MÔ HÌNH TOÁN THỦY văn lưu vực NHỎ

ở nước ta hiện chưa có một tài liệu chuyên khảo nào có khả năng hệ thống hóa lại toàn bộ các cách tiếp cận mô hình hóa theo bản chất vật lý của các hiện tượng thủy văn, vì thế không chỉ

Research Leader, Northwest Watershed Research Center,

USDA, ARS, Boise, ID 83705

An ASAE Monograph Number 5 in a series published by

American Society of Agricultural Engineers

2950 Niles Road, P.O Box 410

St Joseph, Michigan 49085 (phone 616-429-0300)

ASAE Technical Editor: James A Besselman

1982

§¹i häc quèc gia hµ néi

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

§¹i häc quèc gia hµ néi

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

§¹i häc quèc gia hµ néi

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

Đại học quốc gia hà nội

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

Mô hình toán thủy văn

lưu vực nhỏ

Quyển 3: Chương VIi – chương VIII

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

Hà nội - 2003

§¹i häc quèc gia hµ néi

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

Lời người dịch

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

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

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

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

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

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

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

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

Hà nội, tháng 8 năm 2003

Giới thiệu

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

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

đạo của Howard P Johnson

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

và Don Brakensiek

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

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

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

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

độ khác nhau của việc đơn giản hoá nó

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

Cấu trúc cuốn sách

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

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

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

kỹ lưỡng trong từng chương

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

độ mô hình hóa cũng được trình bày ở đây

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

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

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

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

Lời cảm ơn

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

đầu tiên

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

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

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

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

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

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

C T Haan

Mục lục

Lời người dịch 7

Lời giới thiệu 9

Cấu trúc cuốn sách 11

Lời cám ơn 13

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

1.1 Giới thiệu 17

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

1.3 Phân loại mô hình 21

1.4 Bản chất ngẫu nhiên của quá trình thủy văn 29

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

1.6 Cách tiếp cận các hệ thống 33

1.7 Thiết kế 34

1.8 Lựa chọn mô hình 35

Tài liệu tham khảo 37

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

2.1 Giới thiệu 41

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

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

2.4 Các mô hình ngẫu nhiên 59

2.5 Các mô hình bộ nhớ ngắn 60

2.6 Các mô hình bộ nhớ dài 74

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

2.8 Các quá trình hình thành số liệu ngày 83

2.9 Các quá trình phân rã 89

2.10 Các mô hình hỗn hợp 92

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

2.12 Lựa chọn mô hình 100

2.13 Ước lượng các tham số 102

2.14 Tóm tắt 124

Tài liệu tham khảo 125

Chương 3: Giáng thuỷ 135

3.1 Giới thiệu 137

3.2 Lượng mưa 138

3.3 Mô hình lượng mưa 149

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

3.5 Tuyết trong mô hình hoá lưu vực nhỏ 171

3.6 Mô hình tuyết tan 176

3.7 Lượng tuyết tan trong các mô hình thủy văn 186

Tài liệu tham khảo 190

Chương 4: Quá trình thấm 205

4.1 Giới thiệu 207

4.2 Mô tả chung 208

4.3 Phương trình cơ bản 211

4.4 Những cách giải phương trình Richard 216

4.5 Các nhân tố ảnh hưởng tới thấm 218

4.6 Các mô hình thấm gần đúng 234

4.7 Các phương pháp số trị 258

4.8 Tổng kết 269

Tài liệu tham khảo 270

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

5.1 Các tiếp cận mô hình lưu vực sông 284

5.2 Khái niệm hoá các thành phần 286

5.3 Sự phát triển đường quá trình nước 292

5.4 Thuyết dòng chảy tràn 301

5.5 Dòng chảy tràn trạng thái ổn định 315

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

