Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 0 pptx

Đặc biệt hiện nay, khi mà các hoạt động dân sinh kinh tế đang có những tác động mạnh mẽ đến các lưu vực đầu nguồn thì việc nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, mô phỏng những quá trình vậ

Trang 1

Hydrologic modeling

of small watersheds

Edited by

C T Haan

Professor anf Head, Agricultural Engineering Department, Oklahoma State

University, Stillwater, OK 740074

H P Johnson

Professor, Agricultural Enggineering Department, Iowa State University, Ames, IA 50010

D L Brakensiek

Research Leader, Northwest Watershed Research Center,

USDA, ARS, Boise, ID 83705

An ASAE Monograph Number 5 in a series published by

American Society of Agricultural Engineers

2950 Niles Road, P.O Box 410

St Joseph, Michigan 49085 (phone 616-429-0300) ASAE Technical Editor: James A Besselman

1982

Trang 2

Đại học quốc gia hà nội

C.T Haan - H P Johnson - D L Brakensiek

Mô hình toán thủy văn

lưu vực nhỏ

Người dịch: Nguyễn Thanh Sơn hiệu đính: Trần Ngọc Anh

Hà nội – 2003

Trang 3

Quyển 1: Chương i – chương III

Hà nội - 2003

Trang 4

Quyển 2: Chương iV – chương VI

Hà nội - 2003

Trang 5

Quyển 3: Chương VIi – chương VIII

Hà nội - 2003

Trang 6

Quyển 4: Chương iX – chương XIII

Hà nội - 2003

Trang 7

Lời người dịch

Trong nghiên cứu thủy văn học nói chung việc nghiên cứu, khai thác các mô hình toán ngày càng đóng một vai trò vô cùng quan trọng Đặc biệt hiện nay, khi mà các hoạt động dân sinh kinh tế đang có những tác động mạnh mẽ

đến các lưu vực đầu nguồn thì việc nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, mô phỏng những quá trình vật lý diễn ra trên các lưu vực trong điều kiện thiếu số liệu quan trắc sẽ cung cấp cho các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách những thông tin vô cùng bổ ích nhằm đánh giá, quy hoạch, kiểm soát và hạn chế các thiệt hại do các tai biến thiên nhiên như lũ lụt, xói lở - trượt đất, ô nhiễm nguồn nước… gây ra

Trong bối cảnh công nghệ thông tin phát triển vũ bão, các mô hình toán thủy văn vì thế cũng đang hình thành nên nhiều hướng phát triển, khai thác tối đa các khả năng to lớn của máy tính điện tử và xâm nhập vào mọi lĩnh vực nghiên cứu bằng nhiều con đường khác nhau ở nước ta hiện chưa có một tài liệu chuyên khảo nào có khả năng hệ thống hóa lại toàn bộ các cách tiếp cận mô hình hóa theo bản chất vật lý của các hiện tượng thủy văn, vì thế không chỉ người sử dụng đã gặp rất nhiều khó khăn khi lựa chọn mô hình cho các ứng dụng cụ thể cũng như việc nghiên cứu, mà cả các nhà nghiên cứu thủy văn khi phát triển và hoàn thiện mô hình, nhất là các mô hình thủy văn trên lưu vực nhỏ

Để đáp ứng những đòi hỏi trên, chúng tôi xin trân trọng giới thiệu đến

các bạn đọc cuốn sách Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ do C T Haan

làm chủ biên được Hiệp hội các kỹ sư Nông nghiệp Hoa kỳ xuất bản năm 1982 Cuốn sách thích hợp cho nhiều đối tượng là các sinh viên đại học và sau đại học chuyên ngành Thủy văn, Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Thủy lợi…, các nhà

7

Trang 8

nghiên cứu phát triển mô hình, các nhà quy hoạch và quản lý lưu vực cũng như các nhà hoạch định chính sách

Trong quá trình biên dịch không tránh khỏi được những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của tất cả các bạn để cuốn sách này hoàn thiện và thực sự trở thành một cuốn chuyên khảo có giá trị

Hà nội, tháng 8 năm 2003

8

Trang 9

Giới thiệu

Năm 1974 Howard P Johnson gợi ý rằng cần phải có một cuốn sách dành cho mô hình hoá thuỷ văn thích hợp cho việc sử dụng trong các khoá đào tạo sau đại học Những tranh luận theo ý tưởng về một chuyên khảo theo chủ

đề này sau đó đã được phát triển Hội thảo thuỷ văn ASAE SW-217, các quá trình thuỷ lực lưu vực và vận chuyển là những nét chính cho sự phát triển một chuyên khảo mà đã được hình thành sơ bộ bắt đầu từ năm 1975 dưới sự lãnh

