Trong cuốn sách giáo sư đã trình bày một cách hệ thống các dạng mô hình mưa-dòng chảy từ các quan hệ kinh nghiệm dựa trên số liệu đến hệ thống các phương trình vật lý mô phỏng quá trình
Trang 1Keith j beven
Mô hình hoá mưa-dòng chảy
Phần cơ sở
Biên dịch: Nguyễn Hữu Khải
Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội
Trang 2Rainfall-Runoff Modelling
The Prime
Keith J Beven
Professor of hydrology and Fluid Dynamics
Lancaster University, UE
John Wiley & Son, LTD
Chichester New York Weinheim Bisbane Singapore Toronto
Trang 3Copyright 2001 by John Wiley & Sons Ltd,
Baffias Laae, Chichester, West Sassex PO19 IUD, England National 01234 779777
e-mail (for orders and Customer service enquiries): cs-book@wiley.co.uk
Visit our Home Pace on http://www.wiley.co.uk
Or http://www.wiley.com
K J beven has asserted his right under the Copyright, Designs and Patents Act 1988, tobe identified as author of this work
All Rights Reserved No part of this pablication may be reproduced Stored in a retrieval system, or transmitted, in any form of by any means, electronic, mechanical photocopying, recording, scanning ot otherwise, exept under the terms of the Copyright Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a lycence issued by the Copyright Licesing Agency 90
Tottenham Court Road, London, WIPSHE, UK, without the permission in writing of the Publisher and the copyright holder
Other Wiley Editorial Offices
John Wiley & Son, lnc 605 Third Avenue,
New York, NY 10158-0012 USA
WILEY-VCH Verlag GmbH Pappelallee 3,
D-69469 Weinh, Germany
John Wiley & Sons Australia, Ltd, 33 Park Road Milton,
Qeensland 4064, Australia
John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, Clementi Loop #02-01
Jin Xing Distripark, Singapore 129809
John Wiley & Sons (Canada) Ltd, 22 Worcester Road,
Rexdale, Ontario M9W 1L1, Canada
Library of congress cataloguing-in-publication Data
Beven K J
Rainfall-Runoff modelling: the primer/Keith J beven
p.cm
Includes bibliographical referances (p, )
ISBN 0-471-98553-8 (alk, paper)
1 Runoff-Mathematical modals 2 Rain and rainfall-Mathematical models 1 Tilele GB980 B48 2000
551,48’8-dc21
004143340
Bristish Library Cataloguing in Publication Data
A catalogue record for this book is available from the British Library
ISBN 0-471-98553-8
Typeset in 10/12pt Times from the author’s dishs by Laser Works Madras India
Printed and bound in Great Britain by Bookcraft (bath) Ltd Midsomer Norton
This book is printed on aicd-free paper responsibly manufacture from sustainable forestry in which at least two trees are planted for each one used for paper production
Trang 4Lời dẫn
Keith J Beven là Giáo sư của Trường đại học Tổng hợp Lancaster Vương quốc Anh Ông là một chuyên gia rất có uy tín và có rất nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ văn và động lực học chất lỏng Nhiều tác phẩm của ông được đón đọc và dịch ra ở nhiều nước trên thế giới Chuyên khảo “Mô hình hoá mưa-dòng chảy” phần cơ sở (Rainfall-Runoff Modelling-The primer)” của ông được John Wiley & Sons xuất bản năm 2001 đã tổng hợp các khái niệm, các quan điểm nền tảng về mô hình hoá mưa-dòng chảy hiện nay và trong cả tương lai Trong cuốn sách giáo sư đã trình bày một cách hệ thống các dạng mô hình mưa-dòng chảy từ các quan hệ kinh nghiệm dựa trên số liệu đến hệ thống các phương trình vật lý mô phỏng quá trình hình thành và diễn toán dòng chảy từ mưa trên toàn lưu vực trong mô hình tập trung cũng như trên từng phần tử lưu vực trong mô hình phân bố Cuốn sách cũng đưa ra các quan điểm và phương pháp ước lượng thông số mô hình dựa trên khái niệm tương đương và đánh giá
