Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 1 docx

C C h h ơ ơ n n g g 1 1 Mô hình hoá thuỷ văn lu vực nhỏ 1.1 Giới thiệu 17 1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và 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 là những thành phần của các mô hình hệ thống tài nguyên nớc. 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 15 16 Mô hình hoá thuỷ văn các lu 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 u hoá là một trong những hoạt động quan trọng trong thiết kế các hệ thống tài nguyên nớc. 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 đợc chọn, nó có thể đợc 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 nớc. Những biến thiết kế của các thành phần hoặc số lợng, vị trí và kiểu của những thành phần có thể đợc thay đổi sau đó và bằng việc đánh giá các phơng án ta có thể tìm ra phơng án tối u. Tổng hợp hệ thống thủy văn cũng phải trả lời những câu hỏi nh: Việc quản lý đất nông nghiệp đã gây ra những tác động nào đối với chất lợng và khối lợng nớc ? bởi vì không thể nào thu đợc 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 ngời thấy rằng muốn hiểu và dự báo giá trị bất cứ một bộ phận nào của môi trờng thì cần phải khái quát. Sự khái quát bao gồm, việc thay thế một bộ phận của tổng thể dới hình thức mô hình cấu trúc đơn giản hơn. Những mô hình, một mặt là hình thức hay trí tuệ, mặt 17 khác nó là vật chất, nh 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 nớc và ớc lợng 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 nh 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 lu vực nông nghiệp nhỏ. Để đạt đợc mục đích đó, lu vực nhỏ là một trong những đối tợng mà ảnh hởng 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 lu vực ở thành phố đã bị loại bỏ, nhng những nguyên lý cơ bản mà nhiều mô hình mô tả có thể dùng tốt cho các lu vực kể cả ở thành phố. Hình 1.1 Vòng tuần hoàn thuỷ văn (theo Horton, 1931) Mục đích của chơng này là thảo luận vai trò của mô hình thủy văn lu vực nhỏ. Những dạng của mô hình có thể đợc sử dụng để mô tả và những số 18 hạng quan trọng đã đợc định nghĩa. Cuối cùng, mô hình thủy văn đã đợc xem xét nh là những thành phần của mô hình hệ thống tài nguyên nớc. 1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và thành phần của nó Các mô hình lu vực thủy văn phải miêu tả đợc vòng tuần hoàn thủy văn bằng những phơng pháp thích hợp khác nhau. Những quy luật bảo toàn khối lợng, năng lợng và động lợng đợc tổng hợp trong tập hợp thành nguyên tắc lý thuyết, và đợc 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 lu vực nhỏ. Nguyên lý của sự bảo toàn khối lợng thờng minh họa bằng lợng nớc 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 lợng nớc trên trái đất có thể xem là không thay đổi. Trong thủy văn học lu 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, nh trong hình 1.2, ta có thể viết phơng trình biểu diễn tích phân của tính bảo toàn khối lợng, trong một khoảng thời gian bất kỳ là t, khi lợng nớc vào bằng lợng nớc ra cộng đại số với sự thay đổi của kho nớc. P + W = Q S + Q B + D + S + EA (1.1) ở đây: P = lợng giáng thủy nhận đợc trên diện tích A. W = nớc vào (hay ra) bởi hoạt động của con ngời. Q S = dòng chảy bề mặt. Q B = dòng chảy vào sát mặt khi chảy qua đất xốp cha bão hòa hay đã bão hòa. D = sự thay đổi của lợng trữ nớc bề mặt (Sự tích trữ nớc suy yếu hay giữ lại) 19 S = sự thay đổi của lợng trữ nớc trong đất. E = lợng bốc hơi, trên 1 đơn vị diện tích (bao gồm cả lợng bốc hơi từ thực vật). Hình 1.2 Thể tích đối với cân bằng