đạo của Howard P Johnson

Đề cương của chuyên khảo được ASAE chấp thuận và bắt đầu phác hoạ những nét chính, lựa chọn các tác giả cho các chương và sau đó hình thành nên cuốn sách Ngoài tôi ra tham gia biên tập cuốn sách còn có Howard P Johnson

và Don Brakensiek

Việc lựa chọn tác giả cho các chương và thống nhất giữa chúng thực ra là công việc đơn giản hơn dự đoán Chúng tôi đã cực kỳ may mắn khi những tác giả của các chương đều được xem như là những chuyên gia cự phách trong mô hình hoá thuỷ văn lưu vực nhỏ Mỗi một chương của cuốn sách đều được soạn thảo bởi những nhà thủy văn học hàng đầu đã từng có rất nhiều năm nghiên cứu về lĩnh vực mà họ biên soạn

Mục đích của cuốn sách này là tập hợp lại trong một chuyên khảo những suy nghĩ mới nhất về mô hình hoá các khía cạnh khác nhau của chu trình thuỷ văn trên lưu vực nhỏ Một lưu vực nhỏ là một lưu vực mà chu trình thuỷ văn diễn ra trên đất (pha đất) chiếm ưu thế hơn so với quá trình xảy ra trong kênh dẫn (pha sông ngòi) Vì vậy mô hình hoá các lưu vực nông nghiệp và đất hoang

được nhấn mạnh hơn Các vấn đề này đã được nhắc đến một cách tản mạn trong nhiều cuốn sách, báo cáo và tạp chí trước đây Và người ta mong muốn trình bày vài mức độ phức tạp của việc mô hình hoá cho mỗi thành phần của

9

Trang 10

chu trình thủy văn ở đây trình bày các xử lý lý thuyết kèm theo một số mức

độ khác nhau của việc đơn giản hoá nó

Cuốn sách này có thể xem là một giáo trình cho các sinh viên đại học và cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu muốn nâng cao trình độ về mô hình hoá thủy văn Nó cũng có thể là tài liệu tham khảo giá trị và là sách nguồn cho các nhà tư vấn và những ai sử dụng các mô hình thủy văn để giải quyết các vấn đề tài nguyên nước

10

Trang 11

Cấu trúc cuốn sách

Cuốn sách này bao gồm 13 chương, được bắt đầu với chương giới thiệu về luận thuyết mô hình hóa và phân tích hệ thống Tiếp theo là chương về mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn

Bảy chương sau đó mô tả các mô hình về các thành phần của chu trình thủy văn trên các lưu vực nhỏ Chúng bao gồm giáng thủy; thấm và ngăn giữ bởi thực vật; dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển; bốc thoát hơi; dòng chảy sát mặt và các hệ thống nước ngầm; xói lở; và các quá trình vận chuyển hóa học Bảy chương này trình bày các mối quan hệ vật lý cơ bản ảnh hưởng đến dòng chảy và các quá trình tích trữ, và trên cơ sở đó bàn luận về các phương pháp khác nhau để mô hình hóa các quá trình này Những phương pháp này có thể là các phương pháp lý thuyết hoàn chỉnh hoặc là các phương pháp thực nghiệm gần đúng đơn giản hơn Các ưu điểm và nhược điểm, yêu cầu về số liệu

đầu vào và các xấp xỉ trong mỗi phương pháp mô hình hóa cũng được thảo luận

kỹ lưỡng trong từng chương

Một chương mô tả cách cấu trúc của vài loại mô hình lưu vực bằng việc kết hợp các yếu tố từ các mô hình thành phần Các mô hình tiêu biểu đại diện cho một số lớn các mô hình tương tự nó sẽ được mô tả chi tiết hơn Một vài cấp

độ mô hình hóa cũng được trình bày ở đây

Hai chương được dành cho việc lựa chọn, hiệu chỉnh và sử dụng các mô hình lưu vực Các cách tiếp cận để lựa chọn và hiệu chỉnh mô hình cũng được

đưa ra trong các chương này Sử dụng cách tiếp cận nào sẽ phụ thuộc vào ứng dụng của mô hình cũng như yêu cầu về độ chính xác

Chương cuối cùng là một bản liệt kê các mô hình đang được sử dụng, bao gồm một danh sách các mô hình sẵn có, khả năng của chúng, các yêu cầu về số liệu, và các nguồn thông tin liên quan

11

Trang 12

Ban đầu chúng tôi dự dịnh sử dụng một hệ ký hiệu thống nhất trong toàn bộ cuốn sách, và ban biên tập cũng đã cố gắng đưa về một danh sách ký hiệu chung, nhưng sau đó chúng tôi đã nhanh chóng nhận ra rằng điều đó chỉ gây thêm nhiều sự xáo trộn và hiểu nhầm hơn là nhận được sự rõ ràng như mong muốn Vì vậy ý tưởng về bộ ký hiệu thống nhất đã được bỏ qua và cho phép sử dụng các ký hiệu ít tiêu chuẩn hơn nhưng phù hợp với các chuyên đề nghiên cứu Hệ đơn vị SI được sử dụng ở đây

