Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 10 pptx

Hầu hết tất cả các mô hình lưu vực sông liên tục sử dụng 3 yếu tố chảy vào: lượng chảy vào trực tiếp, dòng chảy dưới mặt đất dòng chảy hòa lẫn và dòng nước dưới đất, trong khi đó một mô

Chương 10

Một số mô hình lưu vực sông điển hình

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 USDA HL-74 & Mô hình lưu vực sông 680

10.4 Mô hình lưu vực sông SCS TR-20 685

10.5 Mô hình SSARR 690

10.6 Sự so sánh các mô hình 696

10.7 Các mô hình tham số phân phối 697

Tài liệu tham khảo 703

số, khả năng ứng dụng và có sự so sánh giữa các yếu tố này với nhau Các mô hình dành cho mục đích đặc biệt, mô hình phân bố và mô hình từng phần cũng

được xem xét một cách ngắn gọn trong chương này

Mục đích chính của chương này là cung cấp một số kiến thức về cấu trúc của mô hình lưu vực sông một cách chung nhất và chu trình hoạt động tự nhiên của nó và mối liên quan của những đặc điểm này tới sự ứng dụng mô hình

Nhiều mô hình lưu vực sông đặc thù đã được sử dụng làm cơ sở trong việc học tập, so sánh và tự phổ cập Do đó, trong quá trình nghiên cứu người

đọc nên xem, đặt ra những câu hỏi như: “Những mô hình này khác nhau như thế nào? Giống nhau ở điểm nào? cũng như các câu hỏi: “Liệu các khía cạnh chung đã đưa ra những đặc điểm cần thiết chưa? Sự khác nhau giữa các mô hình có hữu ích trong việc cung cấp những nhu cầu khác nhau và sự ứng dụng

trong việc lựa chọn các mô hình lưu vực sông không?” Nếu người đọc đã nghiên cứu về các quá trình thủy văn riêng rẽ ở các chương trước thì kiến thức người

đọc ở chương này sẽ được nâng cao hơn

Có ba phương pháp có thể tiếp cận một mô hình ứng dụng đó là: Sử dụng mô hình hiện hữu, cải tạo mô hình hiện hữu và phát triển một mô hình mới Nhìn chung, việc lựa chọn một trong những phương pháp tiếp cận này là một quyết định có ý nghĩa rất quan trọng nếu quyết định sử dụng mô hình hiện hữu, ta phải chọn mô hình phù hợp nhất với sự ứng dụng đặc thù Tương tự như vậy, nếu một mô hình hiện hữu được thay đổi, cải tạo thì dĩ nhiên việc chọn lựa một mô hình có thể đạt được sự thay đổi đặc thù là rất cần thiết Việc phát triển một mô hình mới cần được hiểu là một nhiệm vụ chính, có thể sẽ đòi hỏi nhiều năm làm việc vất vả để có được một mô hình lưu vực sông hoàn chỉnh, ứng dụng một mô hình hiện hữu có thể bao gồm nhiều tháng nỗ lực, và

sự cải tạo một mô hình đáng kể một mô hình có thể đòi hỏi một thời gian dài hơn

Quyết định về việc chọn phương pháp tiếp cận tốt nhất cho việc ứng dụng mô hình đặc thù cần phải dựa trên cơ sở kiến thức cơ bản cả về mô hình nguyên tắc và mô hình lưu vực sông sẵn có

Mục đích của chương này là cố gắng liên kết 2 mặt này của việc xây dựng một mô hình lưu vực sông Những chương trước đã tập trung vào việc

“xây dựng khối” (building block) ví dụ như thành phần mô hình và nguyên tắc xây dựng mô hình Mặt khác chương 13 chỉ đưa ra (không hề thảo luận) một bảng liệt kê về các mô hình lưu vực sông

Để hiểu một cách đầy đủ về những nguyên tắc của một mô hình lưu vực sông ta cần phải làm việc với một hoặc nhiều hơn mô hình lưu vực sông đặc thù Nghiên cứu về các mô hình lưu vực sông có thể là một công việc nhàm chán nhưng nó có giá trị như một bước chuẩn bị, ứng dụng một mô hình lưu vực sông là cách tốt nhất để học về khả năng và những hạn chế của nó Bằng việc sử dụng mô hình cho một số lưu vực sông hoặc các điều kiện của lưu vực sông, ta sẽ làm quen dần với tính chất các thông số của nó Nếu mục đích nghiên cứu chỉ là những ảnh hưởng của các dữ liệu vào khác nhau, bạn có thể

áp dụng mà không cần phải hiểu một cách chi tiết về quá trình làm việc bên trong của nó Tuy nhiên, mặc dù không cần thiết, nhưng việc hiểu rõ về mô hình trong hầu hết các ứng dụng là rất đáng giá

10.1 Cấu trúc mô hình

Một mô hình lưu vực sông thường bao gồm những yếu tố sau:

1 Các thông số dữ liệu vào thể hiện những đặc điểm tự nhiên liên quan của lưu vực sông

2 Dữ liệu về sự đọng lại và các dữ liệu khí tượng khác

3 Các tính toán về lưu lượng nước, cả nước bề mặt và nước dưới mặt đất

4 Các tính toán về nguồn nước dự trữ, cả nước trên bề mặt và nước dưới mặt đất

5 Các tính toán về lượng nước mất đi

6 Sự thất thoát lưu vực sông và các số liệu khác, (nếu cần)

Các yếu tố 3, 4, 5 là yếu tố quyết định của một mô hình lưu vực sông Tất cả các mô hình bao gồm các số liệu về lưu lượng nước, nguồn dự trữ, và sự mất nước, các số liệu này được thể hiện trên một biểu đồ mô hình (hình 10.1, 10.3) Nhìn chung, càng nhiều số liệu về – dòng chảy theo đường mòn và nguồn

dự trữ thì mô hình có càng nhiều chi tiết

Một mô hình lưu vực sông tất định bao gồm một loạt các mô hình con, mỗi mô hình con này là một quá trình thủy văn điển hình (sự thẩm thấu, dòng chảy trên mặt đất v.v ) và thường được cấu trúc một cách tương ứng Các mô hình con cũng đòi hỏi tất cả các yếu tố trên như một mô hình chung Mỗi một mô hình con thể hiện một dòng chảy cơ bản và thường có một nguồn dự trữ Số lượng của mô hình con là sự chảy thoát hoặc khí quyển sự mất nước mô hình con khác Sự mất nước chủ yếu trên thực tế chính là sự chảy thoát ra khỏi hệ thống

Các nguồn nước lưu trữ là phần rất cần thiết của mô hình, vì chúng

đóng vai trò như một chiếc khóa trong việc kiểm soát dòng chảy trong lưu vực sông Tất cả các dòng chảy trong một mô hình đều cùng nằm trong hoặc nằm

ngoài một nguồn dự trữ, đương nhiên dòng chảy thường liên quan tới số lượng nước trong nguồn dự trữ cũng như các yếu tố khác

Trong một số trường hợp, nguồn dự trữ không được biểu hiện một cách riêng rẽ trong mô hình nhưng là một phần trong mối quan hệ dòng chảy, ví dụ trong ống dẫn động lực

Xây dựng mô hình là một quá trình chọn lựa chính xác các mô hình con liên kết chúng với nhau để tạo nên một mô hình lưu vực sông và tìm ra kết quả làm việc của mô hình lưu vực sông Mỗi một điều đều quan trọng và đòi hỏi nỗ lực đáng kể Vậy những mô hình con nào là chính xác? Câu trả lời chủ yếu phụ thuộc vào mục đích sử dụng của mô hình tổng thể Có phải mục đích của mô hình chỉ là để dự đoán sự thất thoát lưu vực sông không hay cho cả các mục

đích khác nữa? Liệu lưu lượng thấp có quan trọng hay không? Mô hình có được

dự định theo kiểu đặc thù của lưu vực sông về kích cỡ, địa hình, đất sử dụng v.v lưu vực thành thị không? Hay nó được dự định theo bất cứ kiểu lưu vực sông nào? có bao nhiêu chi tiết cần sử dụng trong mỗi mô hình con? Trong việc lựa chọn hay phát triển một mô hình con, khuynh hướng chung là chọn tất cả những mô hình con chi tiết sẵn có hoặc bổ sung vào mô hình con hiện hữu một vài sự cải tiến Sau đó là nhóm những mô hình còn lại, mọi người sẽ thấy thu

được kết quả mô hình lưu vực sông là quá chậm chạp và quá đắt để thực hiện Bước tiếp theo là cắt giảm bớt các chi tiết không ảnh hưởng tới độ chính xác của mô hình, nếu có thể

Để đạt được một mô hình có tính thực tế, người khai triển mô hình là người đã hiểu nghiên cứu tỉ mỉ quá trình này và làm một vài kiểu tương tự

Nếu mô hình được dự định với mục đích dự đoán dòng sông, thì cấu trúc

và số lượng chi tiết có thể được sửa đổi để phù hợp với ứng dụng Nếu mục đích

là để nghiên cứu về tác động thủy văn của đất có thay đổi mục đích sử dụng, thì mô hình cần phải nhạy cảm chính xác với các yếu tố và các quá trình Điều này có thể sẽ đòi hỏi tầm quan trọng đặc biệt và chi tiết vào một hoặc nhiều hơn các mô hình con Trong khi đó, nếu mô hình được dự định chỉ với mục đích này thì có thể cắt giảm bớt một số chi tiết ở một số mô hình con khác nữa Tương tự như vậy, nếu mô hình lưu vực sông được dùng làm cơ sở cho mô hình

giao thông, thì sự nhấn mạnh của nó là trực tiếp một cách phù hợp Ví dụ, nếu mục đích tổng thể là xây dựng mô hình về sự xói mòn đất và sự phân bố phù sa thì cần phải nhấn mạnh vào mô hình con dòng chảy trên mặt đất

Như chúng ta thấy mô hình lưu vực sông rất khác nhau về cấu trúc, số lượng chi tiết và sự nhấn mạnh tầm quan trọng vào những quá trình thủy văn riêng lẻ Điều kiện tự nhiên cơ bản của chúng cũng rất khác nhau, như đã chỉ

ra trong chương 1 và sẽ nhiều hơn trong các trang tiếp theo Rõ ràng là tiềm năng cho sự phát tiển mô hình là không có giới hạn, và mô hình lưu vực sông mới hoặc mô hình lưu vực sông được cải tiến không được tiếp tục phát triển

