Microsoft word mo hinh toan thuy van 050925

Microsoft Word Mo hinh toan Thuy van 050925 doc TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN TÍNH TOÁN THỦY VĂN GIÁO TRÌNH MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Chủ biên PGS TS Lê Văn Nghinh Tham gia biên soạn PGS TS Bùi Công Quan[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MƠN TÍNH TỐN THỦY VĂN GIÁO TRÌNH MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN RAINFALL POTENTIAL EVAPORATION MODEL PARAMETERS RUNOFF COMPONENTS EVAPORATION RECHARGE Chủ biên: PGS TS Lê Văn Nghinh Tham gia biên soạn: PGS TS Bùi Cơng Quang ThS Hồng Thanh Tùng Hà nội - 2005 MỤC LỤC CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN 1.1 Kh¸i niệm mô hình toán 1.2 Phân loại mô hình to¸n 1.2.1 Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên 1.2.2 M« hình toán thủy văn tất định 10 1.3 trình thực mô hình toán 14 1.3.1 Chọn mô hình ứng dụng 14 1.3.2 Thu thập chỉnh lý số liệu đầu vào mô hình 15 1.3.3 Hiệu chỉnh - xác định thông số mô hình 16 1.3.4 Kiểm định mô hình 20 1.3.5 Đánh giá độ xác mô mô hình 21 1.4 Một số phơng pháp tối u hoá thông số mô hình 23 1.4.1 Tìm giá trị tối u thông số theo phơng pháp ô vuông 26 1.4.2 Tìm giá trị tối u thông số theo phơng pháp mặt cắt vàng 27 1.4.3 Tìm giá trị tối u thông số theo phơng pháp độ dốc 28 1.4.4 Tìm giá trị tối u thông số theo phơng pháp Rosenbroc 29 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH MƯA – DỊNG CHẢY 34 2.1 Quá trình hình thành dòng chảy 34 2.2 Các loại mô hình ma dòng ch¶y 35 2.2.1 Mô hình quan hệ (Rational model) 36 2.2.2 Mô hình nguyên dòng chảy (Time/Area method) 40 2.2.3 Mô hình sóng động lực 43 2.2.4 Mô hình lũ đơn vị 45 2.2.5 Mô hình nhận thức 56 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN 62 3.1 Các trình ngẫu nhiên thủy văn 62 3.2 Tổng hợp phân tích chuỗi liệu 63 3.2.1 Phân tích hồi quy nhiều biến 63 3.2.2 Mơ h×nh tù håi quy bËc p AR(p) 65 3.2.3 Mô hình trung bình trợt bậc q MA(q) 69 3.2.4 Mô hình ARMA(p,q) 71 3.3 Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) 73 3.3.1 Giới thiệu chung 73 3.3.2 So sánh mơ hình ANN với ARMA 73 3.3.3 Cấu trúc mạng ANN 74 3.3.4 Giới thiệu phần mềm WinNN32 78 3.3.5 Hướng dẫn thực hành 88 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH TỐN MẠNG LƯỚI SễNG .90 4.1 Mở đầu 90 4.2 Dòng chảy ổn định không ổn định sông 90 4.3 Hệ phơng trình saint vernant 92 4.3.1 Hệ phơng trình chuyển động sông 92 4.3.2 Chuyển phơng trình vi phân thành phơng trình sai phân 93 4.3.3 Chuyển hệ phơng trình Saint Venant thành hệ phơng trình đại số 95 4.3.4 Tính toán thủy lực cho mạng lới sông theo sơ đồ ẩn 98 4.3.5 Tính toán thủy lực cho mạng lới sông theo sơ đồ hiƯn 103 4.4 tỉng quan vỊ c¸c chơng trình tính toan thủy lực 106 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC .108 5.1 Mở đầu 108 5.2 Khái quát chung chất lợng nớc 109 5.2.1 Đặc tÝnh cđa thĨ n−íc 109 5.3 phơng trình truyền chất b¶n 110 5.4 Mô hình chất lợng nớc đơn giản 112 5.5 Các mô hình phản ứng song đôi 114 5.6 Mô hình Streeter-Phelp 114 