Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 9 pptx

Không có nghi ngờ gì rằng sự thay đổi trên phạm vi toàn cầu hoặc địa phương sẽ có ảnh hưởng trở lại đến các quá trình của thuỷ văn trong thế kỉ mới, nhưng vấn đề là làm thế nào để dự báo

Chương 9

Dự báo ảnh hưởng của những biến đổi

Ngày nay, xây dựng mô hình đã trở thành một xu hướng ”thể thao trong nhà”

hợp thời trang

Ludvvig Von Bertalanffy (1967)

Ai kiểm soát tương lai của mô hình quy mô toàn cầu sẽ kiểm soát tương lai thuỷ văn học

Peter Eagleson (1986)

Dự báo thuỷ văn có tính đến những ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng và sử dụng đất chắc chắn là môn thể thao trong nhà đúng mốt thời trang Sự quan tâm về tác động của sự nóng lên của trái đất, chặt phá rừng và những thay đổi khác được tăng lên do những hiểu biết xã hội và chính trị về hiệu ứng nhà kính, lỗ thủng tầng

Ôzôn ở Nam cực, hiện tượng El Nino, những ảnh vệ tinh của những đám cháy và cháy rừng ở Amazonia, và những đòi hỏi bức thiết về nước sạch do sự gia tăng nhanh chóng của dân số thế giới Mô hình dự báo thuỷ văn mới chỉ đóng góp một phần rất nhỏ trong

hệ thống Khí quyển-Đại dương-Trái đất đang được sử dụng để dự báo những thay đổi trong thế kỉ mới Tuy nhiên những mô hình dự báo thuỷ văn không phải là vô nghĩa Mô hình tuần hoàn trái đất (GCMs) được biết đến là khá nhạy để mô tả các vấn đề thuỷ văn của bề mặt đất Không có nghi ngờ gì rằng sự thay đổi trên phạm vi toàn cầu hoặc địa phương sẽ có ảnh hưởng trở lại đến các quá trình của thuỷ văn trong thế kỉ mới, nhưng vấn đề là làm thế nào để dự báo tốt nhất liệu các tác động này có ý nghĩa khi mà hệ thống thuỷ văn là đối tượng của nhiều biến đổi tự nhiên

Khả năng của chúng ta để dự báo cho tương lai là có giới hạn, thậm chí nếu chúng

ta có các mô hình thuỷ văn hoàn hảo (điều mà như đã nói trước đây, chúng ta đã không làm) ở quy mô địa phương hay lưu vực luôn tồn tại giới hạn do chúng ta thiếu hiểu biết chính xác về những điều kiện biên và bổ trợ sẽ là gì trong tương lai, trong cả

đầu vào cưỡng bức và bất cứ thay đổi nào của giá trị thông số ảnh hưởng Trên quy mô toàn cầu, có giới hạn do độ phân giải lưới của mô hình quy mô toàn cầu rút ra từ những hạn chế tính toán và những khó khăn của việc hình thành các mô tả thực tế của quá trình ở quy mô nhỏ hơn lưới

Dưới đây, như với mô hình của phản ứng thuỷ văn học hiện đại, những dự báo của chúng ta sẽ có khả năng thực hiện nhờ ước lượng sự bất định của những tác động của

sự thay đổi hoặc đưa vào cách khác độ rủi ro của việc xem xét mức độ chắc chắn của tác động lên đỉnh lũ, dòng chảy cực tiểu hoặc nguồn nước có thể dùng được trong tương

lai Chuyển độ bất định vào độ rủi ro tương lai có thể là một đóng góp giá trị đến quá trình ra quyết định Độ rủi ro là mặt dễ chấp nhận hơn độ bất định Thay vì dự báo bao quanh bởi những đám mây mù bất ổn định ta quyết định trở về bài toán có thể quản lý được là đánh giá độ rủi ro có thể chấp nhận Các thông tin cung cấp bằng mô phỏng thực chất cũng như vậy (xem mục 7.10)

Sự không hiểu biết về bản chất của những biến đổi tự nhiên của thuỷ văn còn rất nhiều trong các giai đoạn trước đây, do chuỗi tài liệu ngắn, và do đó rất khó để tìm ra những biến đổi đưa đến thay đổi bản chất của hệ thống thuỷ văn quy mô nhỏ mà nó có thể thực hiện được trong hầu hết các thí nghiệm sử dụng đất lưu vực bằng tay Đã có nhiều những nghiên cứu trình bày các dự báo về sự tác động của những biến đổi đến

dự báo thuỷ văn, nhưng cho đến bây giờ cũng không có ở đâu một dự báo quy mô lưu vực được làm trước khi một biến đổi sau đó được kiểm chứng Trên thực tế, việc thí nghiệm với những mô hình nước ngầm - nơi mà có rất nhiều những nghiên cứu sau kiểm định như thế, cũng không có triển vọng gì về phương diện này Hầu hết những

dự báo phản ứng nước ngầm đã chỉ ra là sai lầm (xem Konikov và Bredehoeft 1992 ) Kết quả là có những tranh luận tiếp tục về khả năng kiểm chứng những mô hình nước ngầm mà phần lớn trong đó có liên quan đến mô hình mưa–dòng chảy (ví dụ Oreskes

và nnk 1994 )

