Khái niệm
Sự phát triển của các mô hình thuỷ văn đ−ợc thảo luận trong ch−ơng 1 là một kết quả tự nhiên của việc phát triển máy tính và các lợi ích của chúng, những sự phát triển lý thuyết và các cố gắng thu thập số liệu trong suốt hai thập niên qua. Các máy tính và các mô hình trong thực tế có cuộc cách mạng về ph−ơng pháp giải trong các ph−ơng pháp tính toán thuỷ văn và các quy luật bấy giờ đ−ợc hoàn thành. Tuy nhiên, nhiều mô hình có sự phát triển nhiều hơn có thể đ−ơc tóm tắt trong bài học, và một ph−ơng pháp ẩn đ−ợc sử dụng, dẫn tới khái niệm các mô hình hoạt động.
Trong bài này thời kỳ hoạt động áp dụng ba điều kiện:
1, Sự cung cấp t− liệu, đặc biệt sử dụng bằng tay cho hoạt động của ch−ơng trình.
2, Sử dụng và thử nghiệm bởi một ng−ời nào đó khác hơn với ng−ời phát triển mô hình.
3, Sự duy trì và giúp đỡ ng−ời dùng.
Các ph−ơng pháp duy trì phần lớn th−ờng đ−ợc cung cấp bởi một cơ quan của chính phủ. Các ví dụ đáng chú ý là của Cục Công binh Mỹ, Trung tâm ứng dụng công nghệ thuỷ văn ở trại Davis, California, và Cơ quan bảo vệ môi tr−ờng, Trung tâm đánh giá mô hình hiện ở Athen, Hylạp. Các mô hình hoạt động th−ờng rất tiện dụng và có thể thu đ−ợc một cách thành công bằng dụng cụ bởi những ng−ời sử dụng mới, những ng−ời mà có thể thử nhiều phức tạp hơn theo một ph−ơng pháp t− liệu chỉ trong bảng tính bằng giấy.
Phần này thảo luận một ít của phần lớn độ rộng sử dụng các mô hình hoạt động trong thuỷ văn đô thị. Những so sánh và xem xét lại là thuận tiện từ Mandstetter, 1976; Deller - Dendrow, 1980; Huber - Heaney, 1982; Kibler, 1982; Kohlhaas, 1982; Cơ quan bảo vệ môi tr−ờng, 1983; Ambrose - Barnwell, 1989; Liên đoàn kiểm soát sự ô nhiễm n−ớc, 1989; và Donigan - Huber, 1990. Các quá trình chất l−ợng n−ớc không đ−ợc xem lại trong bài học này; một bảng tóm tắt của ph−ơng pháp đ−ợc cho bởi Huber, 1985. Mặc dù phần lớn các mô hình đ−ợc xem xét lại ở đây đ−ợc phát triển ban đầu cho
các máy tính lớn có bộ nhớ khổng lồ, một số mô hình cũng đ−ợc thích hợp với các máy vi tính, nh− đã chú thích.
bảo vệ đất
Cơ sở của ph−ơng pháp bảo vệ đất (SCS) (1964) đã đ−ợc mô tả trong ch−ơng 2. Ph−ơng pháp này thực sự là một tài liệu h−ớng dẫn có bề dày tới nhiều ph−ơng diện của thủy văn, từ việc phân tích l−ợng m−a tới diễn toán lũ lụt, nh−ng thành phần đ−ợc biết đến tốt nhất của ph−ơng pháp SCS là việc sử dụng thông tin trên trữ l−ợng n−ớc đất đá, đ−ợc biểu thị bằng đặc tr−ng bởi số hiệu các đ−ờng cong để dự báo tổng l−ợng dòng chảy sinh ra từ m−a. Các ph−ơng pháp làm biến đổi một đ−ờng quá trình thuỷ văn đơn vị khi đó thuận tiện cho việc phân bố dòng chảy theo thời gian. Phiên bản máy tính của ph−ơng pháp SCS đ−ơc gọi là TR20.
