TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÙY LỢI KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC VŨ THANH Tũ (Chù biên), NGỎ LÉ AN, HOÀNG TH ANH TÚNG, NGUYÊN HOÀNG SƠN, NGUYỄN THANH THỦY, NGUYỄN THỊ THU NGA GIÁO TRÌNH MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN TRƯ[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÙY LỢI KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC VŨ THANH Tũ (Chù biên), NGỎ LÉ AN, HOÀNG THANH TÚNG, NGUYÊN HOÀNG SƠN, NGUYỄN THANH THỦY, NGUYỄN THỊ THU NGA GIÁO TRÌNH MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NUỚC Vũ Thanh Tú (Chú biên) Ngơ Lê An Hồng Thanh Tùng Nguyễn Hoàng Son Nguyễn Thanh Thủy Nguyễn Thị Thu Nga GIÁO TRÌNH MỒ HÌNH TỐN THỦY VĂN NHÀ XL ÁT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Biên mục xuất hàn phâm cùa Thư viện Ọuôc gia Việt Nam Giáo trình Mơ hình tốn thủy vàn / Vù Thanh Tú (ch.b.), Ngô Lê An, I loảng Thanh Tùng - 11.: Bách khoa Hà Nội, 2023 - 2X4 tr.; 27 cm DTTS ghi: Trường Dại học Thúy lợi Khoa Kỹ thuật tài ngun nước I Thủy văn Mị hình tốn học Giáo trinh 551.48015118-dc23 BKM0200p-CIP LỜI NĨI ĐÀL’ Trong lình vực nghiên cứu VC kỹ thuật tài nguycn nước nói chung thúy vãn nói riêng, mơ hình (ốn thủy vân thường sứ dụng rộng răi nhâm hỗ trọ quyẽc định liên quan den lập quy hoợch, thiét kè vận hành quán lý cơng trình thúy lợi Nhãt bổi cánh biển địi khí hậu diễn ra, mơ hình thủy ván cảng phút huy vai trỏ việc mỏ phong kịch ban, dự bão tượng cực đoan, bơi sỗ cung cap thơng (in có sỡ dáng tin cậy đe hỗ trợ cho việc định liên quan đến tài nguyên nước Giáo trinh Mơ hĩnh tốn thúy vin biên soạn đẽ phục vụ công tác giáng dạy học tập nghiên cửu khoa học cùa sinh viên, đông thời làm tãi liệu tham kháo cho học viên cao học nghiên cứu sinh câc trưởng đại học kỳ thuật nói riêng cân nghiên cứu nhóm ngành kỹ thuật tâi nguyên nước, ngành liên quan nói chung Mục tiêu cùa giâo trình lả cung cãp cho người học vã người đọc nhùng kiến thức co bán mỏ hmh toán thúy vàn xuất phát từ việc tụi phái sứ dụng mỏ hình tốn, khái niêm bán, xu phát triền đến việc ửng dụng thực liễn; với đa dạng cưa mơ hĩnh tốn thúy văn áp dụng điêu kiện toán khác Giáo trinh trinh bày thành chương, nội dung cụ the sau: Chương 1: Tỏng quan vẽ mỏ hĩnh tốn thủy văn, (ác giá Ngơ Lê An biên soạn, lãm rõ khái niệm bán ve hộ thơng q trình thúy vãn, q trinh phát tricn cùa mơ hĩnh tốn thúy văn Chương đe cập đen lý can phái thực mỏ hình hóa hộ thơng thuy vãn vả thách thức việc thực hiện; với đỏ lã việc phân loại mơ hình tốn thủy vàn dựa cách tiếp cận khác Chương 2: Các bước thực mỏ hình loan (huy văn tác gia Vũ Thanh Tú biên soạn, cung cấp nội dung liên quan đen bước từ việc lựa chọn mơ hĩnh tốn thủy văn đẽn ứng dụng mó hình tốn cụ thê Nhừng sơ đê lựa chọn mỏ hình tốn (huy vãn phũ hợp với mục đích nghiên cứu, liệu đàu vào nguồn