Một vấn đề chính trong dự báo những ảnh hưởng của sự biến đổi là ít nhất một số thông số của mô hình có thể thay đổi Điều này là trường hợp khá rõ ràng nếu có thay

đổi sử dụng đất, nhưng sự thay đổi cũng có thể bao gồm cả thay đổi đầu vào, như là kết quả của sự thay đổi khí hậu Ví dụ một vấn đề vẫn được tranh luận là khi nồng độ

CO2 trong khí quyển tăng lên sẽ làm cho mật độ khí khổng trên bề mặt lá cây giảm xuống, bởi vì cây có thể đạt được sự trao đổi CO2 cần thiết cho quang hợp có hiệu quả hơn Kết quả là sẽ tăng sức cản lớp phủ hiệu quả đưa đến quá trình tổn thất bốc thoát hơi nước nhỏ hơn, như là hậu quả của biến đổi khí hậu Việc tranh luận có vẻ hợp lý,

nó còn đựơc củng cố bởi những phép đo mật độ khí khổng ở một số loại cây trong bộ sưu tập lịch sử ở Kew Gardent Vương Quốc Anh, nhưng sẽ không rõ ràng nếu đây là phản ứng chung hoặc nhân tố có ý nghĩa trong phản ứng của cây đến biến đổi khí hậu

Do đó nói chung, nếu có một độ bất định liên kết với ước lượng các giá trị thông số của mô hình mưa-dòng chảy dưới điều kiện hiện thời, thì sự bất định có thể lớn hơn trong việc cố gắng ước lượng sự biến đổi của các thông số trong điều kiện thay đổi Đã

có một gợi ý từ lâu rằng một trong các nguyên nhân quan trọng nhất để phát triển một khả năng mô hình phân bố dựa vào quá trình là sự chính xác, mà ước lượng các biến số đó sẽ dễ dàng hơn (ví dụ như nghiên cứu của Abbott và nnk 1986, hay Ewen

và Parkin 1996; Dunn và Ferrier 1999 ) Cũng hiếm có những trường hợp toàn bộ lưu vực thay đổi đột ngột, những thay đổi về đặc trưng là chính xác hơn là diễn ra một cách từ từ và hoàn toàn địa phương Vì vậy mô hình phân bố theo không gian có ưu thế là nó có thể tính đến bất kỳ thay đổi nào của thông số mô hình trong tình huống không gian đúng đắn Một số mô hình bao gồm nhiều thành phần cố gắng miêu tả sự sinh trưởng của cây cối và tương tác với các quá trình thuỷ văn, ví dụ RHESSys của Band và nnk 1995; TOPOG – IRM của Dawes và nnk1997; MACAQUE của Watson và

nnk 1999)

ưu thế của mô hình dựa trên quá trình trong tình huống này vẫn được hỗ trợ rỗng rãi và cho lý do tốt vì chỉ có sự thay thế dường như được thử nghiệm và suy diễn về những biến đổi tiềm năng trong hàng loạt các thông số quy mô lưu vực như thời gian lưu giữ trung bình của hàm chuyển đổi, nó tích luỹcác ảnh hưởng của biến đổi đến sự thay đổi của quá trình tương tác Điều này làm xuất hiện nhiều khó khăn hơn là suy luận về tác động của các quá trình riêng biệt lên các thông số

Tuy nhiên sự tin tưởng này còn ít nhiều ngây thơ vì nó chưa được mô tả tương thích mà các thông số của các mô hình dựa trên quá trình có thể được ước lượng trước

và tạo ra mô phỏng thành công dưới điều kiện hiện thời Cố gắng của Parkin và nnk (1996) để ước lượng trước các giá trị thông số khả thi trong kiểm chứng mù của mô hình SHE để mô phỏng lưu vực nhỏ Rimband ở miền Nam nước Pháp đưa đến một độ bất định đáng kể trong dự báo lưu lượng và gặp phải sự cố ở hầu hết các tiêu chuẩn của họ cho sự thành công (xem trường hợp nghiên cứu ở mục 5.4) Điều này có thể coi

là một điều tiên quyết cho bất kỳ sự tin tưởng vào dự báo có thể làm được cho điều kiện dự báo thay đổi Và ít nhất trong trường hợp sử dụng đất điều này có khả năng bởi nghiên cứu các lưu vực ở đó có sự biến đổi (như đô thị hoá hoặc trồng rừng) đã quan trắc được trong các môi trường khác nhau để hình thành một thực hiện nào đó

về biến đổi của các thông số hiệu quả ở quy mô lưới hoặc lưu vực Những tiếp cận muộn hơn được quan tâm bởi nhiều nhà thuỷ văn là ít khoa học hơn, thậm chí nó có thể có hiệu quả như nhau ở quy mô mà ở đó dự báo là yêu cầu chủ yếu Có 2 tiếp cận

sẽ được thảo luận tiếp theo trong chương 10 khi quan tâm tới khả năng phát triển tương lai mô hình hoá mưa-dòng chảy