5.7 Các mô hình liên kết 349

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

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

Tài liệu tham khảo 364

Chương 6: Quá trình bốc thoát hơi nước 369

6.1 Giới thiệu 371

6.2 Triển vọng 372

6.3 Nguyên lý của bốc thoát hơi 374

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

6.5 Quá trình bốc thoát hơi nước của cây 403

6.6 Quá trình bốc hơi nước trong đất 414

6.7 Các phương pháp bốc thoát hơi thực tế 415

Tài liệu tham khảo 426

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

7.1 Giới thiệu các khái niệm 445

7.2 Lý thuyết dòng chảy sát mặt 450

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

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

7.5 Các phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên 463

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

Tài liệu tham khảo 468

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

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

8.2 Mô hình hoá xói mòn vùng đất cao 493

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

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

8.5 Các mô hình cơ bản 512

8.6 Các quá trình liên rãnh 514

8.7 Các quá trình xói mòn rãnh 529

8.8 Các quá trình lòng dẫn 568

8.9 Các quá trình đập dâng 583

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

8.11 Một số ví dụ mô hình xói mòn 594

Tài liệu tham khảo 599

Các ký hiệu 610

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

9.1 Giới thiệu 623

9.2 Mô hình hoá 625

9.3 Các quá trình vận chuyển 633

9.4 Các thành phần hóa học 635

9.5 Các mô hình kết hợp 648

9.6 Phát triển mô hình 651

9.7 Tổng kết 652

Tài liệu tham khảo 653

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

10.1 Cấu trúc mô hình 669

10.2 Các đặc điểm mô hình lưu vực sông 671

10.3 Mô hình lưu vực sông Stanford 674

10.4 Mô hình lưu vực sông USDA HL-74 680

10.4 Mô hình lưu vực sông SCS TR-20 685

10.5 Mô hình SSARR 690

10.6 So sánh các mô hình 696

10.7 Các mô hình tham số phân phối 697

Tài liệu tham khảo 703

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

11.1 Giới thiệu 711

11.2 Nguyên tắc cơ bản của lựa chọn mô hình 712

11.3 Các bước so sánh các mô hình số 714

11.4 Những vấn đề trong chiến lược mô hình hóa 716

11.5 Các vấn đề khái quát hóa mô hình 720

11.6 Các vấn đề cấu trúc mô hình 724

11.7 Các vấn đề hiệu chỉnh mô hình 725

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

11.9 Các vấn đề phát triển mô hình 733

11.10 Trình diễn và kết nối kết quả mô hình 735

11.11 Tổ chức hiệu chỉnh mô hình 736

11.12 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng đồ giải 744

11.13 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng số trị 746

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

11.15 Minh họa các thủ tục hiệu chỉnh 761

11.16 Tóm tắt 766

Tài liệu tham khảo 766

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

12.2 Các ứng dụng của mô hình 780

12.3 Các phương pháp lựa chọn mô hình 802

Tài liệu tham khảo 813

Chương 13: Các mô hình hiện có 825

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:

RS(1-ρ) = RL+ G + H + LE (1.2) 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

Biến đầu vào Điều khiển Biến đầu ra

chương trình đơn

Điều khiển chương trình đơn

Điều khiển các thành phần

Đầu vào và

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc các mô hình thuỷ văn (theo Ozga - Zielinska, 1976)

Khi chúng ta xem xét tiêu chuẩn phân loại thứ ba là giá trị nhận thức của mô hình thì có 3 loại kết quả:

Biến đầu vào Điều khiển

chương trình đơn

Điều khiển chương trình đơn

đầu ra của phần khác các thành

Biến đầu ra

Mô hình một thành phần

Mô hình một thành phần

Mô hình một thành phần

Mô hình một thành phần

Mô hình một thành phần

Mô hình một thành phần

Biến đầu ra

Biến đầu ra

Điều khiển toàn cầu của đường dẫn nướcBiến đầu vào

Biến đầu vào

Đặc tính của kết quả thu được hay đầu ra của mô hình có thể phân loại thành ngẫu nhiên và tất định Nếu một vài biến trong mô hình toán được xem như là biến ngẫu nhiên có phân bố xác suất, ta có mô hình là ngẫu nhiên Nếu tất cả các biến được xem như là không bị biến đổi ngẫu nhiên khi đó mô hình là tất định (Clarke, 1973)

Tiêu chuẩn phân loại thứ năm “Sự tiếp cận để ứng dụng và những phương pháp giải” trùng lặp một phần nào đó với tiêu chuẩn “giá trị hiểu biết của mô hình” nhưng nó giới thiệu dưới một ngôn ngữ khác Các hệ thống có thể cũng được tham khảo như những hệ thống “hộp đen” hoặc những hệ thống “hộp trắng”, phụ thuộc vào một trong hai mối quan hệ nằm ngang hoặc thẳng đứng như trong hình 1.5 Mối quan hệ nằm ngang hay “lối vào hộp đen” nghiên cứu

hệ thống như một toán tử hệ thống mà nó biến đổi đầu vào thành đầu ra “Lối vào hộp trắng” như đã biểu thị bằng mối quan hệ thẳng đứng ý nói là những quy luật vật lý và tự nhiên của hệ thống được hiểu tốt và có thể được tổng hợp vào trong “phép tính hệ thống" mà không nhờ vào những sự quan sát của đầu vào và đầu ra