Một cải tiến của ph−ơng pháp đầu tiên tới những khu vực đô thị đ−ợc gọi là TR55 (Cục bảo vệ đất, 1986). Số các đ−ờng cong đ−ợc thêm vào cung cấp trong TR55 nh− một hàm của sử dụng đất đô thị, và thông tin đ−ợc thể hiện trên thời gian chuyển động và thời gian tập trung n−ớc cho việc ứng dụng các ph−ơng pháp đ−ờng quá trình thuỷ văn đơn vị. Các ph−ơng pháp SCS đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các kỹ thuật thực hành, và nguồn số liệu thêm vào là tiện dụng (cho sẵn) (Mc Cuen, 1982; Viessman và cộng sự, 1989). Các ph−ơng pháp này thích hợp với máy vi tính (Cục bảo vệ đất, 1986).. Điểm mạnh của ph−ơng pháp SCS là thông tin về số liệu cơ bản của đất đá lớn. Số liệu vị trí có tính đặc tr−ng cao có thể thu đ−ợc từ những bản đồ các loại đất đá quốc gia và các tờ giải thích (chú thích) việc nghiên cứu đất đá SCS (số liệu đó là có lợi nh− trong việc ứng dụng sử dụng các ph−ơng pháp khác tốt hơn ph−ơng pháp SCS). Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp SCS là nó trừu t−ợng tr−ớc trận lũ thiết kế tổng hợp, nh−ợc điểm đó đ−ợc xem xét trong phần 6.3. Với ph−ơng pháp này nó cũng khó đ−ợc nhân đôi việc đo đạc các đ−ờng quá trình thuỷ văn trong các khu vực có n−ớc mặt cao. Sự khó khăn này tăng lên từ sự nhạy cảm của ph−ơng pháp SCS đối với độ sâu của n−ớc mặt và ph−ơng pháp khác không làm đ−ợc trong việc mô tả nhân tố này sử dụng tiện dụng ba điều kiện tr−ớc đó (Capece và cộng sự, 1984).
Mô hình ILLUDAS
Nguồn mô phỏng miền l−u vực đô thị Illinois (mô hình ILLUDAS), (Terstriep và Stall, 1977) đ−ợc phát triển bởi việc nghiên cứu n−ớc trong bang Illinois, nó là một phiên bản đ−ợc cải tiến của cơ quan giao thông vận tải Anh và mô hình (phòng thí nghiệm) nghiên cứu đ−ờng bộ (mô hình RRL) (Stall và Terstriep, 1972). Cơ sở của ph−ơng pháp thời gian - l−u vực (ch−ơng 2), mô hình ILLUDAS cũng bao gồm dòng chảy khu vực không thấm n−ớc với l−ợng thấm đ−ợc tính toán bằng ph−ơng trình thấm Horton (ph−ơng trình 2.19). Số liệu những vị trí đất đá đặc biệt kể cả cho bang Illinois, nh−ng đủ thông tin đ−ợc cho trong tài liệu ở các vị trí khác thích hợp với mô hình. Từ đó nó th−ờng hoàn thành các đ−ờng quá trình thuỷ văn (từ các trận lũ thiết kế), nó có thể đ−ợc sử dụng để tính toán các thể tính dòng chảy tốt nh− trong việc tính toán các dòng chảy cực đại và có lẽ là mức dễ nhất từ d−ới lên trên từ việc phân tích một ph−ơng pháp hợp lý. Đầu ra của mô hình bao gồm diễn toán của các đ−ờng quá trình thuỷ văn. Nó cũng đòi hỏi trong việc tính toán các kích th−ớc của các cống hình tròn trong biến cố các giá trị đầu vào không có đủ tổng l−ợng. Bởi vì sự tiện dụng của máy vi tính đã đơn
gian hoá trong việc tính toán và sự lựa chọn các đơn vị mét. Mô hình ILLUDAS đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các l−u vực đô thị và gần đây đ−ợc cải tiến để kiểm soát các điều kiện quá tải của cống tròn (Chiang và Bedient, 1986).