độ bất định, độ nhạy cũng như rủi ro trong dự báo thuỷ văn, một vấn đề mà ở Việt Nam hiện nay chưa được quan tâm đầy đủ Cuốn sách đề cập đến vấn đề mô hình hoá dưới tác động của biến đổi khí hậu, khai thác sử dụng lưu vực cũng như phân tích các quan điểm lựa chọn mô hình cho các điều kiện lưu vực cụ thể Kèm theo là một giới thiệu về một số phần mềm rất có giá trị như mô hình phân bố TOPMODEL, phân tích bản đồ địa hình số DTM-ANALYSIS và đánh giá ước lượng và độ nhạy thông số GLUE
Cuốn sách rất hữu ích cho các nhà khoa học trong lĩnh vực thuỷ văn và động lực học chất lỏng, đặc biệt cho những chuyên gia về mô hình hoá thuỷ văn Cuốn sách cũng rất cần thiết cho các giáo viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên
đang học tập trong ngành thuỷ văn và các ngành khác có liên quan
Người biên dịch
Trang 5Mục lục
Lời dẫn .3
mục lục .4
Lời nói đầu 9
Chương 1 Trở về cơ bản: Quá trình dòng chảy và mô hình hoá quá trình 12
1.1 Tại sao lại mô hình hoá? 12
1.2 Sử dụng quyển sách này như thế nào? 13
1.3 Quá trình mô hình hoá 14
1.4 Các mô hình quan niệm của thuỷ văn lưu vực 17
1.5 Quá trình dòng chảy và các đặc tính địa hoá học 25
1.6 Sinh dòng chảy và diễn toán dòng chảy 27
1.7 Vấn đề chọn một mô hình quan niệm 27
1.8 Vấn đề hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 29
1.9 Các điểm khoá từ chương 1 33
Chương 2 Sự phát triển của mô hình mưa-dòng chảy: Quá trình chọn lọc tự nhiên 34
2.1 Điểm khởi đầu: Phương pháp tỷ số 34
2.2 Dự báo thực hành: Các hệ số dòng chảy và chuyển đổi thời gian 35
2.3 Sự biến đổi của đường đơn vị 41
2.4 Các mô hình máy tính số đầu tiên: Mô hình lưu vực Stanford và các phiên bản của nó 45
2.5 Các mô hình dựa trên diễn tả quá trình phân bố 49
2.6 Các mô hình phân bố đơn giản dựa trên các hàm phân bố 52
2.7 Sự phát triển gần đây: Trạng thái hiện thời của kỹ thuật là gì? 53
2.8 Các điểm khoá từ chương 2 53
Hộp 2.1 Tuyến tính, phi tuyến và dừng 54
Hộp 2.2 Mô hình Xinajiang/ Armo/ VIC 56
Trang 6Hộp 2.3 Dung tích kiểm tra và các phương trình vi phân 60
Chương 3 Số liệu cho mô hình hoá mưa-dòng chảy 62
3.1 Số liệu mưa 62
3.2 Số liệu lưu lượng 66
3.3 Số liệu khí tượng và ước lượng sự giữ lại và bốc thoát hơi 67
3.4 Số liệu khí tượng và ước lượng tuyến tan 72
3.5 Số liệu khí tượng phân bố trong lưu vực 73
3.6 Các biến thuỷ văn khác 73
3.7 Số liệu số hoá độ cao 74
3.8 Hệ thống thông tin địa lý và quản lý số liệu 77
3.9 Số liệu viễn thám 79
3.10 Các điểm khoá từ chương 3 80
Hộp 3.1 Phương trình liên kết Penman-Monteith và ước lượng cường độ bốc thoát hơi .81
Hộp 3.2 Ước lượng tổn thất giữ lại 85
Hộp 3.3 Ước lượng tuyết tan bằng phương pháp độ - ngày 88
Chương 4 Dự báo thuỷ đồ sử dụng các mô hình dựa trên số liệu .93
4.1 Số liệu sẵn có và mô hình kinh nghiệm 93
4.2 Phương pháp hồi quy kinh nghiệm 94
4.3 Các mô hình hàm chuyển đổi 96
4.4 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình DBM của lưu vực C16 ở Llym Briane, Wales.101 4.5 Phần mền TFM 104
4.6 Các hàm phi tuyến và chuyển đổi nhiều đầu vào 104
4.7 Suy diễn vật lý của hàm chuyển đổi 105
