Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 1 docx

Khi một mô hình thuỷ văn đã được chọn, nó có thể được sử dụng để dự báo các biến thuỷ văn khả năng mà chúng là đầu vào cho những thành phần cơ bản của hệ thống tài nguyên nước.. Tổng hợp

Chư¬ng 1

M« h×nh ho¸ thuû v¨n lưu vùc nhá

1.1 Giíi thiÖu 17

1.2 Vßng tuÇn hoµn thñy v¨n vµ thµnh phÇn cña nã 19

1.3 Ph©n lo¹i m« h×nh 21

1.4 B¶n chÊt ngÉu nhiªn cña qu¸ tr×nh thñy v¨n 29

1.5 C¸c m« h×nh thñy v¨n lµ nh÷ng thµnh phÇn cña c¸c m« h×nh hÖ thèng tµi nguyªn nưíc 32

1.6 C¸ch tiÕp cËn c¸c hÖ thèng 33

1.7 ThiÕt kÕ 34

1.8 Lùa chän m« h×nh 35

Tµi liÖu tham kh¶o 37

Mô hình hoá thuỷ văn các lưu vực nhỏ

Tác giả:

D.A Woolhiser, USDA, ARS, Fort Collins, CO và

D L Brakensiek, Northwest Watershed Research Center, USDA, ARS, Boise, ID

1.1 Giới thiệu

Tổng hợp hệ thống thủy văn, dự báo và tối ưu hoá là một trong những hoạt động quan trọng trong thiết kế các hệ thống tài nguyên nước Tổng hợp hệ thống thủy văn liên quan đến việc lựa chọn một mô hình thích hợp và phân tích để kiểm tra hoạt động của mô hình đó (Dogge, 1973) Khi một mô hình thuỷ văn đã được chọn, nó có thể được sử dụng để dự báo các biến thuỷ văn khả năng mà chúng là đầu vào cho những thành phần cơ bản của hệ thống tài nguyên nước Những biến thiết kế của các thành phần hoặc số lượng, vị trí và kiểu của những thành phần có thể được thay đổi sau đó và bằng việc đánh giá các phương án ta có thể tìm ra phương án tối ưu

Tổng hợp hệ thống thủy văn cũng phải trả lời những câu hỏi như: “Việc quản lý đất nông nghiệp đã gây ra những tác động nào đối với chất lượng và khối lượng nước ?” bởi vì không thể nào thu được những dữ liệu thực nghiệm cho tất cả các sự kết hợp giữa những hoạt động canh tác hoa màu và chế độ thủy văn

Việc mô hình hoá thủy văn yêu cầu một cách đơn giản hoặc khái quát Thật vậy, qua kinh nghiệm thực tế con người thấy rằng muốn hiểu và dự báo giá trị bất cứ một bộ phận nào của môi trường thì cần phải khái quát “Sự khái quát bao gồm, việc thay thế một bộ phận của tổng thể dưới hình thức mô hình cấu trúc đơn giản hơn Những mô hình, một mặt là hình thức hay trí tuệ, mặt

khác nó là vật chất, như vậy mô hình là giải pháp trung tâm của tiến trình khoa học” (Rosenbleuth và Wiener, 1945)

Trong việc thiết kế những hệ thống tài nguyên nước và ước lượng những tác động của kỹ thuật quản lý đất, chúng ta cần phải có mô hình bắt nguồn từ các khoa học xã hội cũng như những mô hình của hệ thống thủy văn Tuy nhiên, trong tài liệu này, chúng ta quan tâm đến những mô hình thủy văn và

đặc biệt là những mô hình thủy văn các lưu vực nông nghiệp nhỏ Để đạt được mục đích đó, lưu vực nhỏ là một trong những đối tượng mà ảnh hưởng các hoạt

động quản lý đất nông nghiệp hay lâm nghiệp có thể chi phối quan trọng đến chế độ thủy văn Mặc dù những lưu vực ở thành phố đã bị loại bỏ, nhưng những nguyên lý cơ bản mà nhiều mô hình mô tả có thể dùng tốt cho các lưu vực kể cả ở thành phố