Mô hình dòng chảy đô thị bang Penn
Mô hình dòng chảy đô thị bang Penn (mô hình PSRM) đ−ợc phát triển đầu tiên cho các máy điện toán lớn (Lakatos, 1976) trong việc ứng dụng vào thành phố Philadelphia và bây giờ đ−ợc ứng dụng duy trì cho các máy tính (Aron, 1987). Nó là một mô hình biến cố - đơn đ−ợc phát triển với những mục đích đơn giản và dễ dàng sử dụng cho các mục đích thiết kế. L−ợng thấm đ−ợc tính toán bằng ph−ơng pháp SCS , dòng chảy tràn thông th−ờng đ−ợc sử dụng một ph−ơng pháp bể chứa phi tuyến t−ơng tự nh− việc sử dụng trong ví dụ (6.8), và diễn toán cống ngầm là bởi sự thay đổi thời gian chuyển động với việc giảm dần. Đ−ờng đi của hồ chứa đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp xác định trữ l−ợng n−ớc (mô hình PULS). Mô hình PSRM th−ờng đ−ợc ứng dụng (ví dụ Kibler – Aron , 1980; Kibler và cộng sự, 1981) và rất thuận tiện từ cơ quan ứng dụng công nghệ, tr−ờng đại học bang Penn, đại học Park, Pensylvania.
Mô hình HSPF
Phạm vi sử dụng đầu tiên mô hình mô phỏng liên tục trong thuỷ văn là mô hình đ−ờng phân thuỷ Stanford (Craw và Linsley, 1966), mô hình này đ−ợc ứng dụng đầu tiên trong các đ−ờng phân thuỷ ở Bắc California. Số liệu l−ợng m−a đầu vào cho mô hình mô phỏng liên tục bao gồm các giá trị số liệu l−ợng m−a hàng giờ trong thời kỳ dài từ trung tâm số liệu khí hậu quốc gia. Các nguồn gốc thuỷ văn đó bây giờ đ−ợc liên kết lại vào trong mô hình mô phỏng thuỷ văn - FORTRAN (mô hình HSPF), một mô hình liên tục hoặc một mô hình thuỷ văn biến cố - đơn cũng có thể đ−ợc sử dụng để mô phỏng nguồn các điểm không đo đạc của các quá trình chất l−ợng n−ớc (Johanson và cộng sự, 1980). Mặt dù mô hình HSPF có nhiều ứng dụng trong đô thị, nh−ng mô hình HSPF phần lớn th−ờng đ−ợc ứng dụng trong các tr−ờng hợp các khu vực nông thôn. Mô hình này đ−ợc cung cấp bởi trung tâm EPA cho việc đánh giá mô hình hiện tại Athen, Hylạp. Một phiên bản máy vi tính là tiện dụng từ trung tâm EPA.
Mô hình STORM
ý nghĩa đầu tiên của việc sử dụng ph−ơng pháp mô phỏng liên tục trong thuỷ văn đô thị là với trữ l−ợng n−ớc, sự sử lý, mô hình dòng chảy tràn và dòng chảy lũ (mô hình STORM), chúng đ−ợc phát triển bởi các kỹ s− của binh chủng trong quân đội cho việc ứng dụng đầu tiên ở địa đồ l−u vực San Francisco (Trung tâm ứng dụng kỹ thuật thuỷ văn, 1977; Roesner và cộng sự, 1974). Địa đồ l−u vực chế ngự đ−ợc phát triển để làm giảm dòng chảy tràn trong các cống ngầm kết hợp vào vịnh San Francisco. Mô hình STORM cũng sử dụng những số liệu l−ợng m−a tự ghi hàng giờ từ trung tâm dịch vụ thời tiết quốc gia; số liệu dòng chảy tràn 62 năm trong các cống ngầm kết hợp đ−ợc phân tích cho sự mô phỏng mô hình STORM ở khu vực San Francisco. L−ợng ra khi đó đ−ợc phân tích để xác định sự kết hợp thuận lợi nhất của trữ l−ợng n−ớc và nghiên cứu tới số các dòng chảy tràn giới hạn của cống ngầm kết hợp đến một mực đặc biệt, các kết quả của việc sử dụng loại trên đ−ợc thể hiện trong hình (6.12). Nh− đã đ−ợc thể hiện trong hình, số dòng chảy tràn giảm với việc tăng sự sử lý và tăng trữ l−ợng n−ớc.