Tiêu chuẩn phân loại cuối cùng liên quan tới những đặc tính toán học của hàm toán tử Các mô hình có thể phân tích thành tuyến tính hay phi tuyến, gộp lại hay phân bố và cố định hay không cố định Theo Clark (1973), cách dùng thông thường của thuật ngữ tuyến tính có hai ý nghĩa Mô hình là tuyến tính trong khả năng phán đoán lý thuyết của hệ thống, nếu nguyên lý

của sự trùng lặp là có ý nghĩa Nguyên lý của sự trùng lặp phát triển rằng; nếu

y1(t) và y2(t) là những đầu ra của hệ thống tương ứng với những đầu vào x1(t)

và x2(t) thì tương ứng với đầu vào là x1(t) + x2(t) ta có đầu ra là y1(t) + y2(t) Đây

là cách dùng phổ biến nhất trong thủy văn (Dooge, 1973)

ý nghĩa sự thay đổi trong khả năng phán đoán thống kê trong cách dùng thông thường này mô hình cần phải tuyến tính trong ước lượng những tham số

Ví dụ, nếu đầu ra y có quan hệ với đầu vào x bằng phương trình y + a + bx, mô hình là tuyến tính trong khả năng phán đoán thống kê nhưng nguyên lý của sự không trùng lặp không kéo dài, (nói cách khác là, y1 + y2 ≠ a + b(x1 +x2) Sự phi tuyến của của chi tiết này là bởi vì bước đầu đó là nét đặc trưng chung của những quá trình thủy văn và loại trừ “những hệ thống” tuyến tính trong những mô hình thủy văn

Những mô hình toàn thể không đưa vào sự tính toán tính biến thiên theo không gian của những đầu vào, đầu ra hay tham số một cách tường minh

và thường được miêu tả bằng phương trình vi phân thường hoặc là hệ phương trình vi phân thường Các mô hình phân bố bao hàm những sự biến đổi không gian trong các gian đầu vào, đầu ra và các tham số và thường gồm có tập hợp các phương trình đạo hàm riêng quan hệ với nhau

Toán tử tất định là ổn định nếu dạng của nó và các tham số là không đổi theo thời gian; nếu ngược lại là không ổn định Mô hình ngẫu nhiên là ổn định nếu những đặc tính của nó không thay đổi theo thời gian tuyệt đối Trong các mô hình thủy văn, tính không ổn định được tạo ra bởi các sự biến đổi có chu kỳ theo từng mùa hoặc bởi sự thay đổi trong đất sử dụng mà có thể tạo ra tác động chuyển tiếp của những thành phần thủy văn

1.4 Bản chất ngẫu nhiên của quá trình thủy văn

Tập hợp của tổng lượng giáng thủy hàng ngày sắp xếp theo thứ tự thời gian là thí dụ của chuỗi thời gian Những ví dụ khác bao gồm: dòng chảy hàng ngày từ lưu vực, tổng lượng bốc thoát hơi hàng ngày, hay một vài số hạng trong phương trình (1.1) hoặc (1.2) cho khoảng thời gian không đổi Đặc điểm quan trọng của các chuỗi này là chúng không thể đoán trước được Đó là, chúng ta không thể dự báo chính xác ngày mai lượng mưa sẽ là bao nhiêu hay có bao

nhiêu dòng chảy sẽ xuất hiện Chúng ta chỉ có thể hy vọng mô tả cấu trúc có thể xảy ra giống như của quá trình Những chuỗi này là ví dụ của các quá trình ngẫu nhiên, hay việc phát triển các quá trình theo thời gian trong cách kiểm soát bằng các quy luật xác suất

Bản chất ngẫu nhiên của các hiện tượng thủy văn đóng vai trò quan trọng trong thủy văn ứng dụng Ví dụ, trong nghiên cứu lũ lụt phải ước lượng hàm phân bố của lưu lượng đỉnh lũ trước và sau khi dự định cho các cấu trúc