10.2 Các đặc điểm mô hình lưu vực sông

Qua chương 1, ta đã biết những hạng mục mô tả nhất định thường được ứng dụng cho các mô hình thủy văn và toán học khác Nó cũng có thể áp dụng cho mô hình thành phần hoặc mô hình lưu vực sông ở đây một vài hạng mục

có thêm descriptive terms sẽ được dùng, vì chúng rất hữu ích trong việc nhận dạng các mô hình lưu vực sông Những term như vậy, nếu được chỉ rõ, cho phép chúng ta chỉ ra bằng 1 từ hoặc một cụm từ về sự khác nhau giữa các mô hình về phạm vi mục đích, cách thực hiện hay sự ứng dụng Sẽ rất tiện lợi và hữu ích khi sử dụng những giới hạn này để thảo luận các mô hình điển hình,

được trình bày trong chương này

Các mô hình lưu vực sông có thể được phân biệt là mô hình biến cố và mô hình liên tục Một mô hình biến cố thể hiện một sự kiện của dòng chảy trong một khoảng thời gian xắp xếp từ 1 giờ, nhiều hơn hoặc ít hơn, cho đến nhiều ngày Những điều kiện ban đầu trong lưu vực sông cho mỗi sự kiện phải

được tính toán hoặc quyết định bằng các phương tiện khác và được coi như dữ liệu vào Tính chính xác về năng suất của mô hình phụ thuộc vào độ tin cậy của những điều kiện vào này Một mô hình lưu vực liên tục là một mô hình

được tiến hành trong một khoảng thời gian dài, quyết định tỉ lệ dòng chảy và những điều kiện trong suốt cả thời gian có lượng chảy vào và không có lượng chảy vào trên bề mặt Do mô hình luôn giữ một số lượng liên tục về điều kiện bốc hơi nước của lưu vực sông nên nó quyết định những khả năng điều kiện ban đầu cho sự kiện dòng chảy Tuy nhiên, ở giai đoạn đầu, những điều kiện

ban đầu phải được biết hoặc tính toán Hầu hết tất cả các mô hình lưu vực sông liên tục sử dụng 3 yếu tố chảy vào: lượng chảy vào trực tiếp, dòng chảy dưới mặt đất (dòng chảy hòa lẫn) và dòng nước dưới đất, trong khi đó một mô hình biến cố có thể bỏ một hoặc cả hai thành phần dưới mặt đất và cả sự bay hơi của nước

Trong mô hình hoàn chỉnh hay một mô hình lưu vực sông tổng hợp, là mô hình trong đó dữ liệu chính nhập vào là sự lắng đọng và năng suất, đầu ra

là biểu đồ dòng chảy lưu vực sông Mô hình này chỉ nhiều hơn hoặc ít hơn các chi tiết về tất cả các quá trình thủy văn ảnh hưởng đáng kể tới dòng chảy

Một mô hình bộ phận là mô hình chỉ thể hiện một phần trong quá trình dòng chảy tổng thể Một mô hình sản lượng nước cung cấp lượng nước chảy vào chứ không có sự chảy thoát ra

Cũng rất hữu ích để nhận biết mô hình lưu vực sông băng 2 mô hình đó là: mô hình thông số khớp nhau và mô hình thông số chính xác Một mô hình thông số khớp nhau là mô hình trong đó có một hoặc nhiều hơn các tham số có thể tính toán được bằng cách khớp các biểu đồ trên máy tính và biểu đồ quan sát được Các tham số khớp nhau thường rất cần thiết trong trường hợp mô hình lưu vực sông khái niệm, có bất cứ mô hình yếu tố nào đúng với hầu hết các mô hình lưu vực sông đang được sử dụng Với một mô hình tham số khớp nhau, việc ghi chép lại dòng chảy trong một thời gian (thường là nhiều năm) là cần thiết để quyết định giá trị tham số cho một lưu vực sông đặc thù Nhìn chung mô hình tham số khớp chỉ có thể sử dụng với lưu vực sông thay thế, ngoại trừ một vài ứng dụng đặc biệt

Mặt khác một thông số chính xác, mặt khác là một mô hình trong đó các tham số được tính toán một cách hoàn chỉnh như những đặc điểm biết được của lưu vực sông hoặc bằng đo đạc; ví dụ: diện tích lưu vực sông và độ dài của kênh mương có thể tính toán từ bản đồ hiện tại Hai ví dụ về việc tính toán trực tiếp

có thể là những trường đo đạc mặt cắt ngang của lòng sông và những phép đo

đạc trong phòng thí nghiệm về đặc điểm của đất Độ gồ ghề của lòng sông cũng thường được xem xét Một mô hình tham số chính xác có thể ứng dụng được một cách tổng thể cho các lưu vực sông không thay thế, do đó, nó rất được ưa

thích Sự phát triển mô hình như vậy cũng sẽ được duy trì Tuy nhiên, có được

độ chính xác có thể chấp nhận được và khả năng thực hiện chúng, cũng là một việc rất khó Trên thực tế, đây là một mục tiêu chưa thể đạt tới

Các mô hình lưu vực sông cũng có thể chia thành mô hình chung và mô hình đặc biệt (mô hình dành cho mục đích đặc biệt) Mô hình chung là một mô hình có thể chấp nhận được các kiểu cỡ lưu vực sông khác nhau Mô hình này

có hoặc là thông số chính xác hoặc thông số khớp thể hiện một cách phù hợp các ảnh hưởng của những đặc điểm phong phú của lưu vực sông Thật không may, là rất khó để làm được điều này mà không áp dụng tới khái niệm mô hình con, trong đó các thông số đòi hỏi phải khớp nhau Một mô hình đặc biệt

có khả năng áp dụng cho một kiểu lưu vực sông điển hình về địa hình, địa thế hay đất sử dụng ví dụ một mô hình lượng chảy vào đô thị Thường thì các mô hình như vậy có để ứng dụng cho các kích cỡ lưu vực sông khác nhau, miễn là