liệu có thê khai thác sử lãm rô nội dung cùa chương Tiếp đến sơ đề đánh giã hiệu thực cùa mị hình thịng qua bước hiệu chinh kiêm dinh chi ticu đánh giá sai sô, nhu sụ cân thiết cũa việc phân tich độ nhạy vã tinh bai định mỏ hình tốn (huy vãn Chương 3: Mơ hình thúy vàn thịng số tập trung, tác già Vù Thanh Tú Nguyễn Thị Thu Nga biên soạn Trẽn sơ phản loại mõ hĩnh tốn thúy văn, cãc mơ hình thõng sơ tập trung nhu mị hĩnh kinh nghiệm, mị hình TANK mơ hình NAM giới thiệu Trong bãi loàn (húy văn nỏi chung, cãc mỏ hinh nảy đà áp dụng rộng rài thành cóng Việt Nam nước khác trcn thê giới Các nguyên lý ban, càu tnìc vã ứng dụng cùa cãc mơ hình tốn cụ thè sê trinh bây nội dung chương, bên cạnh kinh nghiệm dược đúc kèt từ việc áp dụng mơ hình tốn thúy ván cùa nhả nghiên cứu vã nước Chương 4: Mỏ hình thủy vãn thơng sơ bán phản bị vã phàn bơ, tác gia Ngỏ Lẽ An biên soạn Trong nội dung chương nãy, cảc mõ hình điên mó hĩnh HEC - IỈMS SWAT IFAS giới thiệu Có the nói đày mò hĩnh bân phân bổ phân bố dược sử dụng nhiều Việt Nam giới hời tiến cùa khoa học kỹ thuật, công nghệ Viễn Thám G1S Không không kề đến việc đầu tư vào cóng tác khao sát thục dịa xây dựng sỡ liệu đê hiêu sâu vê trinh hình thành dõng chày lưu vực Chương 5: Mô hĩnh chuôi thời gian, tác gia Hoàng Thanh Tùng Vũ Thanh Tú biên soạn Trên sở phân tích chuỗi dừ liệu thống kè mó AR(p) vả mõ hình ARMA(p, q) sồ dược giới thiệu nội dung chương Đây mỏ hĩnh cò điền đà đỡi từ lâu, đen phát huy vai trị úng dụng tốn dự báo Bẽn cạnh lã mơ hình mạng tri tuệ nhãn tạo (nơ-ron thần kinh) sir dụng cảc tốn dự báo nói chưng dự báo thúy vãn nõi riêng, đặc biệt thời kỳ Cách mạng Cõng nghiệp 4.0 Chương 6: Một sô mô hình khác, tác gia Nguyen Hồng Son, Nguyen Thanh Thúy vả Nguyễn Thị Thu Nga biên soạn Không chi xem xẽt van đẽ quan hệ giừa mưa vả hình thành dịng cháy lưu vực, nội dung chương cung câp cho người học người đọc nhùng hiểu biết rỏ hon trinh khác hệ thống thúy vân quâ trinh dòng chay kênh dần thưởng áp dụng sô mơ mơ hĩnh HEC - HMS; với dó lã q trinh xói mịn bể mặt diễn biền chất lượng nước mô tá mị hình SWAT Dãy có thê xem lã mỏ hĩnh điên hĩnh đà áp dụng nhiêu nghiên cứu vê mơ phóng q trinh xói mơn chát lượng nước lưu vực sông Cùng nội dung chương này, mơ hình MIKE HYDRO giới thiệu cho bái toán tinh toán cân băng nước Đõ cơng cụ hữu ích tốn phân tích quan lý tơng hợp tài ngun nước, đánh giả phân bó nguồn nước nhầm đâm bão vãn đề an ninh nguồn nuởc rảt câp thief bổi cánh Gián trinh Mơ hình tốn thủy vàn bicn soạn trẽn cư sớ tham kháo nhiều nguồn tài liệu khác nhau, với kinh nghiệm trinh nghiên cứu giáng dạy cùa tập thê tác giã Tuy nhiên, giáo trình biên soạn lằn đầu nên khơng tránh khói thiếu sót nhóm tác giá xin trân trọng lăng nghe cãc ý kiên đóng góp cùa bạn đọc đê giáo trinh bô sung, cập nhật hoàn thiện lân xuát ban sau Mọi ý kiên đóng góp