nó. Họ kết luận rằng chỉ có 15% của lợng
tuyết bị chặn là bị bay hơi - phần còn lại rơi xuống mặt đất nhờ quá trình tan chảy,
trợt hoặc bị rửa sạch bởi ma. Thậm chí khi tuyết vẫn còn trên thảm thực vật trong
một thời gian dài, năng lợng có thể cung cấp cho sự bay hơi và thăng hoa là rất nhỏ

và ở một số khu vực nh ở Tây Bắc châu Âu, khi có sự di chuyển của nớc nó có xu
hớng tiến đến lớp tuyết phủ, theo quá trình ngng tụ, hơn là đi ra khỏi nó, theo
dạng bay hơi hoặc thăng hoa (Penman, 1963).
Mặt khác, lợng nớc tơng đơng với lợng tuyết trữ trên tán lá rừng có thể
91

có tầm quan trọng lớn hơn là đối với một tán lá ớt đẫm do ma. Do đó, có khả năng
cho quá trình bay hơi và chặn nớc xảy ra lớn đáng kể trong một thời đoạn khô hạn
kéo dài.

Hình 3.9 Cân bằng nớc của tuyết đợc ngăn giữ lại trên một tán rừng đợc ghi nhận bằng đo trọng lợng cây
(đờng liền nét) và bằng sự suy giảm tia gamma (đờng dấu chấm) cho 3 trận tuyết (theo đồ thị gốc trong
Lundberg và cộng sự, 1998)
Những nghiên cứu gần đây (Nakai và các cộng sự, 1993; Lundberg và các cộng
sự, 1998) đã nhấn mạnh tầm quan trọng cần thiết hơn nhiều của những quá trình khí
động học liên quan đến sự vận chuyển tuyết qua tán lá rừng đến vị trí lắng đọng cuối
cùng và của các dòng năng lợng và nớc phía trên lớp tuyết phủ. Họ đã chỉ ra rằng
sức cản khí động học của tuyết lớn hơn nhiều đối với ma. Lundberg và các cộng sự

(1998) nhận thấy một quy luật của sự khác biệt về cờng độ mà gây ra sự chênh lệch
2.6-fold trong những tính toán về bốc hơi sử dụng phơng trình tổ hợp dựa trên
phơng trình Penman. Sự tắt dần của bức xạ Gamma và những thí nghiệm về tree-
weighing ở Scotland (Calder, 1990; Lundberg và các cộng sự, 1998) cho thấy những
tán lá của cây vân sam có thể cầm giữ hơn quá 20 mm lợng nớc tơng đơng của
tuyết và tốc độ bay hơi của tán lá có tuyết bao phủ tới 0.56 mmh
-1
có thể thỉnh thoảng
cao bằng với tốc độ bay hơi của tán lá ớt do ma, đặc biệt là khi tuyết tan trong giai
đoạn có sự xâm nhập của không khí biển nhiệt đới. Mặc dù tốc độ thăng hoa thờng
thấp hơn tốc độ bay hơi, nhng sự thăng hoa có thể quan trọng trong sự chặn tuyết,

nh ở rừng lá kim miền núi Scotland, do khả năng trữ rất lớn của tán lá đối với tuyết
(bậc cờng độ cao hơn đối với nớc) và do thời gian dài có nhiệt độ dới 0 trong đó sự
thăng hoa có thể xảy ra. Sự kết hợp của tốc độ bay hơi cao, khả năng trữ lớn và ảnh
hởng của thăng hoa cho thấy một khả năng cho những tổn thất do sự chặn tuyết
đáng kể (Hình 3.9). Lundberg và các cộng sự

(1998)đề xuất rằng ở vị trí của chúng,
tổng tổn thất trong mùa đông do tuyết bị chặn trên tán lá của rừng có thể trên 200
mm. Tuy nhiên, khả năng có những biến đổi đáng kể giữa các vị trí, phụ thuộc vào
không chỉ khí hậu mà còn cả những đặc tính của rừng. Ví dụ, trong khi khả năng trữ
tuyết của tán lá ở những cây cao 16 m ở chỗ của chúng là trên 20mm thì Nakai và các
cộng sự (1993) đa ra khả năng trữ chỉ là 4 mm nớc tơng đơng đối với những cây
cao 5-7 m.
3.8 Sự lắng đọng nớc của mây
92