đặc điểm của các lưu vực sông giống nhau

Các mô hình lưu vực sông hoặc các mô hình con đôi khi cũng được hiểu

là các mô hình phân bố hoặc mô hình khối Mô hình phân bố là một mô hình trong đó phạm vi sự thay đổi trong các đặc điểm lưu vực sông ví dụ: phù sa và

đất sử dụng có thể được dùng trực tiếp trong việc ứng dụng mô hình Trong một mô hình khối, không thể làm được điều này, và do đó các giá trị điển hình hoặc thông thường về độ dốc của đất, độ dài của dốc, đặc tính phù sa thường được sử dụng Dĩ nhiên các mô hình phân phối được ưa thích hơn, nhưng chúng phải trả thêm giá vì tính phức tạp của mô hình, và dữ liệu vào và quá trình thực hiện (trên máy tính đắt) Do vậy, hầu hết các mô hình lưu vực sông hiện nay là mô hình khối

Trên cơ sở này, chúng ta tiếp tục kiểm tra lại và so sánh các mô hình lưu vực sông thường được sử dụng Những mô hình được lựa chọn cho mục đích này tất cả đều là mô hình lưu vực sông hoàn chỉnh và mô hình lưu vực sông chung, nhưng khác nhau về các phương diện khác Ngoài ra, sự lựa chọn này cũng là một cái gì đó rất tự nhiên Ví dụ, có rất nhiều mô hình lưu vực sông của Australia (như mô hình Moore và Mein, 1976), nhưng không có mô hình nào trong số chúng được chọn ở đây

10.3 Mô hình lưu vực sông Stanford

Mô hình lưu vực sông Stanford đã được phát triển bởi Crawford và Linsley (1966) và thường được ca ngợi trong văn chương, là một trong những mô hình lưu vực sông tổng hợp đầu tiên Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu nguồn nước và đã trải qua vô số thay đổi, bổ sung và sửa

đổi Có thể được sự tu sửa mô hình nổi tiếng nhất là bản dịch mô hình này của Lentusky (Jame, 1970) các bản dịch khác cũng được tường trình bởi Ligon và cộng sự(1969), Claborn và Moore (1970), Ricca (1974) và một số tác giả khác

Mô hình STANFORD là một mô hình lưu vực sông hoàn chỉnh được sử dụng với mục đích ứng dụng cho tất cả các mô hình lưu vực sông ở mọi kiểu và kích cỡ Nó là một mô hình liên tục và thường được tiến hành trong thời gian hơn một năm Mô hình này sử dụng một số lượng các thông số khớp nhau và do

đó, đòi hỏi ghi chép nhiều năm về dòng chảy cho hầu hết các ứng dụng

Trong mô hình STANFORD, các quá trình thủy văn khác nhau được thể hiện một cách chính xác như các dòng chảy và các nguồn dự trữ (Hình 10.1) Nhìn chung, mỗi dòng chảy là một lượng nước thoát ra từ nguồn dự trữ, thường

được xác định là chức năng của trữ lượng dự trữ dòng chảy và những đặc điểm

tự nhiên của hệ thống con Do đó, mô hình tổng thể được đặt nền tảng một cách

tự nhiên, mặc dù rất dòng chảy và nguồn dự trữ nước được thể một cách đơn giản Mặc dù điều này đòi hỏi phải sử dụng các thông số khớp nhau, nhưng nó

có lợi thế là không phải đưa ra những thừa số cơ học và các đặc điểm cơ học của

hệ thống dòng chảy Điều này làm giảm đáng kể yêu cầu dữ liệu nhập vào và quan trọng hơn là cho mô hình tính phổ biến

Mô hình này sử dụng nhiều nguồn nước dự trữ bề mặt và dưới mặt đất khác nhau, trong một số trường hợp không được xác định một cách rõ ràng ví dụ: Nguồn dự trữ ở tầng dưới thể hiện nguồn dự trữ độ ẩm thổ nhưỡng đều không được xác định rõ Thay vào đó, một thông số khớp được sử dụng là chỉ số của nguồn nước dự trữ trong vùng và nguồn dự trữ dòng chảy LZS thay đổi một cách rộng rãi theo thời gian từ một giá trị thấp tới một số lượng lớn trên LZSN Tương tự như vậy, ở tầng trên một thông số UZSN và một LKSN ở trên cũng được sử dụng Tất cả lượng mưa và tuyết tan (trừ những vùng không được

thấm nước) đều trong giới hạn, nguồn dự trữ hạn chế trong khu vực cao bao gồm sự ngăn cản và nguồn dự trữ trũng Do đó, trong khu vực cao bao gồm sự ngăn cản và nguồn dự trữ mặt đất hoặc sử thẩm thấu tới những vùng thấp (ngoại trừ sự mất nước nhỏ)