9.1 Dự báo tác động của thay đổi sử dụng đất

Tất cả các lưu vực đều có một lịch sử riêng Một số lịch sử này trải qua một thời gian dài như sự phát triển đất do cày cấy, trầm tích do băng tan từ cuối kỷ băng hà, hay sự phong hoá đá ong do ảnh hưởng của thời tiết qua giai đoạn dài Một vài thay

đổi đáng kể gần đây hơn do hoạt động của con người như: quá trình đô thị hoá, chặt phá rừng, trồng rừng, chứa hay công trình chấn giữ tích đọng, ảnh hưởng của những

đám cháy tự nhiên hay việc lắp đặt hệ thống tưới tiêu đồng ruộng Cả biến đổi tự nhiên và con người trong sử dụng đất đã làm ảnh hưởng đến lưu vực trong quá khứ và tiếp tục đến cả ngày nay Có những thay đổi có thể được ghi chép lại nhưng cũng có những thay đổi thì không (một lưu vực thí nghiệm ở Vương Quốc Anh đã được khảo sát, sau khi lắp đặt các thiết bị, thung lũng thượng lưu đã tiêu thoát bằng hệ thống thuỷ nông cũ được xây dựng từ những phiến đá mỏng, ước tính đã hơn 100 năm) Trong hầu hết những lưu vực có đo đạc, những lưu vực chắc chắn lớn hơn, những thay

đổi diễn ra trong suốt thời kỳ của các tư liệu lịch sử Tuy nhiên những phân tích thuỷ văn học (ví dụ như phân tích tần suất lũ) thường không cố gắng để tính toán những

ảnh hưởng của sự thay đổi như thế Tại sao lại như vậy? Chủ yếu là rất khó tìm ra những thay đổi trong tư liệu lịch sử về biến đổi tự nhiên từ năm này sang năm khác,

từ trận mưa này đến trận mưa khác trong phản ứng của thuỷ văn, nhất là những nơi

có sự thay đổi chỉ diễn ra từ từ

Kỹ thuật phân tích những ảnh hưởng của biến đổi sử dụng đất trong các phản ứng thuỷ văn mô hình hoá là rất nhiều trong các giai đoạn trước đây Dự báo những ảnh hưởng của sự thay đổi tương lai (và kiểm chứng các dự báo này) đã bắt đầu thậm chí

là khó khăn Trong phần còn lại của chương này chúng ta sẽ xem xét một số nghiên cứu lựa chọn để mô tả trạng thái của kỹ thuật trong khu vực quan trọng này, trong phạm vi những gì chúng ta đã học về bản chất của quá trình mô hình hoá và sự bất

định dự báo

9.1.1 Sự phá rừng và trồng lại rừng

Vai trò của rừng trong việc kiểm soát nguồn nước và đỉnh thuỷ đồ đã được tranh luận nhiều trong thuỷ văn học Đó là một nguồn động lực lớn bên cạnh nhiều thí nghiệm lưu vực, đáng chú ý ở Coweeta của Mỹ (Swank và Crossley 1988) Hubbard Brook (theo Likens và nnk 1977), chính sự nghiên cứu về luật Frank trong rừng Bowland ở Anh, đưa đến thiết lập Viện thuỷ văn Anh, và Plynlimon (xứ Wales) và muộn hơn là các lưu vực thí nghiệm ở Balquhidder (ở Scotland) (Calder 1990) và sự kiểm soát dài hạn của lưu vực cung cấp nước Melbourne ở Australia Một tổng quan về nghiên cứu thuỷ văn rừng đã được xuất bản bởi McCulloch và Robinson (1993)