4.8 Sử dụng mô hình hàm chuyển đổi trong dự báo lũ 109
4.9 Mô hình mưa-dòng chảy kinh nghiệm dựa trên khái niệm mạng thần kinh 109
4.10 Các điểm khoá từ chương 4 111
Hộp 4.1 Mô hình hàm chuyển đổi tuyến tính 112
Hộp 4.2 Sử dụng hàm chuyển đổi cho lượng mưa hiệu quả suy diễn 117
Hộp 4.3 Ước lượng biến thời gian của thông số hàm chuyển đổi 119
Chương 5: dự báo thuỷ đồ sử dụng mô hình phân bố dựa trên sự diễn tả các quá trình 123
Trang 75.1 Cơ sở vật lý của các mô hình phân bố 123
5.2 Mô hình mưa-dòng chảy dựa trên vật lý quy mô lưu vực 132
5.3 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá các quá trình dòng chảy tại Reynolds Creek, và Idaho 138
5.4 Trường hợp nghiên cứu: Kiểm tra chứng mù của mô hình SHE trên lưu vực Rimbaud, Pháp 141
5.5 Các mô hình phân bố đơn giản hoá 143
5.6 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá sự phát sinh dòng chảy tại Walnut Gulch, Arizona .152
5.7 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá lưu vực R5 ở Chichasha, Oklahoma 155
5.8 Kiểm chứng hoặc đánh giá các mô hình phân bố 158
5.9 Thảo luận về các mô hình phân bố dựa trên các diễn tả quá trình 159
5.10 Các điểm khoá từ chương 5 160
Hộp 5.1 Các phương trình diễn tả cho dòng chảy sát mặt 161
Hộp 5.2 Ước lượng cường độ thấm ở bề mặt đất 163
Hộp 5.3 Giải phương trình vi phân đạo hàm riêng: Một số khái niệm cơ bản 169
Hộp 5.4 Các hàm đặc trưng độ ẩm đất sử dụng trong phương trình Richard 174
Hộp 5.5 Các hàm chuyển đổi thổ nhưỡng 179
Hộp 5.6 Các phương trình diễn tả dòng chảy mặt 181
Hộp 5.7 Đạo hàm phương trình sóng động học 185
Chương 6 Tương tự thuỷ văn và các mô hình Mưa-dòng chảy hàm phân bố 188
6.1 Tương tự thuỷ văn và các đơn vị phản ứng thuỷ văn 188
6.2 Mô hình phân bố xác suất độ ẩm 189
6.3 Các mô hình đơn vị phản ứng thuỷ văn .191
6.4 TOPMODEL 196
6.5 Trường hợp nghiên cứu: áp dụng TOPMODEL cho lưu vực Stacterbekker, Na Uy .205
6.6 TOPKAPI 209
6.7 Các điểm khoá từ chương 6 210
Hộp 6.1 Xem xét mô hình đường cong số SCS 211
Hộp 6.2 Lý thuyết nền tảng TOPMODEL 217
Chương 7 Ước lượng thông số và độ bất định dự báo 227
7.1 Ước lượng thông số và độ bất định dự báo 227
Trang 87.2 Phân tích độ nhạy và bề mặt phản ứng thông số 229
7.3 Độ đo hoạt động và độ đo hữu hiệu 234
7.4 Kỹ thuật tối ưu hoá tự động 237
7.5 Thừa nhận độ bất định trong các mô hình và số liệu: Phân tích độ tin cậy 239
7.6 Hiệu chỉnh mô hình sử dụng phương pháp lý thuyết tập hợp 241
7.7 Thừa nhận sự tương đương: Phương pháp GLUE 244
7.8 Trường hợp nghiên cứu: một ứng dụng của phương pháp GLUE trong mô hình hoá lưu vực Saeternlekken MINIPELT, Na Uy 250
7.9 Đối sử với sự tương đương trong mô hình mưa-dòng chảy 255
7.10 Độ bất định và độ rủi ro dự báo 257
7.11 Các điểm khoá từ chương 7 258
Hộp 7.1 Độ hữu hiệu cho việc sử dụng trong đánh giá mô hình 259
Hộp 7.2 Độ hữu hiệu kết hợp 264
Chương 8 Dự báo lũ lụt 267
8.1 Yêu cầu số liệu cho dự báo thời gian thực 268
8.2 Mô hình mưa-dòng chảy cho dự báo lũ 271
8.3 Mô hình ISO Lambert 273
8.4 Các mô hình hàm chuyển đổi thích nghi cho dự báo thời gian thực 274
8.5 Trường hợp nghiên cứu: Hệ thống dự báo thời gian thực cho thị trấn Dumfries 274 8.6 Phương pháp cho ngập lụt trong thời gian thực 277
8.7 Dự báo tần suất lũ sử dụng mô hình mưa-dòng chảy 278
8.8 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá đặc trưng tần suất lũ của lưu vực Wye, Wales 283