Một đặc điểm dễ nhận thấy của mô hình STANFORD, đó là sự thẩm thấu, sự chảy hòa, và ET thì thay đổi vượt qua phạm vi diện tích lưu vực sông một cách tự nhiên Khả năng thẩm thấu được giả thiết tuyến tính, là phân phối khắp diện tích lưu vực sông từ 0 cho tới giá trị tối đa: fp (Hình 10.2) Một phần của giá trị này fr, được giữ lại trong đất, phần còn lại trở thành dòng chảy hòa lẫn Cả fp và fr đều là tạm thời, mỗi sự thay đổi (một cách khác nhau) với dung lượng nước tương ứng của tầng dưới LZS hoặc LZSN, đều theo một mối quan hệ thực nghiệm cố định

Mưa từng giờ Bốc thoát hơi

hàng ngày Tuyết

Diện tích không thấm

Sự giữ nước

bề mặt

Dòng chảy tràn

Vùng chứa phía trên

Dòng chảy ngầm

Vùng chứa phía dưới

Vận chuyển và chuyển hoá

trong kênh

Vùng chứa nước ngầm

Dòng chảy vào kênh Dòng chảy ra của

tổng hợp

Hình 10.1 Dạng chung của mô hình lưu vực sông STANFORD, chỉ ra nguồn dự trữ và dòng

chảy chính (biến đổi Orawford và Linsley; 1966)

Những mối quan hệ tương tự được dùng để tính ET thực tế từ ET tiềm

ẩn, điều này phải dựa vào giá trị sự bay hơi của hồ hoặc các dữ liệu vào khác

Mô hình này có 3 dòng chảy vào khác nhau tới một hệ thống (Hình 10.1) Trong mỗi trường hợp, số lượng liên quan của dòng chảy trải qua 1 thời gian thay đổi phù hợp với một thông số kiểm soát dòng chảy vào nguồn dự trữ tương ứng

Hình 10.2: Lược đồ của sự phân bố diện tích cho mô hình còn thấm nước và dòng chảy

hòa, Mô hình LVS STANFORD IV

Đến phần trữ vùng dưới thấp

Tỷ lệ phần trăm giữa diện tích và tốc độ ≤

Những thông số khác kiểm soát giới hạn dòng chảy ra (kênh dẫn vào) gồm 2 bước Bước đầu tiên, một bản đồ thống kê vùng giới hạn được sử dụng để chỉ ra những ảnh hưởng của thời gian vận chuyển từ các phần khác nhau của lưu vực sông và các vùng liên quan Bước thứ hai, một nguồn nước tự nhiên ở lưu vực của sông chỉ ra những tác động của kênh dự trữ Trong công việc ấn

định của mô hình, các thông số khớp được sử dụng cho dòng chảy hòa lẫn, dòng chảy mặt đất và hồ chứa nước tự nhiên và chương trình con tính tuyết tan,

được phát triển bởi Anderson và Crawford (1964) là một sự bổ sung chính vào mô hình STANFORD Nó sử dụng dữ liệu nhiệt độ hàng ngày và một số các thông số, trong đó có thể được tính toán một vài thông số khác được khớp với nhau, một bổ sung khác đó là đất phù sa được phát triển bởi Negev (1967)

Dữ liệu vào chủ yếu của mô hình STANFORD bao gồm sự bay hơi hàng giờ và hàng ngày, và nhiệt độ nhỏ nhất và lớn nhất hàng ngày (chỉ cho lượng tuyết tan) Nhiều trạm đo mưa cũng có thể được sử dụng để tăng mức độ chính xác, 1 (hoặc nhiều hơn) trong số chúng phải là dữ liệu hàng giờ Sự bốc hơi tiềm

ẩn có thể được nhập vào một cách trực tiếp hoặc trong là sự bốc hơi của hồ trên cơ sở hàng ngày hoặc nửa ngày Nếu sẵn có dòng sông được quan sát hàng ngày

được nhập vào để so sánh với giá trị tính toán Các thông số đưa vào bao gồm

đất khác nhau, đặc điểm mô hình lưu vực sông và giá trị thử nghiệm của các thông số khớp Mô hình thay đổi IV (Crawford và Linsley, 1966) có 16 loại đất

bề mặt, hệ thống kênh và các thông số nước dưới mặt đất trong đó 12 thông số

là thông số khớp nhau Sử dụng mô hình thay đổi có họ Herrycks (1975) đã liệt

kê 9 thông số chính xác (những đặc điểm lưu vực sông), 6 thông số được tính toán từ ghi chép lịch sử và 8 thông số được tính toán bằng thử nghiệm và sai

số, cộng với 6 điều kiện bốc hơi căn bản

Trong việc ứng dụng mô hình Stanford vào lưu vực sông với một số lượng trạm đo mưa rào, lưu vực sông thường được chia thành hai khu vực nhỏ Mỗi khu vực nhỏ cần một bản ghi chép trạm đo mưa Dĩ nhiên, điều này làm tăng độ tin cậy của chính xác của mô tả, do lưu vực sông cỡ trung bình và cỡ rộng theo Crawford và Linskey (1966) Lợi ích của một dữ liệu về sự thẩm thấu tốt là một yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chính xác của mô phỏng Nghiên cứu của Herrycks (1975) chỉ ra hạn chế này của việc ứng dụng mô hình

Trong hầu hết các trường hợp dữ liệu quan sát được trong 4 hoặc 5 năm thì đầy đủ hơn cho khớp mô hình STANFORD đã phát triển một phương pháp thông số khả quan cho phương án Kentruky của mô hình Stanford và phương pháp này đã được Shanhollz và Carr sử dụng (1975) Tuy nhiên, thử nghiệm hầu hết người sử dụng khớp mô hình bằng cách làm một loạt thăm dò về dòng