Đây là một dẫn chứng tốt nơi mà cả mô hình dựa vào quá trình và các thông số hoá quy mô lưu vực có thể nhận thấy rất khó để dự báo sự ảnh hưởng của sự thay đổi vì bằng chứng từ nghiên cứu thực địa về tác động của sự phá rừng bị lẫn lộn Trong một số lưu vực nghiên cứu sự phá rừng đã sinh ra lượng nước và đỉnh lũ cao hơn, trong một số khác nó sinh ra lưu lượng thấp hơn Đây là sự ảnh hưởng của một số quá trình tương tác, liên quan với sự chặt phá rừng và việc tái trồng rừng Quá trình đốn

gỗ luôn bao gồm việc xây dựng những con đường rừng và sự chuyển động của các máy móc nặng và các cây cối trên những con đường mòn với sự tác động hậu quả địa phương trong cấu trúc đất và sản sinh dòng chảy Quá trình tái trồng rừng luôn bao gồm việc đào các hào thoát nước để làm tăng sự tiêu thoát nước của đất Nó có thể làm tăng dòng chảy hoặc làm giảm độ ẩm ướt kỳ trước, làm giảm dòng chảy mặt Trên thực tế, cả hai đều có thể xảy ra ở cùng một lưu vực, tuỳ thuộc vào cường độ của trận

lũ và thời gian nó xảy ra Sự tác động này sẽ tuỳ thuộc vào sự phát triển tiếp theo việc tái trồng rừng hay chặt phá rừng Ví dụ như sức sống và các mật độ tái sinh của các cây bạch đàn núi ở các lưu vực cấp nước của Melbourne là ngoại lệ và là nguyên nhân gây ra một sự giảm sút nghiêm trọng trong tổng lượng nước tiếp theo sự tổn thất của cây gỗ ở các khu rừng trưởng thành (xem mục 9.2)

Những dự đoán như thế về tác động của việc chặt phá rừng hay việc tái trồng rừng có vẻ thích hợp trong việc liên kết với độ bất định nào đó Trên thực tế, nhiều nghiên cứu mô hình hoá những tác động như vậy đã tập trung vào việc thay đổi bản thân thực vật và đã bỏ qua bất kỳ một sự thay đổi lệ thuộc nào trong các con đường rừng, cấu trúc đất hay các con mương dẫn nước Phần lớn đều hoàn toàn làm các dự báo tất định mà không có bất kì một xem xét sự bất định nào trong việc ước lượng thông số cho điều kiện hiện thời và thay đổi Có một ngoại lệ đối với điều này là

nghiên cứu của Binley và các nnk (1991) Trong một thông báo trước cho phương pháp GLUE ở mục 7.5, họ đã đánh giá độ bất định dự báo của mô hình Viện thuỷ văn phân

bố (IHDM4, xem mục 5.4.3) trong một ứng dụng cho lưu vực Gwy ở thượng lưu của sông Wye ở Plynlimon, xứ Wales Lưu vực này hiện đang ở dưới vùng đồng cỏ miền núi, nhưng đầu nguồn nước ngay liền đó của sông Severn đang là rừng Do hạn chế của máy tính trong lúc nghiên cứu nên chỉ có thể tiến hành những mô phỏng trận mưa

đơn, điều này có nghĩa là ban đầu hoá của phân bố độ ẩm đất trong mỗi phân tử sườn dốc trước mỗi trận lũ là một điều hợp lý

Hình 9.1 Các biên dự báo (dựa trên phương pháp Rosenblueth) mô phỏng cho lưu vực Plynlimon (3,9

Km 2 ) sử dụng mô hình Viện thuỷ văn phân bố (a) Mưa; (b) Sử dụng đất đồng cỏ hiện thời; (c) Cho cùng trận mưa với thông số rừng đã ước lượng Xem Binley (1991) Tạo lại từ Nghiên cứu tài nguyên nước

27(6): 1253.1261; 1991, bản quyền Hội ĐịaVật lí Mỹ

Các thông số của các thành phần giữ lại và bốc thoát hơi nước Penman- Monteith

đã sẵn có từ các nghiên cứu thực địa độc lập và đã được cố định Hiệu chỉnh mô hình bằng tay cho một số cơn mưa dưới các điều kiện hiện tại, giá trị trung bình cho một trong bốn thông số (độ dẫn thuỷ lực, độ rỗng, tiềm năng mao dẫn ban đầu của đất và

độ nhám dòng chảy tràn) được xác định cùng với một ma trận hiệp biến Những giá trị này sau đó được sử dụng để tạo ra bộ thông số từ một sự phân bố chuẩn nhiều biến bên trong một thủ tục Monte-Carlo mô phỏng các trận mưa “kiểm chứng” khác, bao gồm những trận mưa lớn nhất được ghi lại Giới hạn dự báo đã thoả mãn dòng chảy quan trắc cho các trận mưa được “kiểm chứng” này (hình 9.1.b)