Hình 1.1 Vòng tuần hoàn thuỷ văn (theo Horton, 1931)

Mục đích của chương này là thảo luận vai trò của mô hình thủy văn lưu vực nhỏ Những dạng của mô hình có thể được sử dụng để mô tả và những số

hạng quan trọng đã được định nghĩa Cuối cùng, mô hình thủy văn đã được xem xét như là những thành phần của mô hình hệ thống tài nguyên nước

1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và thành phần của nó

Các mô hình lưu vực thủy văn phải miêu tả được vòng tuần hoàn thủy văn bằng những phương pháp thích hợp khác nhau Những quy luật bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng được tổng hợp trong tập hợp thành nguyên tắc lý thuyết, và được sử dụng để giải thích vòng tuần hoàn thủy văn Những nguyên lý này cùng với các mối quan hệ dựa vào kinh nghiệm cá nhân tạo thành cơ sở cho phần lớn các mô hình lưu vực nhỏ

Nguyên lý của sự bảo toàn khối lượng thường minh họa bằng lượng nước

đối với một thể tích đất nào đó Hình 1.1 trình bày một cách định tính vòng tuần hoàn Thuỷ văn, nó giới thiệu các thành phần thuỷ văn và biểu diễn khái niệm cho rằng tổng lượng nước trên trái đất có thể xem là không thay đổi Trong thủy văn học lưu vực nhỏ chúng ta quan tâm đến phần sẫm trong vòng tuần hoàn trong hình 1.1 Nếu chúng ta xem xét thành phần mang tên “Sự sắp xếp bề mặt của tất cả các dạng giáng thủy” ứng dụng cho thể tích đất bất kỳ với diện tích bề mặt là A và độ sâu d, như trong hình 1.2, ta có thể viết phương trình biểu diễn tích phân của tính bảo toàn khối lượng, trong một khoảng thời gian bất kỳ là ∆t, khi lượng nước vào bằng lượng nước ra cộng đại số với sự thay đổi của kho nước

ở đây:

P = lượng giáng thủy nhận được trên diện tích A

W = nước vào (hay ra) bởi hoạt động của con người

∆S = sự thay đổi của lượng trữ nước trong đất

E = lượng bốc hơi, trên 1 đơn vị diện tích (bao gồm cả lượng bốc hơi từ thực vật)

Hình 1.2 Thể tích đối với cân bằng nước

Mặc dù mọi kích thước đều có thể được biểu diễn bằng đơn vị của khối lượng, nhưng thông thường người ta đưa vào trong mô hình đơn vị của thể tích hoặc thể tích trên 1 đơn vị diện tích bề mặt Trong thời gian dài, các số hạng của kho nước có thể khác nhau tương đối nhỏ và dòng nước chảy từ thể tích kiểm soát này hoặc từ lưu vực nhỏ là sự khác nhau giữa tổng lượng giáng thủy, nước nhập vào lưu vực và lượng bốc hơi

Tổng lượng bốc hơi bị điều khiển bởi tổng lượng năng lượng sẵn có ở tầng

đất và không khí trong thảm thực vật Tính bảo toàn của phương trình năng lượng được viết cho bề mặt lưu vực khi tốc độ thực của năng lượng vào trên 1

đơn vị diện tích bằng tốc độ năng lượng ra, hay:

trong đó: RS = mật độ thông lượng của tổng lượng bức xạ sóng ngắn trên bề mặt đất

ρ = abledo của bề mặt (phần nhỏ của sự ra nhập bức xạ sóng ngắn đã

được bức xạ)

RL = mật độ thông lượng thực của bức xạ sóng dài

G = mật độ thông lượng nhiệt trong đất

H = nhiệt chuyển vào trong khí quyển

L = ẩn nhiệt của sự bốc hơi nước

E = tốc độ bốc hơi

Đơn vị cho tất cả các số hạng là năng lượng nhiệt trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian Những sự thay đổi trong tích lũy nhiệt của thực vật và nhiệt sử dụng cho quang hợp được bỏ qua trong phương trình (1.2) bởi vì chúng chỉ khoảng 1% của RS Các phương trình (1.1) và (1.2) được liên kết với nhau bởi số hạng bốc hơi E Độ lớn của E trong phương trình (1.1) giới hạn bằng tổng năng lượng nhiệt chuyển đến bề mặt A, mặc dù điều đó cũng có thể bị hạn chế bởi sự giữ lại của cây cối hay bởi sự di chuyển của nước trong đất