nớc. Mặc dù mọi kích thớc đều có thể đợc biểu diễn bằng đơn vị của khối lợng, nhng thông thờng ngời ta đa 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 nớc có thể khác nhau tơng đối nhỏ và dòng nớc chảy từ thể tích kiểm soát này hoặc từ lu vực nhỏ là sự khác nhau giữa tổng lợng giáng thủy, nớc nhập vào lu vực và lợng bốc hơi. Tổng lợng bốc hơi bị điều khiển bởi tổng lợng năng lợng sẵn có ở tầng đất và không khí trong thảm thực vật. Tính bảo toàn của phơng trình năng lợng đợc viết cho bề mặt lu vực khi tốc độ thực của năng lợng vào trên 1 đơn vị diện tích bằng tốc độ năng lợng ra, hay: R S (1-) = R L + G + H + LE (1.2) trong đó: R S = mật độ thông lợng của tổng lợng bức xạ sóng ngắn trên bề mặt đất. 20 = abledo của bề mặt (phần nhỏ của sự ra nhập bức xạ sóng ngắn đã đợc bức xạ) R L = mật độ thông lợng thực của bức xạ sóng dài G = mật độ thông lợng nhiệt trong đất. H = nhiệt chuyển vào trong khí quyển L = ẩn nhiệt của sự bốc hơi nớc E = tốc độ bốc hơi. Đơn vị cho tất cả các số hạng là năng lợng 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 đợc bỏ qua trong phơng trình (1.2) bởi vì chúng chỉ khoảng 1% của R S . Các phơng trình (1.1) và (1.2) đợc liên kết với nhau bởi số hạng bốc hơi E. Độ lớn của E trong phơng trình (1.1) giới hạn bằng tổng năng lợng 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 nớc trong đất đến rễ cây. Trong khoảng thời gian ngắn, mặc dù tính bảo toàn của phơng trình là cần thiết, nhng điều đó không đủ để mô tả 1 cách chính xác những hiện tợng động lực thủy văn nh là dòng chảy mặt. Ví dụ, trong dòng chảy trên đất, hạt ma rơi trên bề mặt đợc tác động bởi dòng nớc, lực trọng trờng và lực cản tăng tốc dòng chảy. Phơng trình thứ hai phải dựa vào nguyên lý bảo toàn năng lợng hay động lợng. Cả hai phơng trình cùng với điều kiện biên và điều kiện ban đầu, sẽ mô tả các quá trình động lực của dòng chảy. Những chơng 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 lu vực. 1.3 phân loại mô hình Bằng cách sử dụng mô hình, ta có thể hiểu hoặc giải thích hiện tợng tự nhiên đợc tốt hơn, và cùng với một vài điều kiện chúng ta có thể đa ra những dự báo trong khả năng phán đoán xác định hay ngẫu nhiên. Chúng ta hiểu gì khi nói chúng ta hiểu một biến cố hoặc một vài khía cạnh nào đó của môi 21 trờng sống? Hempel (1963) cho rằng, nếu nói chúng ta hiểu một biến cố hoặc một chu kỳ tức là chúng ta có thể đa 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 tợng nào đó đã đợc giải thích. Sau đó, nếu E có thể đợc suy ra từ tập hợp L 1 , L 1 , , L n của quy luật chung hoặc những nguyên tắc lý thuyết, và tập hợp C 1 , C 2 , , C n của những phát biểu đã đợc thực nghiệm, chúng ta có thể nói rằng hiện tợng đã đợc giải thích. Từ định nghĩa này, với nó là các mô hình hình thức đợc đáp ứng cho giải thích khoa học. Một vài tiêu chuẩn khác nhau đã đợc sử dụng để phát triển hệ thống phân loại cho mô hình. Trong nhiều trờng 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 đợc 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 tợng trng và thờng là biểu diễn mang tính toán học của sự kiện đã đợc lý tởng 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 đợc giả sử rằng đơn giản hơn hệ thống thực và cũng giả sử là có các đặc tính tơng tự nh 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 tợng" hoặc mô phỏng và những mô hình tơng tự. Một mô hình hình tợng là một phiên bản đơn giản hóa của hệ thống thế giới thực. Nó đòi hỏi những vật liệu giống nh 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 lợng ma, máng thủy lực và những hệ thống thực nghiệm lu vực là các ví dụ của mô hình biểu tợng. Bằng cách đo định kỳ thể tích của lợng nớc rút từ thùng đo thấm và xác định trọng lợng của nó chúng ta có thêm đợc một số hiểu biết về những tốc độ tơng đối của sự thấm ở dới sâu và sự bốc toát hơi ở từ sờn, diện tích không bị xáo trộn với thực vật và đất. Chúng ta không quan tâm đến kích thớc của mô hình nhng 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 đa đến cho ta trong quá trình mô phỏng. 