5.7 Mô hình QUAL2E 117 5.7.1 Giới thiệu mô hình QUAL2E 117 5.7.2 Các công thức tổng quát dùng mô hình 118 5.7.3 Các phản ứng quan hệ tơng tác 125 5.7.4 Biểu thị nhiệt độ dới dạng hàm số 129 5.7.5 Giíi thiƯu vỊ chơng trình tính mẫu 132 5.8 mô hình CORMIX 133 5.8.1 Giíi thiƯu chung mô hình CORMIX 133 5.8.2 Số liệu đầu vào mô h×nh CORMIX 134 5.8.3 Các đặc trng đầu mô hình 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 Phô lôc 145 Phô lôc 155 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM MƠ HÌNH TỐN THY VN Trong vài chục năm gần đây, thành tựu khoa học, kỹ thuật đặc biệt lĩnh vùc vËt lý, to¸n häc tÝnh to¸n cïng víi sù có mặt máy tính điện tử đà có ảnh hởng sâu sắc đến khoa học thủy văn Có thể nói việc ứng dụng thành tựu đà làm thay đổi chất lợng môn khoa học thủy văn Phơng pháp mô hình toán đà cho phép nhà thủy văn mô trình, tợng thủy văn vận động phức tạp nớc tự nhiên dới dạng phơng trình toán học, lôgíc giải chúng máy tính điện tử Phơng pháp mô hình toán có nhiều khả xem xét diễn biến tợng thủy văn từ vi mô đến vĩ mô Đây hớng nghiên cứu thủy văn đại Nó đà cho phép cung cấp thông tin cần thiết cho đối tợng sử dụng nguồn nớc khác quy hoạch, thiết kế khai thác tối u tài nguyên nớc Việt Nam, việc ứng dụng phơng pháp mô hình toán vào nghiên cứu, tính toán thủy văn xem nh đợc cuối năm 60, qua việc ủy ban sông Mêkông ứng dụng mô hình nh SSARR (Rokwood D.M Vol.1 1968)[1] Mỹ, mô hình DELTA Pháp (Ban th ký sông Mê Công 1980) [2] mô hình toán triều Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mêkông Song, sau ngày miền Nam đợc hoàn toàn giải phóng (1975), đất nớc thống phơng pháp ngày thực trở thành công cụ quan trọng tính toán, dự báo thủy văn nớc ta Ngày nay, mô hình trên, số mô hình khác nh mô hình TANK (Nhật), mô hình ARIMA đợc nhiều quan nghiên cứu ứng dụng (Sugawra M., Ozaki E , Wtanabe I., Katsuyama Y., Tokyo 1974)[3] Víi kÕt nghiên cứu bớc đầu nhiều tác giả Việt Nam đà cho thấy mô hình có nhiều khả ứng dụng tốt nhiều toán khac phục vụ cho quy hoạch, thiết kế điều hành khái thác nguồn nớc Song, để nâng cao khả ứng dụng mô hình, cần có nghiên cứu bổ sung hoàn thiện (cả cấu trúc nh phơng pháp hiệu chỉnh tham số mô hình) cho phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế cà hội nớc ta Ngày nay, công phát triển kinh tế đất nớc đòi hỏi phải có chiến lợc khai thác tài nguyên (trong có tài nguyên nớc) cách hợp lý đem lại hiệu kinh tế cao Nhng thực tế, độ dài chuỗi số liệu thực đo yếu tố khí tợng thủy văn lu vực vừa nhỏ nớc ta cha đáp ứng yêu cầu Từ đó, toán cần đợc nghiên cứu giải tính toán dòng chảy từ ma, tính toán khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy, dự báo tình hình dòng chảy tơng lai Đó toán tính toán quy hoạch, thiết kế điều hành khai thác tối u hệ thống nguồn nớc trớc mắt nh lâu dài 1.1 Khái niệm mô hình toán Thủy văn trình tự nhiên phức tạp, chịu tác động nhiều yếu tố Thuỷ văn học khoa học nghiên cứu nớc trái đất, giống nh nhiều ngành khoa học tự nhiên khác, trình nghiên cứu, phát triển thờng trải qua giai đoạn: ã Quan sát