8.9 Ước lượng tần suất lũ bao gồm cả sự kiện tuyết tan 285
8.10 Tương tự thuỷ văn và ước lượng tần suất lũ 286
8.11 Các điểm khoá từ chương 8 287
Hộp 8.1 Ước lượng các thông số lợi ích thích nghi cho dự báo thời gian thực 287
Chương 9 Dự báo ảnh hưởng của những biến đổi 290
9.1 Dự báo tác động của thay đổi sử dụng đất 292
9.2 Trường hợp nghiên cứu: Dự báo tác động của hoả hoạn và khai thác rừng trong lưu vực cấp nước ở Melbourne 297
9.3 Dự báo tác động của biến đổi khí hậu 299
9.4 Trường hợp nghiên cứu: Mô hình hoá tác động của biến đổi khí hậu đến tần suất lũ ở lưu vực Wye 306
Trang 99.5 Các điển khoá từ chương 9 307
Chương 10 Trở lại vấn đề lựa chọn mô hình 309
10.1 Lựa chọn mô hình trong mô hình hóa mưa-dòng chảy như kiểm tra giả thiết 309
10.2 Giá trị của thông tin kỳ trước 312
10.3 Vấn đề lưu vực không được đo đạc 314
10.4 Thay đổi giá trị thông số và độ bất định dự báo 313
10.5 Độ bất định dự báo và kiểm chứng mô hình 316
10.6 Những bình luận cuối cùng: Một tương lai bất định? 317
Phụ lục A biểu diễn phần mềm 320
A.1 Tfm 320
A.2 topmodel 322
A.3 Phân tích dtm 324
A.4 glue 325
Phụ lục B Giải thích thuật ngữ 328
Tài liệu tham khảo 337
Trang 10Lời nói đầu
Những người mẫu đương nhiên là rất đẹp, và một người đàn ông sẽ thực sự hãnh diện khi được nhân ra trong nhóm của mình Nhưng bản thân họ cũng tiềm ẩn nhiều khiếm khuyết Quan trọng là họ đẹp không chỉ để ngắm mà chúng ta có thể sống hạnh phúc với họ không
Kaplan, 1964 Người ta quan niệm rằng thực trạng của mô hình nguồn nước cũng như một nền kinh tế đang trải qua nạn lạm phát -nghĩa là có quá nhiều mô hình được theo đuổi nhưng lại có quá ít được áp dụng, hay là có quá nhiều nhà mô hình theo đuổi quá ít ý tưởng Điều này cũng giống như in ra một lượng tiền quá lớn sẽ làm giảm giá trị của
đồng tiền Bởi vậy phải có một lượng tiền lớn được đầu tư bởi các nhà mô hình để bảo
đảm cho những bước tiếp theo trong công việc của họ
Robin Clark, 1974
Có một vấn đề cơ bản trong nghiên cứu hệ thống thủy văn là hầu hết các hoạt
động diễn ra dưới đất Mặc dù tất cả các tiến bộ kỹ thuật đã được ứng dụng như viễn thám, rađa và các kỹ thuật khác vào việc thăm dò bề mặt, các kiến thức của chúng ta
về cái gì đang diễn ra trong lòng đất vẫn còn rất hạn chế Những gì chúng ta biết từ các nghiên cứu chuyển động nước trong đất và đá trong phòng thí nghiệm và cả bãi thực nghiệm nhỏ chỉ nói lên rằng các dạng chuyển động của nước là rất phức tạp và biến đổi theo quy luật phi tuyến với tỷ lệ tùy ý dòng chảy và độ ẩm ướt Từ quan điểm mô hình hóa mưa-dòng chảy ở phạm vi thực tế (các lưu vực vừa đến lớn), vì sự phức tạp này mà chúng ta không hy vọng có thể tái tạo lại toàn bộ chi tiết quá trình dòng chảy, tạo ra thủy đồ dòng chảy: quá nhiều phức tạp và không thể hiểu biết với kỹ thuật đo đạc hiện nay ở mức độ đó không có khả năng mô hình hoá mưa-dòng chảy
Điều này không ngăn cản nhiều nhà thủy văn học khác, nhóm các nhà thủy văn
và các viện thực nghiệm thủy văn phát triển mô hình mưa-dòng chảy Cụm từ “dư thừa” xuất hiện, mặc dù nhiều lần trong công việc của mình, bản thân đã gặp rắc rối trong việc phát triển và kiểm tra, thử nghiệm nhiều mô hình khác nhau bằng nhiều cách khác nhau, nhưng vẫn làm việc hết sức mình Cuốn sách này không hy vọng liệt
kê tất cả các mô hình mưa-dòng chảy cho đến nay và xin lỗi tất cả các nhà mô hình vì mô hình của họ chỉ được trình bày vắn tắt hoặc không đầy đủ Bây giờ hầu như không