22 Nguyên tố xác định lợng ma, máng thủy lực và những hệ thống thực nghiệm thủy văn có thể giúp để xác định những nhân tố quan trọng nhất nên đợc biểu diễn trong mô hình toán của dòng chảy trên đất và các quá trình xói mòn. Để sử dụng đợc, những mô hình biểu tợng 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 đợc mô hình toán công nhận. Thay đổi độ lớn hay quy mô thời gian (hoặc cả hai) đợc đòi hỏi thờng 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 tợng thờng kéo theo những sự sai khác và độ lớn của sự sai khác này phải đợc xem xét một cách cẩn thận và phải có trong những phơng trình dự báo. Hình 1.3. Phân loại mô hình Hệ thốn g thực Các mô hình vật chất Các mô h ì nh toán Thực n g hiệm L ý thu y ết Tơn g tự Mẫu Trong mô hình tơng tự, các đại lợng đợc đo đạc trong mô hình là các thí nghiệm vật lý là khác so với trong hệ thống thực ban đầu. Ví dụ, dòng điện có thể miêu tả thay thế cho dòng nớc, hoặc một màng mỏng cũng có thể miêu tả thay cho mực nớc ngầm. Tính logic của mô hình tơng tự phụ thuộc vào sự tồn tại của mối quan hệ toán học của việc mô tả cả hệ thống thực và cái tơng 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 lu vực là toán học; do đó tới đây chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ mô 23 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 trờng 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 nhng 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 thờng 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 tơng quan với nhau mà trong khi ở thực tế chúng không có liên quan với nhau. Về nguyên tắc những mối quan hệ nh vậy không nên ứng dụng ngoài khoảng của dữ liệu mà ngời ta đã thu đợc chúng. Trong việc xây dựng mô hình lu vực nhỏ, có rất nhiều các ví dụ về sự đơn giản hóa trong mô hình lý thuyết. Dòng chảy mặt trong lu vực nhỏ đợc mô tả chung bằng phơng trình bảo toàn động lợng mà nó thể hiện trong số hạng sức cản thủy lực thực nghiệm. Dới các điều kiện nào đó, phơng trình động lợng đã đợc đơn giản hóa nhiều và gọi là phơng trình động học. Những bài toán dòng chảy sát mặt sử dụng phơng trình Darcy, phơng trình thực nghiệm. Việc xây dựng mô hình sự thấm hiện đại dựa vào phơng 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 lu vực là lai tạp bao gồm cả những thành phần lý thuyết và thực nghiệm. Những mô hình toán thủy văn nh chúng ta đã biết ngày nay có thể phân loại theo 6 tiêu chuẩn (Ofga - Zielinska, 1976): (a) cấu trúc và đối tợng của mô hình, (b) vai trò của nhân tố thời gian, (c) giá trị nhận thức của mô hình, 24 [...]... Biến đầu ra Mô hình một thành phần Mô hình một thành phần Mô hình một thành phần Biến đầu vào Mô hình một thành phần Biến đầu ra Mô hình một thành phần Biến đầu vào Mô hình một thành phần Điều khiển toàn cầu của đờng dẫn nớc Biến đầu ra Hình 1. 4 Sơ đồ cấu trúc các mô hình thuỷ văn (theo Ozga - Zielinska, 19 76) Khi chúng ta xem xét tiêu chuẩn phân loại thứ ba là giá trị nhận thức của mô hình thì có... độ này đợc 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 nớc thoáng sẽ đợc phân loại những mô hình quá trình riêng biệt Khi nhìn vào hình 1. 