Điều này có thể thực hiện được vì những ảnh hưởng của thông số khớp nhau chính (khoảng 7) là một phạm vi rộng và riêng rẽ, ví dụ hơi nước Khối lượng mưa thay đổi được kiểm soát chủ yếu bởi tham số thẩm thấu và tham số dòng chảy hòa lẫn v.v… khi dung lượng chảy vào gần đúng thì tỉ lệ thông số dòng chảy có thể sẽ khớp nhau Tuy nhiên, nhiều thử nghiệm dòng cũng cần đến để hoàn thành quá trình khớp trừ phi giá trị thông số căn bản đã được lựa chọn

một cách cẩn thận Gawford và Linsley (1966) đã chỉ ra sự quan trọng của việc các thông số chính (tham số khoá) thay đổi từ lưu vực sông này sang lưu vực sông khác, và cũng đưa ra hướng dẫn trong việc chọn lựa giá trị cơ bản của chúng Shanholz và Carr (1975) sử dụng bản thay đổi mô hình của Kentuaky,

đã nghiên cứu tính ổn định của thông số, sự lựa chọn thông số tiêu chuẩn và tính chất của mô hình cho thông số chuẩn

Bảng 10.1 Một số ứng dụng của mô hình LVS Stanford của Crawford và Linskey

Sông suối và vị trí Diện

tích xấp

xỉ

Số vùng con

Dòng chảy hàng năm

Số năm mô

phỏng

Hệ số tương quan dòng chảy ngày

trong thời gian kéo dài 20 năm, sử dụng 5 năm dài cho việc khớp các thông số

(bảng 10.2) Kết quả cũng khá khả quan nhưng chỉ ra rằng lưu vực đỉnh lũ bị

biến dạng kém chính xác hơn các tỉ lệ lưu lượng khác và dung tích chảy vào

Có thể ứng dụng mô hình lưu vực sông STANFORD cho lưu vực sông

thay đổi nhưng trong một số trường hợp thì không chắc chắn

Herrick và đồng nghiệp, (1975) đã ứng dụng mô hình này cho các lưu

vực sông nhỏ không thay đổi, bằng cách sử dụng các thông số đạt được do khớp

mô hình với lưu vực sông thay đổi bên cạnh Ross (170) và Magette và đồng

nghiệp (1976) đã có rất nhiều nỗ lực với thông số chính liên quan tới các đặc

điểm lưu vực sông có thể đo được bằng cách thực nghiệm Kentucky bản sửa đổi

Kentucky của mô hình Stanford cũng đã được sử dụng trong cả 2 trường hợp

Mặc dù một số thông số đã được dự đoán một cách chính xác, vẫn cần nỗ lực

đáng kể hơn để đạt được mục tiêu phổ biến thông số mô hình

Bảng 10.2 Kết quả mô hình Stanford III VS Observed values for Dry CR Near Cloverdale * ,

CA, 1944-1963 (Larson, 1965)

Số của trường hợp Độ lệch trung bình Tỷ số trung bình:

mô hình/quan trắc Phần trăm

thể tích dòng chảy

của mưa

39 13.8 1.04

Có thể hầu hết các ứng dụng chung của mô hình lưu vực sông Stanford

đã đạt được biểu đồ thủy văn cho những sự kiện mưa bất thường để mở rộng

ghi chép dòng chảy một cách đầy đủ cho các phân tích thủy văn Mặc dù các

thông số khớp nhau là đáng tin cậy, trong những trường hợp nhất định mô

hình có thể sử dụng trong việc nghiên cứu các tác động của biến lưu vực sông

đã được biến đổi, ví dụ như các mô hình của Jame (1965) Fleming (1971) Heru

và cộng sự (1975) Tuy nhiên nhìn chung về các mô hình thông số chính xác,

nếu sẵn có, thì sẽ phù hợp hơn cho việc nghiên cứu những tác động đó (Larson, 1973)

10.4 Mô hình Usda hl-74 & Mô hình lưu vực sông

Mô hình USDA HL và mô hình lưu vực (Holtan và cộng sự , 1977) có mục đích đặc biệt cho các lưu vực sông và lưu vực nông nghiệp nhỏ, nhưng cũng được sử dụng cho các kiểu lưu vực sông khác nhau Sự phát triển mô hình

được bắt đầu từ đầu những năm 1960, với sự giới thiệu của chức năng thẩm thấu của Holtan (Holtan, 1961 - 1965) Mô hình thay đổi đầu tiên là USDA HL-70 đã được các tường trình bởi Holtan và Lope năm 1971 Mô hình này

được bỏ qua sự tinh lọc, bao gồm một loạt sự thể hiện thực nghiệm hoặc lựa chọn mô hình con để cung cấp một bảng phân loại biến thiên thủy văn từ đầu lưu vực sông đến cửa sông

Mô hình USDA HL-74 có thể xếp phân loại là mô hình hoàn chỉnh vì nó xem xét toàn bộ vòng tuần hoàn thủy văn của một lưu vực sông Cũng có thể phân loại cho mô hình là một mô hình liên tục vì trong mô hình này tái tạo các quá trình thủy văn xảy ra giữa những trận mưa Nó cũng là một mô hình chung thiết kế để tái tạo những tác động của thủy văn nào vào nông nghiệp