điều khiển hoặc việc quản lý đất Như thế hàm phân bố là một ví dụ của hàm quá trình dòng chảy ngẫu nhiên Có 2 cách để thu được những hàm này:

(a) Các mô hình ngẫu nhiên dùng phép phân tích hay

(b) Dựa theo mô phỏng của Monte Carlo

Trong những mô hình phân tích ngẫu nhiên, quá trình được xấp xỉ bằng một mô hình toán được hoàn toàn xác định không kể những giá trị thông số mà

có thể được ước lượng từ cơ sở một mẫu quan trắc Khi thu được các giá trị tham số đó, biểu thức xác suất được xác định chắc chắn và có thể giúp ta dễ dàng đưa ra các quyết định bằng các kỹ thuật phân tích Các phương pháp dùng phép phân tích thường rất đẹp, nhưng ta phải thừa nhận một số giả thiết

và đơn giản hóa để thu được dạng dễ xử lý toán học

Nếu điều quan tâm của quá trình ngẫu nhiên là hàm phức tạp của quá trình đầu vào, thì sau đó hoặc là sử dụng sự mô phỏng lịch sử là sử dụng các số liệu quan trắc của các quá trình đầu vào hoặc là sử dụng sự mô phỏng của Monte Carlo Sự mô phỏng lịch sử thì thuận tiện hơn nhưng nó có hạn chế là chỉ một chuỗi số liệu quan trắc là được xem xét đến, điều đó chắc chắn sẽ không được lặp lại trong tương lai Trong sự mô phỏng của Monte Carlo, những dãy đầu vào được mô phỏng bằng việc lấy mẫu ngẫu nhiên từ những quá trình

đầu vào Chuỗi đầu ra sau đó được tính toán theo những quy luật xác định thích hợp, và các đặc tính thống kê của những đầu vào có thể tạo thành một mặt bằng như được yêu cầu

Ba dạng không chắc chắn tồn tại trong các hàm phân bố hoặc các giá trị thu được bằng kỹ thuật mô phỏng:

(a) Sự không chắc chắn của mô hình;

(b) sự không chắc chắn của việc lấy mẫu trong việc ước lượng tham số, (c) sự mô phỏng việc lấy mẫu không chắc chắn

Để chứng minh những dạng này thì ta xem mô hình ngẫu nhiên có dạng:

)2,1,0(,:)

Qˆ

ˆ,ˆ

2

1 θθ

Fˆ

θ đã biết chắc chắn Các mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn sẽ được thảo luận chi tiết trong chương 2

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

Mặc dù là những mô hình rất cần thiết để hiểu biết hiện tượng thủy văn, nhưng trong kỹ thuật xây dựng chúng ta quan tâm đến các mô hình như những dụng cụ để sử dụng trong những xử lý tối ưu của hệ thống, về quản lý nước, hay thiết kế và thi công công trình lưu vực nào đó, hay trong việc đề ra các chính sách công cộng Trong trường hợp này, các mô hình thủy văn của các lưu vực nhỏ chỉ là những thành phần trong các mô hình hợp nhất của hệ thống tài nguyên nước Khái niệm về hệ thống tài nguyên nước rất bao quát Nó có thể bao gồm mọi thứ từ những trường riêng biệt đến những lưu vực sông lớn với nhiều đập, và các cấu trúc khác Hệ thống tài nguyên nước được định nghĩa như một vài hệ thống, bao gồm: vận chuyển, tích trữ, và biến đổi trong những

đặc tính (nhiệt độ, hay các yếu tố lơ lửng và hòa tan) của nước Đầu vào hệ thống bao gồm những đầu vào kiểm soát được như bồn thu và các vật chất bao gồm nước theo không gian và thời gian, hoặc chất lượng của nước thì có giá trị trong xã hội cao, ở trong trạng thái tự nhiên

Bởi vì nói chung có sự kết hợp một lượng vô hạn những biến đầu vào và biến đầu ra, cần có một vài tiêu chuẩn cần thiết để chọn tập hợp tốt nhất Các tiêu chuẩn chung nhất được phát biểu như sau: các giá trị đầu vào sẽ được chọn để cho tính trội của chúng bị ảnh hưởng bởi hệ thống là lớn nhất và nó

