Khái niệm về lưu vực
Lưu vực là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên, nơi mà mọi lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát qua một cửa ra duy nhất. Lưu vực hứng nước, lưu vực thoát nước và lưu vực sông là ba thuật ngữ đồng nghĩa đề cập đến khu vực địa hình thu nhận và thoát dòng chảy bề mặt qua một cửa ra.
Lưu vực được giới hạn bởi đường chia nước (đường phân thủy) trên mặt và dưới đất. Đường chia nước trên mặt (hay còn gọi là đường phân nước mặt) là đường nối các đỉnh cao của địa hình. Nước từ đỉnh cao chuyển động theo hướng dốc của địa hình để xuống chân dốc là các suối nhỏ, rồi tập trung đến các nhánh sông lớn hơn chảy về biển. Đường chia nước dưới đất (hay còn gọi đường phân nước ngầm) là đường giới hạn trong lòng đất mà theo đó nước ngầm chảy về hai phía đối lập nhau (theo Marsh, 1987[14]).
Hình 1. Sơ đồ của một lưu vực thoát nước
Nếu đường phân nước mặt trùng với đường phân nước ngầm thì lưu vực được gọi là lưu vực kín. Nếu đường phân nước mặt không trùng với đường phân nước ngầm thì lưu vực được gọi là lưu vực hở. Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm thường không trùng nhau, do đó đa số các lưu vực là lưu vực hở nên sẽ có hiện tượng nước từ lưu vực này chuyển sang lưu vực khác. Việc xác định đường phân nước ngầm là rất khó khăn, nên thực tế thường lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực và gọi đường phân nước mặt là đường phân lưu hay đường phân thủy.
Nước trên lưu vực chảy theo các dòng chảy thành phần, tập trung vào dòng chính, mặt cắt dòng chính tại đó nước trên lưu vực chảy qua gọi là mặt cắt cửa ra. Tại mặt cắt cửa ra, nếu tiến hành đo đạc các yếu tố thủy văn sẽ thu được quá trình dòng chảy và lượng dòng chảy của lưu vực đó. Vì vậy, trong mỗi lưu vực có thể bao gồm nhiều lưu vực nhỏ hơn (gọi là tiểu lưu vực). Như thể hiện trong hình 3, các lưu vực thoát nước có thể được hình dung như một Kim Tự tháp khi dòng chảy từ các lưu vực nhỏ hơn (các hệ thống con) kết hợp để hình thành các lưu vực lớn hơn (hệ thống con trong hệ thống lớn) và dòng chảy từ các lưu vực này trong khối kết hợp để tạo thành các lưu vực lớn hơn… Marsh, 1987[35] đề cập đến chế độ tổ chức này như là một hệ thống phân cấp hoặc phân cấp lồng nhau, vì mỗi lưu vực nhỏ hơn được đặt bên trong lưu vực lớp tiếp theo. Một khái niệm tương tự là các hệ thống thoát nước ra khỏi các lưu vực nhỏ kết hợp để tạo thành các hệ thống thoát nước lớn hơn…
Hình 2. Xác định đường phân nước lưu vực
Hình 3. Minh họa hệ thống phân cấp lồng nhau của các lưu vực nhỏ trong một lưu vực lớn
Chính vì vậy, lưu vực được đề cập đến thường là lưu vực sông, theo Luật Tài nguyên nước năm 2012 thì lưu vực sông là vùng đất mà trong phạm vi đó nước mặt, nước dưới đất chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển.
Các phương pháp xác định lưu vực
Hình 4. Bản đồ ranh giới các lưu vực sông của Việt Nam
Muốn xác định đường phân lưu để xác định lưu vực phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các đường đồng mức cao độ.
Hiện nay, có hai phương pháp xác định lưu vực:
- Phương pháp cổ điển: Sử dụng bản đồ địa hình in trên giấy.
- Phương pháp kỹ thuật số: Sử dụng công cụ hỗ trợ của hệ thống thông tin địa lý GIS với bản đồ kỹ thuật số.
Xác định lưu vực theo phương pháp sử dụng bản đồ địa hình
Phương pháp này sử dụng bản đồ cao độ địa hình, tạo các đường đồng mức, sau đó khoanh lưu vực theo những cao độ lớn nhất trên khu vực nghiên cứu. Phương pháp xác định đường phân lưu trên bản đồ địa hình [36] được thực hiện theo các bước sau:
- Bước 1: Xác định vị trí cần nghiên cứu trên sông.