Điều này đòi hỏi những ghi chép dòng chảy hiện hữu cho sự tính toán là hệ tính đo lường trong điều kiện lý tưởng của dòng kênh và các chế độ dòng chảy dưới mặt đất

Trong việc ứng dụng mô hình USADHL-74, đất của lưu vực sông được phân loại bằng độ dài các lớp đất để tạo nên những vùng thủy văn tương ứng,

được coi là những đơn vị cơ bản của mọi sự tính toán, 3 vùng thể hiện độ cao tự nhiên liên tiếp đó là đất vùng cao, sườn đồi và đáy thung lũng cũng được sử dụng sự nối tiếp này hướng tới việc liên kết các vùng của các đặc điểm của đất phù sa và đất sử dụng

Cấu trúc chung của mô hình dòng chảy được thể hiện ở hình 10.3 Sự thẩm thấu vào cho toàn bộ lưu vực sông bao gồm một sự ghi chép liên tục của lượng mưa và tuyết rơi Giá trị trọng lượng sẽ được sử dụng nếu có những hơn một trạm khí tượng Lượng mưa rơi có thể được kiểm soát trong các khoảng

thời gian đều đặn hoặc bằng bảng liệt kê điểm gẫy Bất cứ sự tích tụ đất bị phân tán (như lượng tuyết chảy hàng ngày) trong một vùng như sau:

trong đó:

MELT = lượng tuyết tan điểm ẩn hàng ngày trong vùng

T = nhiệt độ không khí trung bình hàng tuần

THAW = nhiệt độ tuyết bắt đầu chảy

VEG = mật độ cây

C = 1 hệ số (0,15 đối với bề dày tính theo inch và nhiệt độ khác)

C = 1 hệ số (0,15 đối với bề dày tính theo inch)

Khả năng thẩm thấu trong mô hình được tính trong phương trình sau (Holtan, 1961)

c 4 1

GIaS

trong đó:

f: khả năng thẩm thấu (bề dày/thời gian)

GI: chỉ số tăng trưởng của cây cối

a: chỉ số của bề mặt liên kết với khe hở

Sa: nguồn dự trữ sẵn có (tự nhiên) lớp bề mặt

fc: Tốc độ thấm không đổi sau thời kì ẩm ướt kéo dài (độ dày/thòi gian)

a là một thông số thực vật và GI được sử dụng là một từ bổ nghĩa theo mùa của

“a” Lúc đầu Sa được lấy từ các điều kiện ẩm ướt ban đầu và tổng số đất xốp Giá trị fc có thể được là giá trị tính toán hoặc giá trị phổ biến của Musgrave (1955) Trong phương trình [10.2], khả năng thẩm thấu phụ thuộc vào các khoảng trống trong đất, những khoảng trống này được giảm bớt khi sự thẩm thấu xảy ra và được bởi sự bốc hơi và tưới tiêu nước Nguồn dự trữ trũng cũng

có thể được xem xét trong phương pháp này Sự lắng đọng hay sự tan của tuyết

vượt quá khả năng thẩm thấu là không thể tránh khỏi khi có chuyển dịch từ khu vực này tới khu vực khác trong lưu vực sông

Hình 10.3 Cấu trúc tổng quát của mô hình lưu vực sông USDA HL - 74

(biến đổi từ Holtan và nnk., 1975)

Giáng thuỷ Mưa Tuyết

Tuyết tan

Tích luỹ

Thấm Lớp

đất

1 Bốc thoát hơi Sự thoát nước

Lớp

đất

2

Dòng chảy sát dưới mặt

Sự thoát nước

Lớp

đất

3 Nạp lại nước ngầm

Tích luỹ nước ngầm

Dòng chảy cơ bản

Lưới sông Tích trữ ở tầng sâu

Dòng chảy

Trên đường chảy tới kênh, phần lắng đọng thừa sẽ chảy xuống dốc của mỗi khu vực đất

Và

trong đó:

Pe = lượng thẩm thấu vượt giới hạn (bề dày/thời gian)

Qo = lượng nước chảy thoát (bề dày/thời gian)

∆D = sự gia tăng của độ sâu dòng chảy

qo = tốc độ chuyển động của dòng chảy trên bề mặt (độ sâu/thời gian) ova = hệ số gồ gề

Hệ số gồ ghề có thể được tính từ mật độ thực vật, độ dốc và chiều dài dòng chảy như đã chỉ ra bởi Holtan và cộng sự (1975)

Các kênh dẫn nước và dòng chảy tỷ lệ quay lại dưới mặt đất được sử dụng một chức năng dòng chảy thoát sự mất đi

trong đó

qo = dòng chảy vào lúc bắt đầu thời gian gia tăng (độ sâu/thời gian tốc độ chuyển động)

qt = tốc độ chuyển động dòng chảy sau thời gian gia tăng

t = thời gian gia tăng (thời gian)

m = hệ số dịch chuyển (thời gian)

Các hệ số dự trữ cho mỗi chế độ dòng chảy lấy được từ việc sử dụng một phương pháp trong đó các chế độ dòng chảy liên tiếp được thể hiện bằng các

đoạn tuyến tính của một họa đồ của biểu đồ nước rút (Onstad và Jamienson, 1968) Các bước thời gian cho phép kéo lên của các bản đồ thủy văn được xác