xin gứi ve: Khoa Kỹ thuật tải nguyên nước Thúy lợi 175 Tây Sơn - Dống Da - Hà Nội Trưởng Đại học Các tác giá MỤC LỤC LỜI NÓI ĐÀU DANH MỤC TỪ VIÉT TÁT Chương TONG QUAN VỀ MƠ HÌNH TỐN' THÚY VÃN _ 13 1.1 Khái niệm hệ thống 13 1.2 Quá trinh thủy vãn 14 1.3 Khái niệm q trinh phát triền mơ hình tốn thủy văn 15 1.3.1 Khái niệm vai trị cua mơ hĩnh tốn thủy vân 15 1.3.2 Quá trinh phát triển mô hĩnh toán thúy vãn 16 1.4 Phân loại mơ hình tốn thủy vân .17 1.5 Những thách thírc việc thục mó hình hóa 19 Câu hôi thào luận chương 21 Chương CÁC BƯỚC THỤC HIỆN MƠ HÌNH TỐN THÙY VÃN 22 2.1 Khái quát chung .22 2.2 Lựa chọn mơ hình tốn 23 2.3 Dù liệu đầu vảo 26 2.3.1 Mơ hình số độ cao 28 2.3.2 Dừ liệu độ âm đất 29 2.3.3 Dữ liệu thám phu 29 2.3.4 Dừ liệu mưa vả yêu tố hậu khác 30 2.3.5 Các (lừ liệu dự báo tù mỏ hình số trị toàn cằu 31 2.4 Hiệu chinh kiểm định mó hình 32 2.5 Các chì tiêu đánh giá sai số 35 2.6 Các phương pháp xác định thông số 37 2.6.1 Phuong pháp thử sai 37 2.6.2 Phương pháp dô tim thõng so tự động 38 2.7 Phân tích độ nhạy thơng số 40 2.8 Tính bất định mơ hình tốn thủy ván 41 Cáu hói tháo luận chiro'ng 44 Chương MÔ HỈNH THỦY VÃN THÔNG SỚ TẬP TRUNG - 45 3.1 Tổng quan mơ hình thúy ván thơng số tập trung 45 3.2 Cốc mô hinh kinh nghiệm 46 3.2.1 Mơ hình quan hệ 46 3.2.2 Mỏ hình lũ đon vị 50 3.3 Mơ hình Tank 67 3.3.1 Giói thiệu mơ hình 67 3.3.2 Cấu trúc mõ hình TANK đơn 68 3.3.3 Các thịng sơ đicu kiện ban đáu cùa mơ hĩnh TANK 75 3.3.4 Thiết lập mô hĩnh vả tinh toán thứ nghiệm 76 3.4 Mơ hình NAM 80 3.4.1 Giới thiệu mơ hình 80 3.4.2 Cấu trúc mõ hĩnh NAM .81 3.4.3 Các thông sô dicu kiện ban đâu cùa mơ hình 85 3.4.4 Thiết lập mơ hình tính tốn thứ nghiệm 89 Cáu hòi thào luận chương 91 Chương MƠ HÌNH THỦY VĂN THỊNG SỚ BÁN PHÂN BỚ VÀ PHÂN BĨ 93 4.1 Tơng quan mơ hình thơng sỗ bán phân bố phân bố 93 4.2 Mó hình HEC - HMS 94 4.2.1 Giới thiệu mơ hình 94 4.2.2 Cấu trúc vả sở lý thuyết 95 4.2.3 ứng dụng mỏ hĩnh HEC - HMS 99 4.3 Mỏ hình SWAT 113 4.3.1 Giới thiệu mơ hình 113 4.3.2 cảu trúc vã sở lý thuyết 114 4.3.3 ứng dụng mơ hình ArcSWAT 118 4.4 Mơ hình IFAS 128 4.4.1 Giới thiệu mơ hình 128 4.4.2 Cầu trúc sớ lý thuyết 128 4.4.3 ứng dụng mỏ hĩnh IFAS 137 Câu hói tháo luận chương 145 Chưong MƠ HÌNH CHVỚI THỜI GIAN 146 5.1 Tổng quan mô hlnh chuỗi thời gian 146 5.2 Mơ hinh chuỗi thịi gian 150 5.2.1 Một số đặc trưng cùa chuỗi thời gian 150 5.2.2 Mơ hình tự hồi quy AR(p) 152 5.2.3 Mô hình trung binh tnrợt MA(q) 159 5.2.4 Mơ hình tự hồi quy trung binh tntọt ARMA (p q) 162 5.2.5 Tạo chuồi số ngầu nhiên đơn vị 165 5.2.6 ửng dụng mị hình chuỗi thống ké bãi tốn dụ báo 166 5.3 Mơ hình mạng nơ-ron nhân tạo 170 5.3.1 Giới thiệu chung 170 5.3.2 Mạng nơ-ron BPNN 180 5.3.3 Mạng nơ-ron LSTM 185 5.3.4 Giới thiệu phần mềm WinNN32 .190 Câu hòi thào luận chương 199 Chương MỘT SĨ MƠ HÌNH KHÁC 200 6.1 Mỏ hình diễn toán