- Bước 2: Xác định đường phân nước của lưu vực bằng cách nối các điểm cao độ
cao nhất trong khu vực lại với nhau.
- Bước 3: Xác định diện tích lưu vực và các đặc trưng cần thiết khác.
Phương pháp sử dụng bản đồ địa hình in trên giấy để xác định lưu vực được thực hiện khá đơn giản, không cần máy móc hỗ trợ. Tuy nhiên lại mất nhiều thời gian để khoanh lưu vực, tính diện tích lưu vực hoặc xác định các đặc trưng của lưu vực. Mức độ chính xác của kết quả xác định theo phương pháp này phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và tính chủ quan của người thực hiện. Phương pháp này không linh hoạt khi cần có sự thay đổi về vị trí cần nghiên cứu.
Xác định lưu vực theo phương pháp kỹ thuật số
Phương pháp kỹ thuật số là sử dụng công nghệ GIS bao gồm các phương pháp tính, các phần mềm chuyên dụng và cơ sở dữ liệu bản đồ số bao gồm bản đồ dưới dạng vector (dạng điểm, đường và vùng) hay dưới dạng raster (dạng ô lưới).
Hiện nay có nhiều phần mềm GIS được ứng dụng rộng rãi như MapInfo, ArcView GIS, ArcGIS, Map Windows… để kết hợp việc xác định ranh giới lưu vực với phân tích, đánh giá và tính toán các đặc trưng lưu vực sông nhiều công cụ được xây dựng và nhúng kết vào các phần mềm này. Các công cụ điển hình về xác định lưu vực sông phổ biến hiện nay là Hydrologic Modeling, AVSWAT (ArcView SWAT); AV-ThreshR; HEC-GeoHMS (ESRI, HEC) kết hợp HECPrepro (Univ. of Texas at Austin) và Watershed Delineator (ESRI, TNRCC),… Ngoài ra, có khá nhiều các công cụ, đoạn chương trình được chia sẻ miễn phí trên mạng internet có thể sử dụng cho việc xác định lưu vực sông.
Để xác định lưu vực sông một cách tự động, hầu hết các công cụ được xây dựng dựa trên lý thuyết “mô hình dòng chảy 8 hướng” (D8 flow direction model). Mô hình này dựa trên lý thuyết là dòng chảy tại một ô lưới (grid) sẽ chảy đến 1 trong 8 hướng xung quanh ô lưới đó, được thể hiện trong hình 5.
Các công cụ xác định ranh giới lưu vực sông chỉ khác nhau về mức độ sử dụng thể hiện qua các đặc tính của công cụ như: (1) tính linh động trong xác định lưu vực; (2) tốc độ tính toán nhanh chậm; (3) việc tính toán các đặc trưng lưu vực; (4) cách thức lưu giữ, liên kết thông tin; (5) cách thức sử dụng và kết nối các đặc trưng của lưu vực sông với các công cụ khác bên ngoài.
Các bước cơ bản để xác định lưu vực sông một cách tự động dựa trên bản đồ số dưới dạng raster (dạng ô lưới) như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị số liệu cao độ số DEM;
- Bước 2: Xử lý số liệu cao độ số;
- Bước 3: Tính toán xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8 hướng trên;
- Bước 4: Xác định liên kết hướng dòng chảy giữa các ô lưới;
- Bước 5: Xác định lưu vực sông và tính toán các đặc trưng của nó.
Phương pháp xác định ranh giới lưu vực sông bằng ứng dụng công nghệ GIS trên bản đồ số có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp xác định bằng bản đồ giấy địa hình lưu vực sông. Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ GIS không chỉ dừng lại ở việc xác định ranh giới lưu vực sông mà nó còn có thể phát huy được các chức năng của công cụ máy tính như liên kết, tự động hóa, cải tiến tốc độ tính toán, ứng dụng mở rộng trong tính toán xử lý phía sau đó.
Các đặc trưng hình học của lưu vực
Các đặc trưng hình học của lưu vực thể hiện những điểm khác biệt của lưu vực này đối với lưu vực khác. Các đặc trưng hình học chính của lưu vực sông gồm: Diện tích lưu vực, chiều dài sông chính, chiều dài lưu vực, chiều rộng bình quân lưu vực, hệ số hình dạng lưu vực, độ cao bình quân lưu vực và độ dốc bình quân lưu vực.