được gọi là tiêu chuẩn phúc lợi xã hội Vì vậy, những mô hình của các hệ thống tài nguyên nước không chỉ đòi hỏi gồm những mô hình thủy văn, sinh vật và những hệ thống vật lý mà còn đòi hỏi các mô hình mô tả tập hợp hành vi và sở thích của con người Khoa học xã hội trong kinh tế có liên quan với thành phần sau cùng và hiển nhiên là ở ngoài phạm vi của tài liệu này Độc giả có thể tham khảo những tài liệu như Mass (1962), đây là những tài liệu thích hợp để thảo luận chủ đề về mô hình lưu vực nhưng không thể xem xét trong tài liệu này

Mặc dù tiêu chuẩn bảo vệ xã hội dường như rất trừu tượng, nhưng nó là cái chung đủ để áp dụng cho những quyết định được làm ra bởi các cá nhân Ví

dụ, giả sử rằng một hồ chứa nước mặt được xây dựng cho một nông trại riêng biệt Nếu người nông dân trả hoàn toàn chi phí và những người khác không bị

ảnh hưởng bất lợi, thì tiêu chuẩn phúc lợi xã hội phát triển đơn giản là hệ

thống nên được thiết kế để mà làm tăng cao nhất lợi ích thực cho người nông dân (giả thiết thị trường tự do đặt giá cho đầu vào và mùa màng) Nếu cả giá cả và lợi ích có thể được phát biểu trong mối quan hệ tiền tệ, thì tiêu chuẩn này giảm đến tiêu chuẩn tăng tuyệt đối lợi nhuận gia đình

Hầu hết các hệ thống tài nguyên nước có sự tác động từ bên ngoài, nói cách khác là những hoàn cảnh mà những hoạt động bởi một quyết định của một người có lợi hay bất lợi đối với người khác Dưới những hoàn cảnh này, việc thiết kế là khó hơn, thường bao gồm quá trình quản lý nhà nước Các mô hình của hệ thống lưu vực có thể sau đó có lợi cho những người thành lập chính sách của chính phủ Thiết kế các cấp quản lý

Nông nghiệp là một ví dụ quan trọng trong đó việc làm mô hình có thể

được sử dụng để đánh giá hay so sánh hoạt động quản lý tốt nhất

Cả thiết kế của các dự án nước cá nhân lẫn sự xây dựng chính sách của chính phủ giải quyết vấn đề nước đều có thể sử dụng một cách hiệu quả sự tiếp cận các hệ thống này

1.6 Cách tiếp cận các hệ thống

Thuật ngữ “Cách tiếp cận các hệ thống” đã là một phần của tài liệu nghiên cứu về tài nguyên nước và thủy văn cho thời đoạn trên 10 năm và những gợi ý này, nói chung được hiểu tốt

Cách tiếp cận hệ thống cho một vấn đề gồm 3 bước

1 Mô tả hệ thống

2 Mô tả hàm mục đích

3 Tối ưu hoá hệ thống

Bước đầu tiên, như vừa mới được thảo luận, hiển nhiên là quan trọng nhất Nó bao gồm việc làm mô hình hệ thống lưu vực Nếu những mô hình toán mô tả hệ thống chưa hoàn chỉnh hay bị bóp méo một cách tồi tệ thì việc thực hiện các phương án có lẽ là hoàn toàn không đúng

Bước thứ hai, chọn hàm mục đích, cũng rất quan trọng, sự lựa chọn thô

có thể đưa đến kết quả vô lý kể cả khi sự miêu tả hệ thống và những kỹ thuật tối ưu là đồng nhất

Bước cuối cùng, tối ưu hoá được đòi hỏi nếu trong thực tế hệ thống trở nên “tốt nhất” trong một vài khả năng phán đoán Trong khi sự hiểu biết của người xây dựng mô hình có thể được sử dụng trong tối ưu hoá, nó là cần thiết cho quá trình toán học thuần tuý và không đóng góp trực tiếp vào các lý thuyết thủy văn

Bước đầu tiên là sự mô tả hệ thống sẽ bao trùm trong suốt tài liệu này Hai bước tiếp theo sẽ không được xem xét một cách chi tiết như vậy