Phần tiếp theo của sự nghiên cứu là để ước lượng sự thay đổi của lưu lượng hy vọng như là kết quả của sự thay đổi lớp phủ rừng cây tùng bách Các thông số của sự

giữ lại và sự bốc thoát hơi nước của rừng trước đây đã chỉ ra việc tái tạo số liệu đo ở quy mô bãi thực nghiệm trong lưu vực Severn là thoả mãn Một bộ thông số thực vật mới do đó cũng được giả thiết đã biết mà không có sự bất định Không có sự biến đổi nào được giả thiết trong các giá trị trung bình và phương sai của thông số độ dẫn thuỷ lực, độ rỗng và độ nhám dòng chảy tràn Điều này được biết từ sự đo đạc thực địa, tuy nhiên mức độ ẩm đất kỳ trước mỗi trận mưa dưới đất rừng nói chung khô hơn dưới

đồng cỏ Một sự thay đổi cố định trong tiềm năng mao dẫn ban đầu trung bình do đó

đã được chấp nhận trong khi giữ phương sai và hiệp biến giống nhau như trong điều kiện hiện tại Kết quả của sự mô phỏng cho cùng một trận mưa được chỉ ra ở hình 9.1(b) Tính bất định trong dòng chảy dự báo cho các lưu vực rừng là cao nhưng sự khác nhau trong sự phân bố của các đỉnh dự báo được chỉ ra là có ý nghĩa thống kê Tuy nhiên, lặp lại sự phân tích mà không thay đổi điều kiện ban đầu không rút ra sự khác nhau quan trọng giữa dự báo của rừng và đồng cỏ

Một loạt các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của các điều kiện ban đầu trong các mô hình phân bố dựa vào quá trình có thể bền vững trong một thời gian xem xét đáng kể Do vậy trong bất kì đánh giá nào các ảnh hưởng của sự thay đổi, sự chú ý lớn dành cho việc giải thích kết quả của thời kỳ mô phỏng ngắn May thay, sự hạn chế của máy tính hiện nay đang ít đi và dạng nghiên cứu này có thể được lặp lại sử dụng thời kỳ mô phỏng dài hơn để cực tiểu hoá ảnh hưởng của các điều kiện ban đầu đến các kết quả trong khi vẫn tạo nên một sự đánh giá thực của độ bất định dự báo

9.1.2 ảnh hưởng của hoả hoạn

Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến sự sản sinh dòng chảy là hoả hoạn,

đặc biệt nơi mà tỷ lệ lớn lưu vực bị ảnh hưởng ảnh hưởng đến dòng chảy lưu vực nói chung dễ dàng phát hiện ra hơn và trong một số trường hợp kéo dài hàng chục năm Nhiều nghiên cứu thực địa đã chứng minh rằng lửa làm hạ thấp cường độ thấm và làm tăng hệ số dòng chảy mặt, ít nhất ngay trong giai đoạn sau khi cháy (ví dụ Cerda 1998) Cháy làm giảm sự bảo vệ bề mặt kết quả từ sự mất đi lớp phủ thực vật và sẽ hướng đến làm tăng xu hướng không thấm nước hoặc tính không ưa nước của mặt đất (Soto và Diaz-Fierros 1998) Một đám cháy lan rộng ở lưu vực Rimbaud (nơi được mô hình hoá bởi Parkin và nnk 1996 sử dụng mô hình SHE cho giai đoạn trước khi cháy xem trường hợp nghiên cứu ở mục 5.4), có ảnh hưởng trong việc tăng đỉnh lũ đáng kể trong giai đoạn tiếp theo (theo Lavabre 1993) Dự đoán về tác động của cháy đến dòng chảy mặt ở lưu vực cấp nước Melbourne đã được xem xét trong trường hợp nghiên cứu

ở mục 9.2

9.1.3 Đô thị hoá

Đô thị hoá được biết là có ảnh hưởng quan trọng đến quan hệ lượng mưa-dòng chảy nhưng hầu như tất cả các mô hình chúng ta đã xem xét đến thời điểm này có rất

ít sự tính toán rõ ràng diện tích đô thị trong dự báo mưa-dòng chảy Điều này có thể luôn được bào chữa dựa trên cơ sở là diện tích đô thị chỉ là một phần nhỏ của diện tích lưu vực, nhưng diện tích đô thị nhỏ sẽ yêu cầu tính toán đặc biệt để tính đến sự thay

đổi trong thuỷ văn bởi con người Dự đoán dòng chảy trong các vùng đô thị cho việc thiết kế hệ thống thoát nước trong một vùng là lĩnh vực của thuỷ văn với một tài liệu rộng lớn của riêng nó Bất kì mô hình lượng mưa - dòng chảy đô thị nào cũng cần phải tính toán sự liên kết của diện tích thấm hoặc không thấm và lưới các kênh và bơm tiêu nước tự nhiên và nhân tạo Có một số phần mềm thương mại sẵn có cho dự báo quan hệ mưa-dòng chảy trong các vùng đô thị bao gồm mô hình quản lý nước mưa US EPA (SWWM; Huber 1995), phần mềm MOUSE từ Viện thuỷ lực Đan Mạch, và WALLRUS từ trung tâm nghiên cứu nước và thuỷ lực ở Vương Quốc Anh Những gói phần mềm này được thiết kế riêng để tính toán mạng xác định của các máy bơm và các kênh trong một lưu vực và diện tích đóng góp cho chúng Nhìn chung chúng bao gồm thành phần mô hình chất lượng nước cũng như dự đoán dòng chảy mặt Một gói mô hình phân bố chung khác như các mô hình sóng động học HEC-1 và KINEROS, có các thành phần có thể sử dụng để miêu tả hỗn hợp sự thấm nước hoặc không thấm nước của sử dụng đất trong các vùng đô thị (Feldman 1995 và Smith 1995 )