tợng, mô tả, ghi chép thời điểm xuất ã Thực nghiệm: lặp lại điều đà xảy tự nhiên với quy mô thu nhỏ ã Giải thích tợng, phân tích rút quy luật Kiểm tra mức độ phù hợp quy luật với ®iỊu kiƯn thùc tÕ, øng dơng phơc vơ lỵi Ých ngời Việc lặp lại tợng thuỷ văn phòng thí nghiệm thực mô hình vật lý (nh: dụng cụ Lizimet đo bốc thấm, mô hình ma nhân tạo bÃi dòng chảy để nghiên cứu hình thành dòng chảy, xói mòn bề mặt ) song chi phí cho xây dựng mô hình vật lý tốn Các mô hình vật lý thờng phù hợp với không gian không lớn ví dụ công trình đầu mối hệ thống thuỷ lợi, đập tràn cống ngầm, đoạn sông Khi không gian mở rộng tới hệ thống vài hồ chứa, vài trạm bơm hệ thống thuỷ nông chi phí cho mô hình vật lý tăng lên nhiều Lối thoát chọn tỷ lệ thu nhỏ, lối thoát thứ hai chọn tỷ lệ biến dạng Cả hai cách làm giảm mức độ xác kết tính toán Ví dụ nghiên cứu tợng nớc lũ tràn qua đồng sông Cửu Long, diện tích ngập lụt lên tới vạn km2, chiều dài dòng sông chÝnh tíi 433 km chiỊu réng tõ 400 m tíi 2000 m, chiều sâu ngập nớc có nơi tới 45 m nhng có nơi không tới 0.5 m, rõ ràng xây dựng mô hình vật lý cho kh«ng gian lín nh− vËy dï cã chän tû lệ biến dạng biểu diễn đợc mô hình vật lý tốc độ nớc chảy 2,5 m/s sông tốc độ nớc chảy 0.05m/s tràn qua đồng Cha kể thu nhỏ mô hình, làm giảm tốc độ chảy chuyển chế độ chảy rối thực tế thành chảy tầng mô hình làm sai lạc hẳn kết tính toán Xuất phát từ khó khăn cách lựa chọn dùng mô hình Toán Hiện mô hình toán thuỷ văn phát triển nhanh chóng có u điểm sau: 1- Phạm vi ứng dụng rộng rÃi, đa dạng với nhiều loại mô hình Mô hình toán phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn nh quy hoạch thoát lũ cho lu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình Thuỷ lợi, quản lý khai thác nguồn nớc lu vực sông 2- ứng dụng mô hình toán thuỷ văn giá thành rẻ cho kết nhanh mô hình vật lý 3- Việc thay đổi phơng án mô hình tính toán thực nhanh chóng, đơn giản hiệu Sự phát triển máy tính điện tử phơng pháp tính đà tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển mô hình toán, cấu trúc mô hình ngày đa dạng, phức tạp, mô tả tợng sát thực tợng thủy văn Tuy nhiên mô hình toán phát triển nhanh, đa dạng có hiệu nhng hoàn toàn thay đợc mô hình Vật Lý Chính kết qủa đo đạc mô hình Vật Lý giúp cho việc hiệu chỉnh thông số mô hình toán đợc xác hơn, chất vật lý tợng đợc làm rõ Vì lý nên hai loại mô hình đợc phát triển song song thực tế Vì ngời sử dụng cần biết chọn loại mô hình trờng hợp cụ thể cho kết xác giá thành hạ Mô hình toán thuỷ văn hiểu theo nghĩa rộng cách mô tả tợng thuỷ văn biểu thức toán học Có nhiều loại mô hình toán khác nhau: loại mô tả hình thành dòng chảy sông, loại mô tả số lợng nớc mặt, loại mô tả số lợng nớc ngầm, loại mô tả hàm lợng bùn cát, loại mô tả chất lợng nớc, loại mô cách quản lý lu vực 1.2 Phân loại mô hình toán Việc phân loại mô hình toán thủy văn không thống mô hình phát triển đa dạng, xây dựng mô hình ngời ta ý nhiều tới khả áp dụng thuận tiện để giải tốt toán thực tế đặt không ý tới xếp loại, ví dụ nên có mô hình vừa giải tính toán số