1.7 Thiết kế

Những người thiết kế các hệ thống tài nguyên nước là người sử dụng chủ yếu các mô hình lưu vực Các bài toán của thiết kế có thể được chia thành 3 nhóm:

1 Những bài toán thiết kế hạn dài

2 Những bài toán hạn trung bình

3 Bài toán hạn ngắn hay thủ tục điều hành

Thiết kế của hệ chứa nhiều mục đích là bài toán thiết kế hạn dài Nguồn

đầu tư chính phải được làm sớm hơn trong thời gian tồn tại của dự án và các lợi ích sẽ thu được trong một thời gian dài có thể 50 năm hoặc hơn thế

Ví dụ của bài toán hạn trung bình là lượng nước nào đó trong kho nước của hệ thống hồ chứa, cần đưa ra sự kết hợp nào của cây trồng cần tưới và cây trồng đất khô nên được trồng vào năm tới?

Ví dụ của bài toán hạn ngắn là có bao nhiêu nước được giải phóng từ hồ chứa kiểm soát lũ lụt vào ngày mai?

Mỗi bài toán này đòi hỏi việc xây dựng mô hình thủy văn Nghiên cứu hạn dài đòi hỏi thông tin dựa trên những dòng chảy vào trong hồ chứa và những nhu cầu sử dụng nước Nếu có số liệu quan trắc, các mô hình ngẫu nhiên có thể được sử dụng để tạo ra tập hợp của đầu vào, từ đó có thể phát triển những ước lượng sự tin cậy của hiệu suất hồ chứa với các dung tích hồ chứa khác nhau Lưu vực nhỏ thường không có chuỗi số liệu quan trắc dài, tuy vậy những mô hình lưu vực hợp nhất có thể được sử dụng trong sự liên kết giữa số liệu quan trắc giáng thủy để ước lượng dòng chảy đầu vào

Bài toán hạn vừa có thể bao gồm sự sử dụng của mô hình hồi quy tĩnh học, mô hình quan niệm hay mô hình lưu vực hợp nhất được trên cơ sở vật lý, hoặc cũng có thể là mô hình toàn cầu Bài toán hạn ngắn có thể được giải bằng cách sử dụng mô hình lưu vực hợp nhất hoặc mô hình toàn cầu ngẫu nhiên Các mô hình đòi hỏi cho thiết kế của các hệ thống quản lý nước trong trang trại

sẽ đơn giản hơn những cái mà sử dụng cho thiết kế quy mô lớn hơn, và chúng

có thể được trình bày dưới dạng sổ tay cẩm nang

Những quyết định của chính sách chung đòi hỏi những đánh giá mức độ thay đổi sẽ xảy ra nếu thực hiện hoạt động quản lý đất bị thay đổi Các mô hình dựa trên cơ sở vật lý hầu hết phù hợp với sự áp dụng này

1.8 Lựa chọn mô hình

Trong những chương tiếp theo, các mô hình của thành phần thủy văn cũng như các mô hình hợp nhất của lưu vực sẽ được thảo luận chi tiết hơn Các mô hình của quá trình mà sự thay đổi các đặc tính của dòng chảy hoặc nước tích trữ, nói cách khác là, sự xói mòn, vận chuyển bùn cát và vận chuyển hóa học, cũng sẽ được thảo luận

Mô hình của hệ thống phức tạp như lưu vực nhỏ, sẽ mô tả các thành phần riêng cùng với sự biến đổi chi tiết Một vài thành phần có thể có cơ sở lý thuyết vững, trong khi những thành phần khác là phép xấp xỉ thô Đây là phần bản chất của sự phát triển mô hình Khi chúng ta đạt được sự hiểu biết về thành phần một cách chi tiết thì chúng ta có xu hướng thay thế các mô hình thực nghiệm, mô hình toàn thể bằng các yếu tố phân bố dựa trên cơ sở vật lý Tuy nhiên, có một hạn chế cho quá trình này bởi vì những phát triển có hệ thống về lý thuyết và phân bố đòi hỏi nhiều hơn nữa dữ liệu đầu vào và thời gian tính toán cho sự mô phỏng

Trong hầu hết những trường hợp, các mô hình thay đổi khác nhau có thể

được sử dụng Sự lựa chọn của mô hình tốt nhất phụ thuộc phạm vi mở rộng trong bài toán Hiển nhiên mô hình tốt nhất thay đổi khi bài toán thay đổi Các mô hình tốt nhất chưa từng được phát triển, vì vậy sự lựa chọn này vẫn còn một phần của kỹ năng xây dựng mô hình thủy văn Dawly và Lichty (1968)