Đáng lưu ý rằng tất cả các mô hình thuỷ văn đô thị đều dựa trên những ý tưởng truyền thống là phần chính của thuỷ đồ là do dòng chảy mặt Điều này sẽ luôn là gần

đúng trong các vùng đô thị nơi mà tất cả các cơn mưa quan trọng nhất cho mục đích thiết kế trong lưu vực nhỏ là các trận mưa dông đối lưu mạnh và ngắn Tuy nhiên,

đáng ghi nhớ rằng có nhiều bề mặt không thấm nước ở các vùng đô thị không được kết nối trực tiếp với các đường thoát hoặc các kênh nhiều hơn là điền trũng, và nhiều bề mặt thấm nước sẽ không sản sinh dòng chảy bề mặt, thậm chí cả với những trận mưa cường độ cao Sự thấm như vậy vào dưới mặt nói chung bị coi như tổn thất từ mô hình

và không được xem xét tiếp theo Sự khó khăn của đặc trưng hoá tất cả các bề mặt và

sự liên kết thoát nước khác nhau trong các vùng đô thị, cũng có thể thay đổi trong các

điều kiện lũ, không phải là nhiệm vụ tầm thường thậm chí trong việc thiết kế các hệ thống tiêu nước nhỏ Tuy nhiên, quá trình của mô hình hoá đang trở nên đơn giản hơn vì nhiều hệ thống tiêu nước đô thị và sử dụng đất đang được đặc trưng hoá bên trong cơ sở dữ liệu GIS Tuy nhiên Burges và các nnk (1998), vẫn cho rằng kiểm soát tiếp tục các lưu vực nhỏ để thay đổi các phần còn lại cần thiết để giải quyết một vài sự bất

định liên kết với dự báo tác động của sự phát triển đến thuỷ văn

9.1.4 Tiêu thoát trong nông nghiệp

Sự nghiên cứu của các hệ thống tiêu nước thực địa nhân tạo và các con mương trong các mô hình thuỷ văn là một vấn đề tương tự, mặc dù các ghi chép về các đường tiêu nước được lắp đặt trong quá khứ ở nơi nào, khi nào và như thế nào có thể không luôn luôn sẵn có cho các nhà mô hình hoá Tiêu thoát nước có một sự ảnh hưởng trong thuỷ văn, mặt khác những người nông dân, các nhà làm ruộng và một số khác sẽ không quan tâm đến chúng Tuy nhiên, những điều còn lại đó là một vài phân tích như tiêu thoát có thể có những ảnh hưởng như thế nào đến độ lớn của các đỉnh mưa Hai đường lối tranh luận luôn luôn xuất hiện Đường lối đầu cho rằng vì tiêu thoát cung cấp con đường bổ sung tương đối hiệu quả cho việc loại bỏ dòng chảy Chúng sẽ

có khuynh hướng làm tăng thêm độ lớn của các đỉnh mưa Đường lối thứ hai cho rằng tiêu thoát có xu hướng tiêu hao đất giữa các đợt mưa, sẽ có sẵn lượng trữ trước trận

mưa nhiều hơn và làm sản sinh dòng chảy ít hơn, sao cho bất chấp bất kì hiệu ứng tăng nào của dòng chảy, sản sinh dòng chảy ít hơn sẽ đưa đến đỉnh thuỷ đồ thấp hơn

Sự phân tích các ghi chép dòng chảy từ lưu vực thí nghiệm tiêu nước và không tiêu nước đã chỉ ra cả 2 dạng của dáng điệu, thậm chí ở trong cùng một lưu vực, dưới các điều kiện khác nhau (xem tổng quan của Robinson 1986), Robinson đã chỉ ra rằng

sự tiêu nước của những đất sét nặng có thể dẫn đến sự giảm đỉnh lũ bằng sự thiếu hụt

kỳ trước nói chung là cao hơn, trong khi sự tiêu nước của đất thấm nhiều hơn có xu hướng tăng nhanh dòng chảy sát mặt, đưa đến đỉnh lũ cao hơn Do đó mô hình hoá các