lợng nớc vừa giải tính toán chất lợng nớc nh mô hình tiêu nớc đô thị SWMM (Storm Water Managment Model) Trên hình hai sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn theo hai quan điểm khác nhau, nhiên phần lớn theo sơ đồ thứ Sau ta xem xét mô hình toán thuỷ văn phân loại 1.2.1 Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên Nh ta đà biết qua trình thủy văn trình tự nhiên bị chi phối nhiều yếu tố chúng mang đặc tính ngẫu nhiên Khi đề cập đến mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên tính toán thủy văn Yevjevich V (Yevjevich V 1976) [4] đà coi trình khí tợng thủy văn thuộc loại trình cã tÝnh chÊt chu kú ngÉu nhiªn TÝnh chu kú tợng thủy văn đợc quy định chu trình thiên văn, tính ngẫu nhiên bị chi phối biến đổi môi trờng Trái đất Nhìn vào chuỗi thủy văn quan trắc đợc dễ dàng nhận thấy chu kỳ thiên văn quy định chu kỳ tợng thủy văn với chu kỳ ngày, tháng, mùa, năm nhiều năm Đặc điểm chu kỳ chuỗi khí tợng thủy văn thờng đợc biểu thị mô hình toán dới dạng tham số nh trị bình quân (giá trị kỳ vọng), tham số bậc hai (gồm hệ số tơng quan, khoảng lệch trung bình bình phơng), tham số bậc ba (hệ số không đối xứng) Thành phần ngẫu nhiên thờng gọi nhiễu hay ồn nh dạng nhiễu trắng (white noise) Trong mô hình ngẫu nhiên có số giả thiết định Những giả thiết thờng đợc khái quát, phát triển sở kinh nghiệm, thử nghiệm nghiên cứu chuỗi số liệu thủy văn (chuỗi dòng chảy ngày, chuỗi dòng chảy tháng, chuỗi dòng chảy năm) từ đặc tính vật lý trình nh hiểu biết tợng thủy văn ngời xây dựng mô hình Sơ đồ - Mô hình toán thủy văn Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tất định Mô hình ngẫu nhiên -tất định Mô hình nhận thức Mô hình hộp đen Mô hình thông số tập trung Mô hình thông số phân bố Mô hình động lực học Sơ đồ - Mô hình toán thủy văn Mô hình chất lợng nớc Mô hình nớc ngầm Mô hình số lợng nớc Mô hình nớc mặt Mô hình truyền chất Mô hình tất định MH d/c sờn dốc MH d/c sông Mô hình bùn cát Mô hình thống kê MH QH&QL lu vực Hình Sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn Nhìn chung mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên dựa vào giả thiết tính dừng tính lôgíc chuỗi nghiên cứu Theo Dawdy (Dawdy D.R -1969) [5] mô hình toán ngẫu nhiên thuỷ văn phơng pháp tơng đối Sự khởi đầu nã cã thĨ tÝnh tõ Hazen chøng minh kh¶ áp dụng lý thuyết xác suất, thống kê toán học vào phân tích chuỗi dòng chảy sông ngòi (1914) Năm 1949 Krisski Menkel đà sử dụng mô hình Marcov để tính tóan trình dao động mực nớc biển Kaspien (Liên Xô) [6] Vào năm 60 cđa thÕ kû tr−íc cã thĨ xem nh− c¸c mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên thức đợc phát triển Năm 1962 Svanidze đà sử dụng phơng pháp Konte Carlo có xét đến mối quan hệ bậc chuỗi dòng chảy sông ngòi Năm 1962, chơng trình phát triển nguồn nớc Trờng Đại học Havard (Thomas H.A Fiering M.B.) [7] đà sử dụng mô hình tự hồi quy vào tạo chuỗi dòng chảy tháng phục vụ cho tính toán thiết kế hệ thống kho nớc Năm 1963 (Matalas N.C.) đà sử dụng mô hình trung bình trợt (moving average models) vào tính tóan