12

Trang 13

Lời cảm ơn

Để hoàn thành cuốn sách này nhất thiết phải có sự nỗ lực cộng tác của rất nhiều người Howard P Johnson xứng đáng với sự trân trọng của tất cả chúng ta cho việc xây dựng ý tưởng cuốn sách, giúp đỡ để nhận được sự xác nhận của ASAE, hỗ trợ việc hình thành cuốn sách và đồng thời cũng là một trong các chủ biên Don Brakensiek cũng đã cống hiến rất nhiều gian để phản biện các chương với vai trò nhà biên tập và cũng là đồng tác giả của chương

đầu tiên

Charles Onstad và Hội thảo ASAE SW-217 là những đóng góp đầu tiên cho cuốn sách Một vài chuyên đề trong hội thảo được dành cho việc cung cấp các hướng dẫn và khuyến khích sử dụng mô hình Hội thảo thủy văn SW-212

và SW-215 là những đóng góp tiếp theo vào chuyên khảo này Chúng tôi trân trọng ghi nhận sự hỗ trợ của hội đồng chuyên khảo ASAE và của James Basselman

Nhiều thành viên trong và ngoài ASAE cũng đã tham gia vào cuốn sách như là những nhà phản biện của rất nhiều chương Những bình luận của họ đã

có công rất lớn trong việc nâng cao chất lượng của cuốn sách và giúp chúng tôi loại bỏ được rất nhiều những phần mà có thể gây ra sự hiểu sai ý đồ thể hiện Chúng tôi trân trọng cám ơn các lời bình và gợi ý “sau hậu trường” của họ

Tất nhiên, khối lượng lớn công việc này là có sự góp công sức của 13 cộng tác viên các chương, và 15 đồng tác giả, những người đã dành rất nhiều thời gian để cho ra đời một cuốn sách có chất lượng Tôi không thể bày tỏ hết sự kính trọng của mình bằng lời đối với những đóng góp của họ Những người này

đã nhận được sự đền đáp không tính bằng tiền cho những công việc mà họ đã làm Phần thưởng của họ chính là thực tế rằng họ đã tạo nên một sản phẩm có ích, và đóng góp mãi cho lĩnh vực mô hình hóa thủy văn

C T Haan

13

Trang 14

Mục lục

Lời người dịch 7

Lời giới thiệu 9

Cấu trúc cuốn sách 11

Lời cám ơn 13

Chương 1: Mô hình hoá thuỷ văn lưu vực nhỏ 15

1.1 Giới thiệu 17

1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và các thành phần của nó 19