ảnh hưởng của sự tiêu nước ở quy mô lưu vực sẽ không đơn giản, đặc biệt nơi mà thậm chí với mô hình phân bố dựa trên quá trình, khoảng cách của tiêu nước nền đá hoặc các đê chắn sóng có thể nhỏ hơn nhiều so với quy mô lưới của mô hình Do đó, một số thông số hoá của sự ảnh hưởng của quy mô nhỏ hơn lưới sẽ thực sự cần thiết Ví dụ thông số hoá đã được xem xét bởi Dunn và Mackay (1996), Kim và Delleur (1997) và Karvonen và nnk (1999) Mô hình MIKE SHE hiện nay có một thành phần để miêu tả

ảnh hưởng của sự tiêu nước thực địa trong việc dự đoán dòng chảy như một hàm tuyến tính của mực nước ngầm địa phương trên một cao trình mốc tiêu nước nào đó (theo Al-Khudhairy 1999 )

Hình 9.2 Sự thay đổi lượng nước lưu vực theo cháy rừng với giới hạn dự đoán xấp xỉ cho sự tái sinh cây

tần bì núi ở lưu vực Graceburn, Australia (Kuczera 1987) In lại từ Tạp chí thuỷ văn 211; 69-85, xuất bản

(1987) với sự cho phép từ Elsevier Science

9.2.Trường hợp nghiên cứu: Dự báo tác động của hoả hoạn và khai thác rừng trong lưu vực cấp nước ở Melbourne

Một ví dụ đặc biệt thú vị về việc dự đoán ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đưa đến

từ lưu vực cấp nước của thành phố Melbourne, Austranlia Lưu lượng nước của lưu vực này là nhạy cảm với tổn thất lớp phủ rừng cây tần bì núi nguyên sinh do cháy rừng tự nhiên ở đó sau khi cháy (hay chặt phá các cây gỗ đã trưởng thành) lưu lượng lưu vực bị giảm xuống Lượng nước hàng năm khoảng 1000mm dưới những cánh rừng trưởng thành có thể bị giảm xuống 500 mm ở đỉnh của rừng tái sinh do mật độ quá cao

và diện tích lá cây của rừng tái sinh Nước “mất” quay trở lại bầu khí quyển như vận

chuyển và bốc hơi của lượng giữ lại Sự tổn thất đạt cực đại sau khoảng 25 năm của rừng tái sinh nhưng Kuczera (1987) đã ước lượng rằng có thể phải mất trên 100 năm cho lượng nước được khôi phục đầy đủ (xem hình 9.2)

Đường cong tổng lượng nước của Kuczera cho các lưu vực đã được phát triển bởi hồi quy kinh nghiệm ở quy mô lưu vực, sử dụng các ghi chép lâu dài của lượng nước quan trắc sau đợt cháy tốn kém trong năm 1939 và giả thiết một dạng đặc biệt theo các hàm phi tuyến Giả thiết rằng nó phụ thuộc mật độ thực vật tái sinh gần đây đã

được kiểm tra bằng sử dụng mô hình phân bố dựa trên quá trình MACAQUE bởi Watson và các nnk (1999) Mô hình này được hiệu chỉnh cho 3 lưu vực khác nhau (Watts, Grace Burn và Coranderrk, tổng diện tích là 145 km2) dưới các điều kiện hiện tại, bao gồm một sự so sánh của một số dự báo mực nước ngầm ở bên trong Mô hình

đã chỉ ra là nhạy hơn với giả thiết về phân bố không gian của đầu vào mưa hơn là sự phân bố địa hình sử dụng Mật độ thảm thực vật được mô phỏng bởi sự phân bố đặc biệt của chỉ số diện tích lá cây, liên hệ với bản đồ tuổi của rừng trong lưu vực Các mô phỏng hạn dài đó được thực hiện qua suốt thời kỳ 1910 – 1991 và thay đổi chỉ số diện tích lá, cũng như thông số độ dài của lá (hoặc sức cản khí khổng) theo sự tái sinh của rừng sau vụ cháy năm 1939 Thay đổi thông số dựa trực tiếp vào mối quan hệ với tuổi phát triển Kết quả tổng hàng năm của những dự báo lưu lượng khác nhau đó được chỉ

ra ở trong hình 9.3

Hình 9.3 Các dự đoán của sự thu hồi lưu lượng ở lưu vực Ataroondah, Australia (tổng diện tích 145 km 2 )

do cháy rừng sử dụng mô hình AFACAQUE ( theo Watson 1999 ) Tái tạo với sự cho phép của John Wiley

và Sons Limited

Mô hình trong đó cả 2 thông số bị thay đổi là điều thành công nhất trong tái tạo

sự thay đổi thời kỳ dài trong lưu lượng Tuy nhiên thậm chí sự mô phỏng này chỉ ra một dự báo vượt quá hay ở thấp hơn đáng kể so với của các lưu lượng quan trắc được trong những năm cụ thể Các tác giả cho rằng những sai sót này có thể là do sự biểu diễn không đầy đủ cấu trúc không gian của lượng mưa bên trong lưu vực Trong khi MACAQUE không phải là một mô hình phân bố đầy đủ dựa trên quá trình thì những kết quả này có lẽ là điển hình của kiểu chính xác có thể đạt được trong dự báo ảnh hưởng sự thay đổi sử dụng đất, trong khi miêu tả trạng thái của lưu vực giống như là

một tập hợp đơn của các thông số liên quan tới quá trình khi các đường cong của KUCZERA (1987) miêu tả gần đúng quy mô lưu vực cho cùng một vấn đề