dòng chảy từ trận ma kỳ trớc [8] Sau loạt mô hình ngẫu nhiên khác đời đợc ứng dụng vào tính toán thủy văn, dự báo thủy văn (O Connel P.E -1977)[9] Các mô hình ngẫu nhiên đà làm cho vấn đề sử dụng trực tiếp dòng chảy đo đợc khứ dự báo ớc tính dòng chảy xảy tơng lai để tính toán xác định dung tích kho nớc tính toán thiết kế điều hành khai thác nguồn nớc không biện pháp Việc sử dụng chuỗi dòng chảy nhân tạo kết việc ứng dụng mô hình ngẫu nhiên lu vực thiếu tài liệu quan trắc mà trờng hợp chuỗi quan trắc dài sử dụng để tính toán kiểm tra đánh giá Tóm lại mô hình hóa toán học ta tìm đợc thể khác trình ngẫu nhiên nghiên cứu có khả xảy tơng lai Bởi vậy, lý thuyết điều tiết dòng chảy việc sử dụng mô hình toán thủy văn để dự báo, ớc báo nguồn nớc có ý nghĩa quan trọng Với chuỗi dòng chảy ớc báo mô hình có tham số thống kê nhận đợc từ từ chuỗi tài liệu thực đo cho phép nhà quy họch, thiết kế công trình sử dụng nguồn nớc xem xét đánh giá đợc tổ hợp khác để tìm dung tích kho nớc hơp lý, phơng án vận hµnh tèi −u sư dơng ngn n−íc cđa hƯ thống 1.2.2 Mô hình toán thủy văn tất định Mô hình toán tất định coi trình thủy văn kết tất nhiên yếu tố vật lý chủ yếu vai trò yếu tố ngẫu nhiên thể giao động chúng Từ góc độ lý thuyết hệ thống, mô hình toán tất định đợc xây dựng giả thiết coi mối quan hệ lợng vào lợng hệ thống thủy văn (lu vực sông hay đoạn sông) đà đợc xác đinh Nói cách khác, với đầu vào xác định có đầu tơng ứng xác định Phản ứng hệ thống đầu vào (cấu trúc mô hình) đợc mô biểu thức toán học, biểu thức lôgíc với tham số không chứa thành phần ngẫu nhiên Các mô hình thuỷ văn tất định dựa phơng pháp toán học sử dụng máy tính làm công cụ tính toán cách tiếp cận đại tính toán trình dòng chảy lu vực hệ thống sông Việc đời mô hình thuỷ văn tất định đà mở hớng cho tính toán thuỷ văn, góp phần giải khó khăn số liệu thuỷ văn nh nâng cao độ xác tính toán cho quy hoạch thiết kế công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, khắc phục số khó khăn mà phơng pháp tính toán thuỷ văn cổ điển cha giải đợc Các mô hình toán thủy văn tất định chủ yếu đợc dùng vào việc mô mối quan hệ ma dòng chảy lu vực, trình vận động nớc lu vực, hệ thống sông Loại mô hình đợc phổ biến dùng toán dự báo dòng chảy ngắn hạn, khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy từ chuỗi số liệu ma Một u điểm mô hình toán tất định có khả xem xét, đánh giá đợc ảnh hởng phản ứng hệ thống cÊu tróc bªn nã cã 10 ... toán thiết kế hệ thống kho nớc Năm 1963 (Matalas N.C.) đà sử dụng mô hình trung bình trợt (moving average models) vào tính tóan dòng chảy từ trận ma kỳ trớc [8] Sau loạt mô hình ngẫu nhiên khác... (Sugawara M., Ozaki E., Watanabe I., Katsuyama Y.) [3], mô hình STANFORD (****), mô hình RRMOD - Railfall runoff models (Linsley R.K.) [13-79], mô hình NAM *****, mô hình USDAHL ****, mô hình HEC-HMS... lợng nớc vừa giải tính toán chất lợng nớc nh mô hình tiêu nớc đô thị SWMM (Storm Water Managment Model) Trên hình hai sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn theo hai quan điểm khác nhau, nhiên phần