4 (a) chúng có dạng: Y(t) = Q[X(t)] (1. 3) ở đây: Y(t) = đầu ra X(t) = đầu vào Q = toán tử của quá trình ở trong mô hình bốc... tính của hàm toán tử 1. 3 .1 Cấu trúc và đối tợng của mô hình Cấu trúc và đối tợng của mô hình là tiêu chuẩn đầu tiên, liên quan đến một hay nhiều phần nào đó của vòng tuần hoàn thủy văn, chúng đợc tổng hợp trong mô hình về mức độ trừu tợng 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 lu vực hợp nhất, (d) những mô hình lu vực toàn cầu... tố thời gian thì những mô hình đợc phân loại thành mô hình tĩnh học và mô hình động học Các mô hình tĩnh học bao gồm các phơng 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 lu lợng trung bình hằng năm của dòng chảy theo thời tiết và những nhân tố của các hiện tợng tự nhiên là mô hình tĩnh học Những mô hình toán trong đó thời gian... 27 (a) những mô hình dựa trên cơ sở vật lý, (b) những mô hình khái niệm, (c) những mô hình xu thế Các mô hình dựa trên cơ sở vật lý mà trong đó những quy luật vật lý có tính chủ đạo và cấu trúc của mô hình là đợc nhiều ngời biết đến, và đợc mô tả bằng các phơng trình của vật lý, toán Các mô hình khái niệm đợc sử dụng khi cấu trúc của mô hình và các quy luật vật lý không đợc biết hoặc mô hình dựa trên... mẫu phụ thuộc n thậm chí nếu Q và đã biết chắc chắn Các mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn sẽ đợc thảo luận chi tiết trong chơng 2 31 1.5 Các mô hình thủy văn là những thành phần của các mô hình hệ thống tài nguyên nớc Mặc dù là những mô hình rất cần thiết để hiểu biết hiện tợng thủy văn, nhng trong kỹ thuật xây dựng chúng ta quan tâm đến các mô hình nh những dụng cụ để sử dụng trong những xử lý tối... hợp, các mô hình thay đổi khác nhau có thể đợc 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 cha từng đợc phát triển, vì vậy sự lựa chọn này vẫn còn một phần của kỹ năng xây dựng mô hình thủy văn Dawly và Lichty (19 68) đa ra 4 tiêu chuẩn có thể sử dụng để lựa chọn các mô hình 35 1 Sự chính... khác nhau Lu vực nhỏ thờng không có chuỗi số liệu quan trắc dài, tuy vậy những mô hình lu vực hợp nhất có thể đợc sử dụng trong sự liên kết giữa số liệu quan trắc giáng thủy để ớc lợng dòng chảy đầu vào 34 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 lu vực hợp nhất đợc trên cơ sở vật lý, hoặc cũng có thể là mô hình toàn cầu Bài toán hạn ngắn... dụng này 1. 8 Lựa chọn mô hình Trong những chơng tiếp theo, các mô hình của thành phần thủy văn cũng nh các mô hình hợp nhất của lu vực sẽ đợc thảo luận chi tiết hơn Các mô hình của quá trình mà sự thay đổi các đặc tính của dòng chảy hoặc nớc tích trữ, nói cách khác là, sự xói mòn, vận chuyển bùn cát và vận chuyển hóa học, cũng sẽ đợc thảo luận Mô hình của hệ thống phức tạp nh lu vực nhỏ, sẽ mô tả các... 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, nớc trong đất di chuyển và sự tác động trở lại của cây cối Mô hình hợp nhất là một ví dụ của mô hình lu vực toàn diện Nh 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 . 1 1 Mô hình hoá thuỷ văn lu vực nhỏ 1. 1 Giới thiệu 17 1. 2 Vòng tuần hoàn thủy văn và thành phần của nó 19 1. 3 Phân loại mô hình 21 1. 4 Bản chất ngẫu nhiên của quá trình thủy văn. 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 tợng" hoặc mô phỏng và những mô hình tơng tự. Một mô hình hình tợng. nhiều mô hình mô tả có thể dùng tốt cho các lu vực kể cả ở thành phố. Hình 1. 1 Vòng tuần hoàn thuỷ văn (theo Horton, 19 31) Mục đích của chơng này là thảo luận vai trò của mô hình thủy văn