điều kiện ban đầu, sẽ mô tả các quá trình động lực của dòng chảy Những chương sau sẽ nghiên cứu việc mô hình những thành phần chi tiết hơn và cũng

sẽ xem xét đến tập hợp các mô hình thành phần trong mô hình lưu vực

trường sống? Hempel (1963) cho rằng, nếu nói chúng ta hiểu một biến cố hoặc một chu kỳ tức là chúng ta có thể đưa ra một giải thích khoa học cho điều đó Thực chất định nghĩa của Hempel trong giải thích khoa học là: giả sử chúng ta

có một phát triển E mà nó mô tả một số hiện tượng nào đó đã được giải thích Sau đó, nếu E có thể được suy ra từ tập hợp L1, L1, , Ln của quy luật chung hoặc những nguyên tắc lý thuyết, và tập hợp C1, C2, , Cn của những phát biểu

đã được thực nghiệm, chúng ta có thể nói rằng hiện tượng đã được giải thích

Từ định nghĩa này, với nó là các mô hình hình thức được đáp ứng cho giải thích khoa học

Một vài tiêu chuẩn khác nhau đã được sử dụng để phát triển hệ thống phân loại cho mô hình Trong nhiều trường hợp, những tiêu chuẩn đó phản ánh những quan tâm đặc biệt hoặc các nhu cầu của ngành học đặc biệt Tuy vậy, những mô hình sử dụng trong bất cứ môn học nào đều có thể được phân loại thành mô hình hình thức và mô hình vật chất

Mô hình hình thức hay “trí tuệ” là sự biểu diễn có tính tượng trưng và thường là biểu diễn mang tính toán học của sự kiện đã được lý tưởng hóa, có

đặc tính cấu trúc quan trọng trong hệ thống thực Mô hình vật chất là biểu diễn vật lý trong một hệ thống phức tạp mà được giả sử rằng đơn giản hơn hệ thống thực và cũng giả sử là có các đặc tính tương tự như trong hệ thống thực

Hình1.3 là sơ đồ phân loại các mô hình Những mô hình vật chất bao gồm các mô hình có tính chất "hình tượng" hoặc “mô phỏng” và những mô hình tương tự Một mô hình hình tượng là một phiên bản đơn giản hóa của hệ thống thế giới thực Nó đòi hỏi những vật liệu giống như trong hệ thống thực (VD: mô hình của chất lỏng thì vật liệu cũng phải là chất lỏng) Thùng đo thấm, các dụng cụ đo lượng mưa, máng thủy lực và những hệ thống thực nghiệm lưu vực

là các ví dụ của mô hình biểu tượng Bằng cách đo định kỳ thể tích của lượng nước rút từ thùng đo thấm và xác định trọng lượng của nó chúng ta có thêm

được một số hiểu biết về những tốc độ tương đối của sự thấm ở dưới sâu và sự bốc toát hơi ở từ sườn, diện tích không bị xáo trộn với thực vật và đất Chúng ta không quan tâm đến kích thước của mô hình nhưng chúng ta quan tâm đến sự hiểu biết các khía cạnh sâu sắc ở việc xuất hiện các quá trình của hệ thống tự nhiên phức tạp hơn mà chúng đưa đến cho ta trong quá trình mô phỏng

Nguyên tố xác định lượng mưa, máng thủy lực và những hệ thống thực nghiệm thủy văn có thể giúp để xác định những nhân tố quan trọng nhất nên được biểu diễn trong mô hình toán của dòng chảy trên đất và các quá trình xói mòn Để

sử dụng được, những mô hình biểu tượng cần phải dễ hơn so với cùng với hệ thống thực, và phải cung cấp thêm một vài dữ liệu mà chúng không phải là hệ quả trực tiếp của sự suy luận và được mô hình toán công nhận Thay đổi độ lớn hay quy mô thời gian (hoặc cả hai) được đòi hỏi thường xuyên để xây dựng mô hình hữu dụng Vì những thay đổi quy mô này và những sự đơn giản hóa cần thiết khác, các mô hình biểu tượng thường kéo theo những sự sai khác và độ lớn của sự sai khác này phải được xem xét một cách cẩn thận và phải có trong những phương trình dự báo