có khả năng cho bất kỳ cá nhân nào nhận biết tất cả các mô hình được đăng tải trong các sách báo, chỉ thuần tuý biết một số trong khuôn khổ lịch sử của các khởi đầu khác
Trang 11nhau Đã tiến hành thống kê một danh sách các mô hình sẵn có đã sưu tầm trong vòng hơn 20 năm trước đây (đã thống kê trong luận án Tiến sĩ) Do đó, thay cho việc phác thảo hầu hết các đề tài đáng quan tâm đang được khảo sát hiện nay, cố gắng cải tiến khả năng dự báo thủy văn khi phản ánh hoàn cảnh lịch sử của đối tượng Điều đó
có nghĩa là người đọc sẽ tìm thấy rất ít dạng mô hình lượng trữ nhận thức được bắt
đầu trong suốt những năm 1960 và vẫn dùng rộng rãi hiện nay, cũng sẽ không tìm thấy nhiều mô hình cân bằng nước theo tháng Hy vọng người đọc sẽ nhận thấy rằng
đây là một cuốn sách hướng tới tương lai Dù vậy cuốn sách có thể chỉ mô tả một cách lướt nhanh quá trình đã làm, thậm chí chỉ là một vài điểm nhấn đâu đó Hoạt động mô hình hoá mưa-dòng chảy đã trở thành một hoạt động chính của các nhà thủy văn trên thế giới giống như Robin Clarke đã làm điều tương tự với đối tượng kinh tế trong
kỳ lạm phát 25 năm trước đây Ngày nay số thư mục để báo cáo tiến bộ trong lĩnh vực này là rất lớn Để cung cấp một cái nhìn tổng quan của các tài liệu ở mức hoàn hảo là không có khả năng, nhưng tôi hy vọng cố gắng cung cấp các tài liệu tham khảo trong các tạp chí gần đây và trước đây để người đọc nghiên cứu nhiều hơn các tài liệu cần thiết
Vẫn cần sự tiếp tục và tầm quan trọng của việc mô hình hoá mưa-dòng chảy cho những vấn đề thực tế của quản lý tài nguyên nước, dự báo lũ, thiết kế kênh, quản lý
ảnh hưởng của các chi lưu trong chất lượng nước, dự báo tai nạn nhiễm bẩn và nhiều mục đích khác May thay tình hình thiếu khả năng dự báo chi tiết của đường đi dòng chảy không hoàn toàn đáng sợ như đã nêu Với nhiều mục đích thực tế chúng ta không cần chi tiết quá trong sự phát triển một mô hình dự báo Hơn nữa nhiều mô hình mưa-dòng chảy thành công lại tương đối đơn giản Cuốn sách này dự định như một lời giới thiệu các mô hình mưa-dòng chảy gần đây dùng để tiến hành dự báo Điều này sẽ
được thực hiện, tuy nhiên, trong khung cảnh là việc không có khả năng dự báo chi tiết quá trình dòng chảy, phải nhất thiết có nghĩa là tất cả các mô hình mưa-dòng chảy chỉ
có thể mô tả rất gần đúng quá trình mưa-dòng chảy và như vậy phải được coi là dự báo không chắc chắn
Như vậy toàn bộ các phần của cuốn sách này dành cho sự phân tích tính bất định của dự báo Điều này có thể được coi là một chủ đề ưu tiên Quan điểm chính là cần hiểu sự bất định trong môi trường thực hiện mô hình hoá, và do đó bằng cách sử dụng mô hình Monte-Carlo hiện đại, ước lượng độ bất định có thể được giới thiệu trong dạng rất đơn giản Như vậy, đánh giá bất định hướng trực tiếp tới việc đánh giá rủi ro trong việc ra quyết định và trong hầu hết các trường hợp thực tế, mô hình mưa-dòng chảy chính xác để đưa ra quyết định Có phải dự báo lũ được khẳng định là dự báo mực nước 6h sau? Lượng trữ kênh vượt tràn hồ chứa để đối phó với lũ xảy ra 50 năm một lần là gì? Giới hạn về kiến thức thủy văn của chúng ta dẫn tới quyết định phải nằm trong khuôn khổ đánh giá rủi ro, công nhận sự bất định trong dự báo của chúng ta
Hy vọng rằng sự hiểu biết tư liệu ở quyển sách này kể cả phần về đánh giá bất