1.3 Phân loại mô hình 21

1.4 Bản chất ngẫu nhiên của quá trình thủy văn 29

1.5 Các mô hình thủy văn như là những thành phần của các mô hình hệ thống tài nguyên nước 32

1.6 Cách tiếp cận các hệ thống 33

1.7 Thiết kế 34

1.8 Lựa chọn mô hình 35

Tài liệu tham khảo 37

Chương 2: Các mô hình ngẫu nhiên trong thuỷ văn 39

2.2 Vai trò của các mô hình ngẫu nhiên trong mô hình hoá lưu vực 43

2.3 Các đặc trưng thống kê của chuỗi thuỷ văn thời gian 44

2.4 Các mô hình ngẫu nhiên 59

2.5 Các mô hình bộ nhớ ngắn 60

2.6 Các mô hình bộ nhớ dài 74

2.7 So sánh các mô hình bộ nhớ ngắn và bộ nhớ dài 82

2.8 Các quá trình hình thành số liệu ngày 83

2.9 Các quá trình phân rã 89

2.10 Các mô hình hỗn hợp 92

2.11 Những vấn đề thường gặp với các mô hình thủy văn ngẫu nhiên 97

2.12 Lựa chọn mô hình 100

2.13 Ước lượng các tham số 102

2.14 Tóm tắt 124

Trang 15

Chương 3: Giáng thuỷ 135

3.2 Lượng mưa 138

3.3 Mô hình lượng mưa 149

3.4 Lượng mưa - một phần của các mô hình thủy văn 161

3.5 Tuyết trong mô hình hoá lưu vực nhỏ 171

3.6 Mô hình tuyết tan 176

3.7 Lượng tuyết tan trong các mô hình thủy văn 186

Chương 4: Quá trình thấm 205

4.2 Mô tả chung 208

4.3 Phương trình cơ bản 211

4.4 Những cách giải phương trình Richard 216

4.5 Các nhân tố ảnh hưởng tới thấm 218

4.6 Các mô hình thấm gần đúng 234

4.7 Các phương pháp số trị 258

4.8 Tổng kết 269

Chương 5: Dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển 281

5.1 Các tiếp cận mô hình lưu vực sông 284

5.2 Khái niệm hoá các thành phần 286

5.3 Sự phát triển đường quá trình nước 292

5.4 Thuyết dòng chảy tràn 301

5.5 Dòng chảy tràn trạng thái ổn định 315

5.6 Mô phỏng dòng chảy mặt với các mô hình thông số tập trung 330

5.7 Các mô hình liên kết 349

5.8 Mô hình lưu vực dòng chảy mặt thông số phân phối 357

5.9 Lựa chọn mô hình và mối quan hệ giữa các thành phần 360

Chương 6: Quá trình bốc thoát hơi nước 369

6.2 Triển vọng 372

6.3 Nguyên lý của bốc thoát hơi 374

6.4 Các phương pháp nghiên cứu quá trình bốc thoát hơi nước tiềm năng 378

6.5 Quá trình bốc thoát hơi nước của cây 403

6.6 Quá trình bốc hơi nước trong đất 414

6.7 Các phương pháp bốc thoát hơi thực tế 415

Trang 16

Chương 7: Dòng chảy sát mặt và hệ thống nước ngầm 443

7.1 Giới thiệu các khái niệm 445

7.2 Lý thuyết dòng chảy sát mặt 450

7.3 Lý thuyết dòng chảy sát mặt và các nỗ lực mô hình hóa lưu vực 458

7.4 Xây dựng mô hình kinh nghiệm của nước sát mặt 461

7.5 Các phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên 463

7.6 Nước sát mặt và mô hình hóa lưu vực nhỏ 466

Chương 8: Mô hình hoá các quá trình xói mòn 479

8.1 Giới thiệu về hệ thống xói mòn – bồi lắng của các lưu vực nhỏ 481

8.2 Mô hình hoá xói mòn vùng đất cao 493

8.3 Ước lượng xói mòn bằng phương trình mất đất thông dụng 505

8.4 Ước lượng sản lượng bùn cát với phương trình mất đất biến đổi 510

8.5 Các mô hình cơ bản 512

8.6 Các quá trình liên rãnh 514

8.7 Các quá trình xói mòn rãnh 529

8.8 Các quá trình lòng dẫn 568

8.9 Các quá trình đập dâng 583

8.10 Tương tác giữa mô hình xói mòn và mô hình thủy văn 587

8.11 Một số ví dụ mô hình xói mòn 594

Các ký hiệu 610

Chương 9: Mô hình chất lượng nước đất nông nghiệp 621

9.2 Mô hình hoá 625

9.3 Các quá trình vận chuyển 633

9.4 Các thành phần hóa học 635

9.5 Các mô hình kết hợp 648

9.6 Phát triển mô hình 651

9.7 Tổng kết 652

Chương 10: Một số mô hình lưu vực sông điển hình 667

10.1 Cấu trúc mô hình 669

10.2 Các đặc điểm mô hình lưu vực sông 671

10.3 Mô hình lưu vực sông Stanford 674

10.4 Mô hình lưu vực sông USDA HL-74 680

10.4 Mô hình lưu vực sông SCS TR-20 685

10.5 Mô hình SSARR 690

10.6 So sánh các mô hình 696

Trang 17

10.7 Các mô hình tham số phân phối 697

Chương 11: Lựa chọn, hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình thuỷ văn 709

11.2 Nguyên tắc cơ bản của lựa chọn mô hình 712

11.3 Các bước so sánh các mô hình số 714

11.4 Những vấn đề trong chiến lược mô hình hóa 716

11.5 Các vấn đề khái quát hóa mô hình 720

11.6 Các vấn đề cấu trúc mô hình 724

11.7 Các vấn đề hiệu chỉnh mô hình 725

11.8 Các vấn đề thử nghiệm và kiểm chứng mô hình 731

11.9 Các vấn đề phát triển mô hình 733

11.10 Trình diễn và kết nối kết quả mô hình 735

11.11 Tổ chức hiệu chỉnh mô hình 736

11.12 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng đồ giải 744

11.13 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng số trị 746

11.14 Cách tiệm cận hệ thống đối với hiệu chỉnh và kiểm chứng 755

11.15 Minh họa các thủ tục hiệu chỉnh 761

11.16 Tóm tắt 766

Chương 12: ứng dụng và lựa chọn các mô hình thuỷ văn 771 12.1 Giới thiệu 773

12.2 Các ứng dụng của mô hình 780

12.3 Các phương pháp lựa chọn mô hình 802

Chương 13: Các mô hình hiện có 825

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	374,23 KB