Hình 1.3 Phân loại mô hình

Hệ thống thực

Các mô hình vật chất Các mô hình toán

Thực nghiệm Lý thuyết Tương tự

hệ thống thực và cái tương tự của nó, và nó cũng phụ thuộc vào những dạng khác nhau của các mô hình hình thức Trong thủy văn học, tất cả các mô hình hình thức lưu vực là toán học; do đó tới đây chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ “mô

hình toán” hay đơn giản hơn là “mô hình” Trong tài liệu này chúng ta sẽ tập trung toàn bộ sự chú ý vào mô hình toán

Những mô hình toán có thể chia nhỏ hơn thành các mô hình lý thuyết và các mô hình thực nghiệm Một mô hình lý thuyết bao gồm tất cả tập hợp những quy luật chung, những nguyên tắc lý thuyết và tập hợp những thể hiện của các trường hợp thực nghiệm Mô hình thực nghiệm bỏ qua quy luật chung

và tiêu biểu cho sự phản ánh dữ liệu Sự đặc biệt này mất đi khi chúng ta xem xét mô hình bao gồm một vài nhưng không phải tất cả những quy luật chung cần thiết Tất cả các mô hình lý thuyết là đơn giản hoá hệ thống vật lý và bởi vậy, nó ít nhiều là không chính xác Hơn nữa, cái gọi là mô hình lý thuyết thường hiển nhiên bao gồm những thành phần thực nghiệm Mọi mối quan hệ thực nghiệm có một vài thay đổi ngẫu nhiên, đó là, bởi ngẫu nhiên hai biến xuất hiện có thể lại tương quan với nhau mà trong khi ở thực tế chúng không

có liên quan với nhau Về nguyên tắc những mối quan hệ như vậy không nên ứng dụng ngoài khoảng của dữ liệu mà người ta đã thu được chúng Trong việc xây dựng mô hình lưu vực nhỏ, có rất nhiều các ví dụ về sự đơn giản hóa trong mô hình lý thuyết

Dòng chảy mặt trong lưu vực nhỏ được mô tả chung bằng phương trình bảo toàn động lượng mà nó thể hiện trong số hạng sức cản thủy lực thực nghiệm Dưới các điều kiện nào đó, phương trình động lượng đã được đơn giản hóa nhiều và gọi là phương trình động học Những bài toán dòng chảy sát mặt

sử dụng phương trình Darcy, phương trình thực nghiệm Việc xây dựng mô hình sự thấm hiện đại dựa vào phương trình Green và Ampt là sự đơn giản hóa toàn bộ hệ thống dòng chảy Lý thuyết và thực nghiệm nói chung đồng hành với nhau tới mức trong thực tế hầu hết các mô hình thủy văn lưu vực là lai tạp bao gồm cả những thành phần lý thuyết và thực nghiệm

Những mô hình toán thủy văn như chúng ta đã biết ngày nay có thể phân loại theo 6 tiêu chuẩn (Ofga - Zielinska, 1976):

(a) cấu trúc và đối tượng của mô hình,

(b) vai trò của nhân tố thời gian,

(c) giá trị nhận thức của mô hình,

(d) đặc tính của kết quả thu được,

(e) phương pháp giải và các ứng dụng thực tế

(f) những đặc tính của hàm toán tử

1.3.1 Cấu trúc và đối tượng của mô hình

Cấu trúc và đối tượng của mô hình là tiêu chuẩn đầu tiên, liên quan đến một hay nhiều phần nào đó của vòng tuần hoàn thủy văn, chúng được tổng hợp trong mô hình về mức độ trừu tượng Theo mức độ có thể chia ra thành bốn:

(a) từng quá trình riêng biệt,

(b) những mô hình thành phần,

(c) những mô hình lưu vực hợp nhất,

(d) những mô hình lưu vực toàn cầu

Bốn mức độ này được mô tả trong sơ đồ hình 1.4 Mô hình của quá trình riêng biệt là mô tả toán học của một trong những quá trình vật lý có trong vòng tuần hoàn thủy văn Ví dụ, mô hình của sự bốc hơi từ mặt nước thoáng sẽ được phân loại những mô hình quá trình riêng biệt Khi nhìn vào hình 1.4 (a) chúng

có dạng:

ở đây: Y(t) = đầu ra

X(t) = đầu vào

Q = toán tử của quá trình

ở trong mô hình bốc hơi thì đầu ra Y(t) sẽ là khả năng vận chuyển hơi nước từ mặt nước, và những biến đầu vào X(t) sẽ bao gồm bức xạ thực, vận tốc gió, sự thiếu hụt của áp suất hơi nước và có thể có những số hạng khác Các mô hình của những thành phần, như đã được minh họa trong hình 1.4 (b), bao gồm

sự kết nối các mô hình của những quá trình riêng biệt với một toán tử thành phần mà chia dòng chảy thành những quá trình riêng biệt trong một trật tự thích hợp Chúng mô tả những quá trình đang diễn ra trong không gian ngầm

đặc biệt của hệ thống lưu vực Những ví dụ của các mô hình thành phần bao gồm: sự thoát hơi thực vật, dòng chảy mặt trực tiếp, sự xói mòn, và dòng sát mặt Ví dụ, một mô hình bốc thoát hơi sẽ bao gồm những mô hình của các quá trình riêng biệt mô tả: sự chặn giữ, sự bốc hơi từ đất và từ lá cây, nước trong

đất di chuyển và sự tác động trở lại của cây cối

Mô hình hợp nhất là một ví dụ của mô hình lưu vực toàn diện Như đã minh họa ở hình 1.4 (c), mô hình hợp nhất gồm có tập hợp của sự liên kết giữa các mô hình thành phần với toán tử mà đã chia dòng chảy thành những thành phần riêng biệt trong trật tự chính xác Thường các mô hình hợp nhất bao gồm những phần với những độ trừu tượng khác nhau hay sự đơn giản hóa Các mô hình hợp nhất được phát triển bởi quá trình tổng hợp những thành phần và có cấu trúc được xác định rõ, cấu trúc này thường được xác định bằng những khái niệm của người xây dựng mô hình theo bản chất vật lý của lưu vực

Các mô hình toàn cầu là sự lựa chọn cho các mô hình hợp nhất Cấu trúc của chúng đơn giản hơn nhiều - chúng thừa nhận mối quan hệ hàm số giữa tập hợp các biến đầu vào và đầu ra hơn là mối liên kết các thành phần riêng biệt (Hình 1.4 (d))

Bản chất của mô hình được định rõ chỉ trong một hình thức rất đơn giản như “hệ thống là tuyến tính, thời gian không đổi” và toán tử được đồng nhất hóa bằng phân tích chuỗi quan trắc của đầu vào và đầu ra Trong tài liệu này nhấn mạnh các mô hình thành phần và mô hình hợp nhất

Theo tiêu chuẩn phân loại thứ hai là vai trò của nhân tố thời gian thì những mô hình được phân loại thành mô hình tĩnh học và mô hình động học Các mô hình tĩnh học bao gồm các phương trình toán thực nghiệm khác nhau

và những mô hình hồi quy với thời gian là biến phụ thuộc Mô hình hồi quy liên quan đến lưu lượng trung bình hằng năm của dòng chảy theo thời tiết và những nhân tố của các hiện tượng tự nhiên là mô hình tĩnh học Những mô hình toán trong đó thời gian không phải là một nhân tố, có nghĩa là các điều kiện ở trạng thái ổn định thì những mô hình toán đó cũng là những mô hình tĩnh học Những mô hình động học đòi hỏi những phương trình toán khác nhau với thời gian là một biến độc lập và thực vậy có thể cho thấy tính biến thiên thời gian của đầu ra Trong tài liệu này nhấn mạnh các mô hình động học