9.3 Dự báo tác động của biến đổi của khí hậu

Dự báo ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu bao gồm cả sự thay đổi theo quy mô

về thời gian và không gian, có một ý nghĩa vô cùng quan trọng trong quá trình dự báo

Sự hạn chế tính toán hiện thời trên GCM có nghĩa rằng quy mô lưới ở đó dự báo sẵn có

là còn rất lớn (ít nhất ở mức 100x100km, tương đương với một lưu vực sông 10000km2, gần như toàn bộ sông Thames của nước Anh) Chỉ có một dự báo đơn lẻ về nhiệt độ trung bình, giáng thủy hay dòng chảy được làm cho mỗi ô vuông lưới, mặc dù sự biến

đổi lớn ở quy mô nhỏ hơn lưới cũng được mong đợi từ đo đạc Điều này đưa đến ví dụ bài toán “mưa phùn” GCM, ở đó giáng thủy do các hoạt động đối lưu mãnh liệt ở quy mô nhỏ hơn nhiều ô vuông lưới, chỉ có thể được biểu đạt trong mô hình như lượng giáng thủy trung bình cường độ thấp Hiện nay có khả năng tinh luyện dự báo địa phương của GCMs bằng việc nhúng một mô hình lưới mịn bên trong lưới thô thông thường Mô hình lưới mịn sau đó sử dụng những dự báo của lưới thô như là điều kiện biên tại những giới hạn của nó và đó là phụ thuộc cuối cùng vào những mô phỏng lưới thô

Tất cả GCMs đều có một mô hình thủy văn để cung cấp một điều kiện biên thấp hơn cho dòng năng lượng và hơi nước giữa bề mặt đất và khí quyển Những mô hình

đó được biết chung như những mô hình chuyển đổi của đất–thực vật–khí quyển (SVATs) hoặc sơ đồ thông số hoá bề mặt đất (LSPs) Trong quá khứ, những thành phần này có dạng cái thùng rất đơn giản, tương tự như các mô hình giải thích độ ẩm

đất được thảo luận ở mục 2.4 Chúng ta đã thấy rằng, chỉ với một vài hiệu chỉnh, các mô hình đó có thể cung cấp những mô phỏng tốt độ hụt ẩm đất đo đạc tại một điểm, nhưng trong trường hợp của GCMs chúng được sử dụng không để biểu thị một điểm riêng lẻ mà là toàn bộ diện tích đất của ô vuông lưới Do đó các giá trị thông số đó được coi như là các giá trị thông số ảnh hưởng, nhưng rõ ràng trong trường hợp lưới ô vuông GCM rộng không có dữ liệu đối chiếu để có thể hiệu chỉnh các giá trị ảnh hưởng.Vì vậy, các giá trị lý thuyết thông thường được xác định bằng sự ước đoán thông minh Vì công suất của máy tính được nâng lên, một vài sự hạn chế trở nên nhẹ nhàng hơn Trong đời mới nhất của GCMs, thành phần SVAT dạng thùng được thay thế bằng các thông số hoá có cơ sở vật lý hơn để xử lý dòng nước và năng lượng đến và đi ra từ

đất và thảm thực vật, sự điều khiển sinh lý của các thảm thực vật đến sự vận chuyển trong dạng chi tiết hơn Ví dụ sơ đồ MOSES được sử dụng trong mô hình tuần hoàn thống nhất của cơ quan Khí Tượng Anh quốc (Theo Cox 1998) và mô hình sinh quyển

đơn giản (SiB: Sellers và nnk 1996) mà trong phiên bản mới nhất của họ, cũng dự báo dòng CO2 SiB là một mô hình nhiều thông số, nhiều tầng thực vật, nhiều tầng đất dựa vào vật lý của một mảng thực vật, và đã được dùng để tạo ra những mô phỏng tốt dòng năng lượng đo đạc nước và CO2 đo đạc ở quy mô một thảm thực vật đơn lẻ Tuy nhiên, một khi cặp với GCM, nó vẫn chỉ có thể sử dụng một mô hình SiB đơn lẻ trong mỗi ô vuông lưới Như thế các giá trị của thông số đã được xác định như những thông