đưa ra 4 tiêu chuẩn có thể sử dụng để lựa chọn các mô hình

1 Sự chính xác của dự báo

2 Tính đơn giản của mô hình

3 Tính không đổi của những ước lượng tham số

4 Độ nhạy của kết quả với những thay đổi giá trị các tham số

Sự chính xác của dự đoán trong các đầu ra của hệ thống hiển nhiên rất quan trọng Đó là sự mong muốn mà các mô hình đã phát triển từ nghiên cứu

sẽ được kiểm tra trong những trường hợp mà các sai số ngẫu nhiên đã biết Tất cả các nhân tố khác là bình đẳng, mô hình cùng với độ lệch và biến thiên sai số nhỏ nhất sẽ là mô hình tốt nhất Tính đơn giản của mô hình liên quan đến số lượng các tham số cần ước lượng trong mô hình và tính dễ dàng trong việc phổ biến đến người sử dụng và các thành phần cộng đồng Và khi mọi nhân tố khả năng là bình đẳng thì người ta nên chọn mô hình đơn giản nhất Tính không

đổi của các ước lượng tham số là sự đánh giá quan trọng trong phát triển mô hình khái niệm, sử dụng các tham số ước lượng bằng kỹ thuật tối ưu hoá Nếu những giá trị tối ưu của tham số là rất nhạy với thời kỳ đặc biệt của số liệu quan trắc đã sử dụng, hoặc nếu chúng thay đổi nhiều giữa các lưu vực tương tự thì mô hình có thể không đáng tin cậy Cuối cùng, các mô hình không nên quá nhạy với những biến đầu vào vì sẽ gây khó khăn cho việc đo đạc

Các địnhluật vật lý

Mặc dù những tiêu chuẩn trên đây đã được đối chiếu nhưng việc nhận

được một thứ tự sắp xếp theo các tiêu chuẩn đó trong các mô hình là gần như

không thể, và chúng cần được cân nhắc kỹ càng khi lựa chọn mô hình Trong hầu hết các trường hợp sẽ có một vài mô hình khác nhau có thể được sử dụng Lựa chọn cuối cùng của mô hình “tốt nhất”, sẽ phụ thuộc vào bài toán, vào tài nguyên cho các nhà phân tích, vào không - thời gian, vào số liệu đầu vào sẵn có

và vào số lượng của các tiêu chuẩn không tường minh khác như kinh nghiệm

và có thể là "dự đoán"

Trong những chương tiếp theo, nhiều khái niệm chỉ ra trong chương này

sẽ được trình bày chi tiết Bạn đọc nên được trang bị tốt để lựa chọn, ước lượng, hoặc thậm chí phát triển các mô hình thủy văn của các lưu vực nông nghiệp nhỏ

tài liệu tham khảo

1 Clarke, R T 1973 Mathematical models in hydrology Irrigation and Drainage Paper 19, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy

282 pages

2 Dawdy, D R., and R W Lichty 1968 Methodology of hydrologic model building

In The use of analog and digital computers in hydrology Int Assoc Sel Hydrol Symp Proc., Tueson, AZ, 2(8l):347-355

3 Dooge, J C 1 1973 Linear theory of hydrologic systems Technical Bull No 1468, USDA, ARS, Washington, DC, 327 pages

4 Hempel, C G 1963 Explanation and prediction by covering laws In B Baumrin (ed.), Philosophy of science: The Delaware seminar, Interselerce John Wiley and Sons, NY and London, pp 107-133

5 Horton, R E 1931 The field, scope and status of the science of hydrology Trans

Am Geophys Union 12:189-202

6 Maas, A., M M Hufschmidt, R Dorfman, T A Thomas, Jr., 5 A Marglin, and G

M Fair 1962 Design of water-resource systems Haryard University Press, Cambridge, MA, 620 pages

7 Ozga-Zielinska, Maria 1976 Structure and operator functions of mathematical models of hydrologic systems J Hydrol Sci (Poland), 3(1,2):1-20

8 Rosenblueth, A and N Wiener 1945 Role of models in science Phil Sci 7(4) 316-

321