dỏng cháy 200 6.2 Mơ hình xói mịn lưu vực 220 6.2.1 Giới thiệu mô hĩnh 220 6.2.2 cắu trúc sờ lỷ thuyct 221 6.2.3 ứng dụng mơ hình 226 6.3 Mơ hình chất hiựng nuớc 232 6.3.1 Giới thiệu mô hinh 232 6.3.2 Cấu trúc mô hĩnh 234 6.3.3 ứng dụng mơ hình 246 6.4 Mô hĩnh cân bàng nước 255 6.4.1 Giới thiệu chung 255 6.4.2 Mơ hình MIKE HYDRO Basin 256 6.4.3 ửng dụng mơ hình 260 Câu hòi thào luận chưcmg 275 TÀI LIỆU THAM KHẢO 276 DANH MỤC Tũ VIÊT TÀT Tíềng Anh Tiếng Việt WMO - World Meteorological Organization Tô chức Khi tượng Thè giới GIS Geographic Information System I lệ thống thịng tin địa lý DEM - Digital Elevation Model Mơ hình sị độ cao GI’S - Global Positioning System Hộ thõng định vj toàn cầu LiDAR Light Detection and Ranging Ten loại ánh vệ tinh có độ phân giái cao NRCS Natural Resources Conservation Cục Bão tồn lãi nguyên thiên nhiên Service Hoa Kỳ STATSCO - State Soil Geographic Cơ sớ liệu dầt lien bang SSURGO Database Soil Survey Geographic Cơ sỡ dừ liệu điều tra đất NLCD - National Land Cover Dataset Dữ liệu thám phu PI’S - Processing System Các bưởc xư lý anh radar NOAA-N National Oceanic and Atmospheric Administration Vệ tinh cùa quan Quán lỹ Khi quyền vã GOES - Geostationary Satellite Server Vệ tinh địa tĩnh (Hoa Kỳ) GMS - Japanese Geostationary Meteorological Satellite Vệ tinh địa tỉnh quan trảc khí tượng Nhật Bán Meteosat Vệ linh tượng (châu Âu) TRMM - Tropical Rainfall Measuring Mission Thict bị đo mưa vũng nhiệt đới TRMM MulU-Satellite Precipitation Analysis Anh mưa phân lích tù vệ tinh khác (Một loại vệ linh chụp ánh mày mưa) TMPA Dại dương Quốc gia (Hoa Kỹ) (Một loại vệ tinh chụp ánh mây mưa) Hình 6.52 Thồng sỗ cẩy trồng Property V Soil and runoff (6) * FAO 56 ã Clay Lcm Scôl narrkộ FAO 56 - Clay loam Sol tyre FAO 56 Sol mosture ir.toi 02 Sol moaturas#n cap* K Sol mosturo wilhg pỏi Pootity 0.45 Deôh evaporaDâ layer 001 Runoff Type Runoff scs Sol meritura irtagraticr 2S Cccffrcicrt ntalaỉslr» 02S Hình 6.53 Thõng SO loại đát Thơng số loại dát trổng lây tử liệu mầu tích hợp sần cãi mơ hình MIKE HYDRO Basin, số lượng loại đầt trổng lã hạn chế, thể khuyến nghị người sư dụng tham khao thèm sớ dừ liệu cày trổng, loại đât cùa FAO có sẵn CROPWAT8.0 Bước 11 Kết nối hô chứa với nút tưới Thực tương tự bước Ngay sau kết hồ chứa với nủt tưới thi nút hổ chứa sê xuất thêm User Thứ tự ưu tiên tư động dược đưa theo thứ tự thiêt lập nút sử dụng nước Trưởng hợp muốn điều chinh, chi cần nhập lại thứ lự ưu tiên vảo Priority Lưu ý, thứ tự ưu tiền cho nút sử dụng nước phái khác Vi dụ hình 6.54 nước tữ hò chứa sê cấp cho Khu cõng nghiệp trưởc, sau mởi cấp cho Khu tưới 270 Property “ Reservoir def.nitons (1) “ HxhuoB > Genaal > Operate M Users « »huCN Identíier E3 Pnonty No -J acduci.cn Rnduct.cn favol I F \MIKFHYDRO\gtMHtoan' Has flow loss False Has flow CODOC< False * Ktoluo ldt«il