định bằng sự phân bố lắng đọng

Các chế độ dòng chảy dưới mặt đất được xem xét để điều chỉnh, sự rò rỉ (do thấm qua) từ một chế độ được đưa ra là dòng chảy vào tới chế độ tiếp theo

và cứ như vậy (Hình 10.3) Sự rò rỉ được đánh giá là một chức năng của lượng nước trọng lực hiện tại tại mỗi thời gian gia tăng và phải được thay đổi phù hợp

để cung cấp tốc độ dòng chảy tối đa đã trải qua trong chế độ tiếp theo

Đối với cây cối ở giai đoạn tăng trưởng trên, sự bốc hơi tiềm ẩn (PET)

được tính từ tất cả sự bay hơi sử dụng một hệ số và một chỉ số tăng trưởng của cây cối (GI) Phần sau phụ thuộc vào nhiệt độ chủ yếu của tăng trưởng cây cối

và phản ảnh số lượng lá cây hoặc giai đoạn tăng trưởng vì nó liên quan tới sự hô hấp Do đó:

G: nước trọng lực

Sản lượng của mô hình có thể xắp xếp từ các giá trị hàng tháng tới biểu

đồ dòng chảy trên mặt đất cho một trận mưa Gần đây, đầu ra về thời gian

được thêm vào để chỉ trạng thái hàng ngày của độ ẩm đất và trị giá tăng của sự chuyển động nước trong mỗi tầng của mỗi vùng lưu vực sông

Các kết quả giá trị dòng chảy thoát hàng tháng được thể hiện ở bảng 10.3 cho 4 lưu vực sông ở các vùng địa lý khác nhau Những kết quả giới hạn này dường như chỉ ra rằng sản lượng nước hàng tháng được dự đoán chính xác hơn là trong khí hậu ẩm

10.4 Mô hình lưu vực sông SCS TR-20

Mô hình lưu vực sông TR-20 được phát triển năm 1964 và được Trung tâm bảo vệ đất trồng đề xuất trong việc thiết kế và xây dựng dự án, dịch vụ bảo vệ đất trồng, (1965) Đối với những trận bão riêng rẽ, mô hình quyết định lưu lượng đỉnh thời gian xảy ra và mực nước chảy trên bề mặt Nó cũng cung cấp những bản đồ hoàn chỉnh khi cần thiết Lưu vực nước tại các địa điểm lựa chọn có thể được tính với sự liên kết các nguồn nước tự nhiên và sự thay đổi các kênh hoặc không

Bảng 10.3 Tóm tắt kết quả một vài ứng dụng của mô hình lưu vực sông USDA HL - 74,

1956 - 1964 (Holtan và cộng sự, 1975)

Số tháng

Dòng chảy t.bình tháng

Sai số tiêu chuẩn

14,5 5,3 14,5 6,6

59

78

42

76

Mô hình này được sử dụng rộng rãi bởi SCS và các dịch vụ khác trong việc lập kế hoạch và thiết kế các dự án lưu vực sông nhỏ, và trong việc nghiên cứu đồng bằng bãi bồi

TR - 20 có thể được phân loại thành một mô hình hoàn chỉnh kiểu biến

cố Nó là một mô hình chung, thông số chính xác, được áp dụng một cách dễ dàng cho hầu hết các lưu vực sông thành thị và nông nghiệp, bao gồm lưu vực sông không thay thế, chỉ sử dụng các thông số chính xác có thể đo được hoặc các thông số dữ liệu vào ước lượng Mô hình này sẵn có ở Sở giao dịch và thông tin kỹ thuật quốc gia

Cấu trúc chung hay sự sắp xếp của mô hình TR - 20 được thể hiện ở hình 10.4 Mô hình gồm 2 kiểu vận hành (thêm vào đầu vào và đầu ra)

a Các tính toán biểu đồ thủy văn

b điều khiển vận hành

Kiểu sau có thể đạt được, (đối với một lần tính máy) sản lượng cho sự liên kết các điều kiện mưa, bão và điều kiện lưu vực sông, bao gồm sự thay đổi trong số lượng hồ chứa nước tự nhiên, kích cỡ và địa điểm, trong đặc điểm kênh

và trong tập quán sử dụng đất Quy chế kiểm soát cho một trận bão đặc biệt riêng biệt có thể áp dụng cho một vùng nhỏ, một nhóm các vùng nhỏ kế tiếp hoặc toàn bộ lưu vực sông

Các tính toán bản đồ thủy văn bao gồm nhiều bước và nhiều thao tác nhỏ sẽ được tóm tắt Bước đầu tiên là tính toán biểu đồ lũ lụt (RUNOFF) của vùng phụ nhỏ từ dữ liệu lượng mưa Mô hình dòng chảy thoát SCS nổi tiếng có

sử dụng một số phương pháp để tính toán lượng mưa quá mức có tính chất thực nghiệm cho biểu đồ thủy văn đơn vị vô định đạt được biểu đồ thủy văn của các vùng nhỏ Số gộp (CN) của mỗi vùng nhỏ chưa đưa vào đất sử dụng, sự liên kết xếp đặt và điều kiện thủy văn, và nhóm đất trồng thủy văn, được đưa vào mô hình

Thao tác khác, RESVOR, định ra một biểu độ lũ qua một hồ chứa nước

tự nhiên hoặc kiểu vùng dự trữ nước khác bằng phương pháp nguồn dự trữ chờ dẫn (trung tâm bảo vệ đất trồng, 1972) Các hồ chứa có thể đặt nằm trên đập chính hoặc trên bất cứ nhánh nào ở bất cứ tổ hợp nào