Đến đây, chơng này đã giải quyết sự bốc hơi của lợng nớc bị chặn nh một
tổn thất trong đầu vào lợng giáng thủy hiệu quả. Có những hoàn cảnh nhất định
mà thảm thực vật có thể nhận thêm nớc bằng cách giữ những giọt nớc nhỏ ở trên
không (thờng có bán kính ~ 10

m) từ sơng mù hoặc mây tầng thấp mà sẽ không
rơi xuống mặt đất giống nh giáng thủy ở vị trí đó. Vì vậy, nó sẽ không thể đo đợc
bởi những vũ kế bình thờng (Monteith và Unsworth, 1990). Điều này hầu nh đúng
ở những khu vực có rừng địa hình cao hoặc gần bờ biển, nơi sơng mù hay mây tầng
thấp thịnh hành (Kerfoot, 1968), đặc biệt khi tốc độ gió tơng đối cao. Quá trình này
cũng đợc quan trắc tuy nhiên đối với cây trồng nông nghiệp khi vào những buổi sáng
lặng gió, có sơng mù sự tích tụ của những giọt sơng nhỏ trên ngọn của ngũ cốc có
thể trở nên nặng đến mức cành cây gãy vụn bởi sức nặng (Penman, 1967).
Sự quan tâm/ quan trọng thuộc thủy văn học chính nằm ở lợng nớc truyền

vào đất dới dạng lợng ma xuyên qua đợc và dòng chảy qua thân và cành cây.
Những giọt nớc đợc tạo thành trên lá, cành và nhánh cây bởi sự nén chặt vào, và có
thể tích tụ đủ để rơi hoặc chảy nhỏ giọt xuống đất. Quá trình này miêu tả lợng giáng
thủy đo đạc đợc bên dới tán lá thảm thực vật nơi không có gì đợc ghi lại ở ngoài
trời, Kittredge (1948) đề xuất rằng nó có thể đợc xem nh sự chặn nớc âm. Sự lắng
đọng của mây hay những hạt sơng mù trên thảm thực vật đợc cho là lợng thêm
vào đủ cho giáng thủy bình thờng để tác động đến phân bố của cây trồng dọc theo bờ
biển miền trung phía Tây của Bắc Mỹ (Lull, 1964) và Chile (Kummerow, 1962).
Những nghiên cứu trớc đây thờng nhấn mạnh rằng về bản chất đây sẽ là
một ảnh hởng bên cạnh và tầm quan trọng của nó giảm rõ rệt từ ranh giới của khu
vực có rừng hoặc nơi có thảm thực vật tơng đối cao. Bản chất biên giới của hiện
tợng cũng rõ ràng thông qua một số kết quả của những thí nghiệm khác nhau với
máy đo sơng mù mà sử dụng lới thép mịn theo phơng thẳng đứng để chặn những
hạt sơng mùa và mây chuyển động theo phơng ngang (ví dụ Nagel, 1956).
Shuttleworth (1977) đã có một cải tiến về mặt khái niệm quan trọng khi chỉ ra
rằng sự lắng đọng nớc của mây đợc kiểm soát bởi các quy luật vật lý giống nh sự
bốc hơi chặn nớc. Không chỉ đơn giản là một hiện tợng theo phơng ngang mà bị
giới hạn tối đa 20 m đầu tiên, ông biện luận rằng thực tế là nó sẽ bị chi phối bởi sự
trao đổi theo phơng thẳng đứng giữa khí quyển và đỉnh của một tán lá thảm thực
vật rộng lớn. Hơn nữa, theo cách mà tổn thất do chặn nớc đối với những khu rừng
lớn do độ nhám khí động học của chúng lớn, lợng lắng đọng nớc của mây đối với tán
lá rừng cũng lớn hơn thảm thực vật thấp.
Cameron và các cộng sự (1997) tính toán tốc độ lắng đọng nớc của mây
khoảng 0.05 mmh
-1
đối với bụi cỏ cao 0.8 m ở khu vực biển miền núi phía Nam New
Zealand. Tốc độ này lên đến khoảng 60 mm hoặc 4% của lợng giáng thủy hàng năm.
Họ đề xuất rằng sự thay thế bởi những đồng cỏ thấp sẽ làm giảm lợng lắng đọng
nớc của mây do độ dẫn khí động học thấp hơn, trong khi đó sự thay đổi đối với rừng
có thể làm tăng lợng lắng đọng sơng mù do tăng cờng sự nhiễu loạn. Tuy nhiên,

tác động về mặt thủy văn chủ yếu nói chung sẽ tăng cờng tổn thất chặn nớc của
rừng do giáng thủy không liên tục cờng độ bé thịnh hành.
Sự cuốn troi những giọt nớc của mây bởi thảm thực vật là điểm đặc trng của
những nơi mà sơng mù và mây tầng thấp thờng xuất hiện do độ cao lớn, khí hậu
hoặc gần biển.