Khu vực đô thị đ−ợc trình bày khái quát trong mô hình STORM theo hình (6.3). Những độ sâu dòng chảy hàng giờ đ−ợc phát sinh rất đơn giản sử dụng ph−ơng pháp hệ số dòng chảy của ph−ơng trình (6.11) đ−ợc ứng dụng cho các giá trị l−ợng m−a hàng giờ. Trữ l−ợng n−ớc vùng trũng thu đ−ợc theo theo hàm luỹ thừa giữa các biến cố lũ. Kỹ thuật giải tích số đ−ờng cong SCS là tiện dụng nh− một sự lựa chọn. Đó không phải là diễn toán l−u l−ợng của dòng chảy.
Dòng chảy có thể đ−ợc chuyển động đi thông qua việc nghiên cứu tại một hằng số thay đổi th−ờng để mô phỏng sự nghiên cứu các thực vật. Trữ l−ợng n−ớc khi đó đ−ợc lấp đầy nếu dòng chảy v−ợt quá tốc độ sử lý lý thuyết. Nếu cả hai trữ l−ợng n−ớc và sự sử lý đ−ợc sử dụng đến tổng l−ợng của chúng, đó là “dòng chảy tràn” đang mô phỏng một dòng chảy tràn trong cống ngầm kết hợp.
Hình 6.12. Số các dòng chảy tràn cống ngầm kết hợp trong một năm nh− một hàm của
tổng l−ợng trữ l−ợng n−ớc, sự thay đổi sự nghiên cứu trong số liệu cơ bản 62 năm liên tục (từ Roesner và cộng sự., 1974)
Phân tích thống kê của các dòng chảy tràn đã mô phỏng đ−ợc sử dụng để chuẩn bị một kiểu phân tích nh− hình (6.12). Chất l−ợng n−ớc cũng đ−ợc mô phỏng, nh−ng việc sử dụng chủ yếu của mô hình là phân tích tần suất xuất hiện của dòng chảy tràn trong cống ngầm kết hợp ảnh h−ởng từ việc biến đổi giữa trữ l−ợng n−ớc và sự xử lý.
Hình 6.13: Mô tả hệ thống đô thị lý thuyết đ−ợc sử dụng trong mô hình STORM (Roesner và cộng sự, 1974)
Phạm vi của mô hình đ−ợc sử dụng cho việc phân tích của nguồn dòng chảy không xác định trong các l−u vực đô thị (ví dụ Heaney và cộng sự, 1977; Majarian và cộng sự, 1986) và đ−ợc cung cấp bởi Trung tâm ứng dụng khoa học kỹ thuật thuỷ văn ở trại Davis, California. Một phiên bản máy tính của mô hình HEC đ−ợc chuẩn bị độc lập.
Mô hình tổng hợp SWMM
Mô hình quản lý n−ớc lũ (mô hình SWMM) đ−ợc phát triển bởi cơ quan bảo vệ môi tr−ờng cho giai đoạn 1969 - 1071 nh− một mô hình biến cố - đơn cho sự mô phỏng số l−ợng và chất l−ợng n−ớc trong các hệ thống cống kết hợp (Metcalf và Eddy và cộng sự, 1971). Nó đ−ợc ứng dụng với mọi diện mạo của l−u vực đô thị, từ diễn toán l−u vực thiết kế, đến việc phân tích thuỷ lực phức tạp, nghiên cứu tính chất nguồn dòng chảy không xác định, sử dụng cả hai mô hình là mô hình biến cố đơn giản và mô hình mô phỏng liên tục.
Thông qua việc chia nhỏ các l−u vực lớn và diễn toán dòng chảy xuống hệ thống l−u vực, mô hình SWMM có thể đ−ợc ứng dụng cho phần lớn mọi kích th−ớc bất kỳ của l−u vực, từ nhiều bãi đậu xe tới việc chia nhỏ thành phố ra. Cách sử dụng của mô hình SWMM là rất tiện dụng (Huber và cộng sự, 1985).
Phiên bản thông dụng của mô hình SWMM (Huber – Dickinson, 1988; Roesner và cộng sự, 1988) đ−ợc chia ra từng phần vào trong nhiều ch−ơng trình máy điện toán.
bể chứa phi tuyến (ví dụ 6.8) và tạo nên diễn toán dòng chảy đơn giản thông qua việc sử dụng ph−ơng pháp t−ơng tự. Đ−ờng đi dòng chảy sát mặt của n−ớc không bắt buộc đ−ợc thấm qua bề mặt đất đá.
2, Việc ngăn chặn sự chuyển động thực hiện diễn toán dòng chảy sử dụng một kỹ thuật sóng động học.
3, Mô hình ngăn chăn EXTRAN thực hiện diễn toán dòng chảy bằng sơ đồ sai phân hiện hệ ph−ơng trình hoàn chỉnh Saint - Venant.
4, Việc ngăn chặn sử lý diễn toán/ trữ l−ợng n−ớc thông qua các đơn vị trữ l−ợng n−ớc sử dụng ph−ơng pháp nhiễu động (chỉ rõ trữ l−ợng n−ớc).
5, Việc ngăn chặn những thông tin biểu hiện bằng số tách biệt nhau trong sự mô phỏng liên tục các đ−ờng quá trình thuỷ văn và các biều đồ ô nhiễm (chống lại thời gian tập trung n−ớc) vào các biến cố lũ lụt độc lập, Những tính toán thống kê các khoảng thời gian ngắn, và thực hiện những phân tích tần suất xuất hiện cơ bản.
Chất l−ợng n−ớc cũng có thể đ−ợc mô phỏng trong toàn bộ các mô hình ngăn chặn ngoại trừ mô hình ngăn chăn EXTRAN, và l−ợng ra từ ph−ơng pháp mô phỏng liên tục có thể đ−ợc phân tích bởi sự ngăn chặn các chuỗi thống kê. Lựa chọn đơn vị là mét. Mô hình SWMM đ−ợc cung cấp bởi trung tâm EPA cho mô hình đánh giá hiện ở Athen, Hylạp và phần lớn tạo nên mô hình dòng chảy đô thị. Một phiên bản máy tính của của mô hình SWMM là rất tiện dụng từ trung tâm EPA ở Hylạp. Sử dụng một tr−ờng hợp nghiên cứu chi tiết của mô hình này đ−ợc cho sau đó trong ch−ơng này.
mô hình cục nghiên cứu địa chất Mỹ (USGS)
Mô hình Cục nghiên cứu địa chất Mỹ (USGS) h−ớng dẫn cho cơ quan liên bang trong việc nghiên cứu thuỷ văn và đ−a ra nhiều mô hình l−ợng m−a - dòng chảy, nó bao gồm các mô hình của Dawdy và cộng sự, 1972 đ−ợc cập nhật cho thuỷ văn đô thị bởi Alley và Smith (1982a, 1982b). Mô hình đô thị bao gồm những phát sinh của dòng chảy và sau đó là diễn toán, cả hai loại này đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp sóng động học. Những trợ giúp cho việc tính toán các thông số cũng đ−ợc bao gồm trong các mô hình. Những nghiên cứu của mô hình USGS đ−ợc h−ớng dẫn trong nhiều khu vực đô thị sử dụng mô hình kết hợp – hồi quy đ−ợc thảo luận trong phần 6.4.
Sự lựa chọn mô hình
Mặc dù lựa chọn đó có thể là lý thuyết, không thực tế cho sự thích hợp của một mô hình trên những lựa chọn khác, việc lựa chọn th−ờng đ−ợc tạo nên trên các mặt đất thực nhiều hơn. Những sự xem xét bao gồm việc xác định yêu cầu của một mô hình bởi sự cho phép của một cơ quan, mô hình trợ giúp và sự dẫn chứng bằng tài liệu, sự hiểu biết rõ với các kỹ thuật đ−ợc sử dụng trong một mô hình, kiểu máy tính yêu cầu, và số liệu có thể dùng đ−ợc. Nhân tố sau cùng này có thể là quan trọng nhất. Ví dụ, diễn toán phức tạp của dòng chảy trong một cống ngầm không thể thực hiện đ−ợc nếu thông tin không chi tiết trên các độ cao bị đảo ng−ợc, những độ cao bề mặt đất, và các cấu trúc thuỷ lực trong hệ thống cống ngầm. Nếu thông tin nh− vậy không tiện dụng, một thông