Mô hình SSARR

Mô hình SSARR (Streamflow synthetic and Reservoir Regulation) đ−ợc phát triển bởi Cục Công binh Mỹ. (Rokwood 1958, 1964) cho việc lập kế hoạch, thiết kế và thực hiện các dự án kiểm soát n−ớc ở l−u vực sông Colômbia. Sự phát triển của mô hình còn đ−ợc hợp tác với Trung tâm thời tiết quốc gia (Schermerhor và cộng sự. 1968) cho ra kết quả một mô hình phù hợp thích hợp, cho việc dự đoán hoạt động của sông. Mô hình là duy nhất, bởi vì nó đ−ợc phát triển một cách rộng rãi là kết của nhu cầu hoạt động cần thiết. Khía cạnh triết học đằng sau sự phát triển mô hình đã thêm vào sự phức tạp, chỉ khi cần thiết.

Mô hình SSARR bao gồm một mô hình l−u vực sông, một mô hình hệ thống sông một mô hình điều tiết hồ chứa n−ớc tự nhiên. Mặc dù sự bàn bạc này sẽ tập trung vào mô hình l−u vực sông, nh−ng các mô hình con khác cũng đ−ợc mô tả bởi vì mỗi mô hình có thể đ−ợc sử dụng riêng rẽ hoặc liên kết, cho phép ta xây dựng các hệ thống thủy văn khác nhau. Mô hình hệ thống sông thì cung cấp mối liên hệ giữa các l−u vực sông, các sông hồ và các hồ chứa n−ớc tự nhiên. Kênh dòng chảy, lộ trình đặc biệt cho 3 mối quan hệ dòng chảy sẵn có, tính toán các điểm bất cứ địa điểm nào trong một hồ cho mục đích lập kế hoạch hoặc in ấn và bộ kênh chảy vào địa ph−ơng cũng nằm trong mô hình sông. Các mô hình con hồ chứa n−ớc tự nhiên cũng có trong mô hình sông.

Một mô hình hồ chứa n−ớc tự nhiên cho phép ta xác định của hồ chứa n−ớc TN và quy luật hoạt động của nó. Th−ờng thì một nguồn chứa n−ớc nhân tạo đ−ợc sử dụng trong việc xây dựng mô hình l−u vực sông để quyết định và tích lũy sự khác nhau giữa dung l−ợng dòng chảy sông quan sát đ−ợc và dung l−ợng tính toán đ−ợc trong, vài khoảng thời gian.

Mô hình l−u vực sông SSARR là mô hình hoàn chỉnh, chung, liên tục có thông số khớp. Mặc dù nguồn gốc đ−ợc thiết kế cho các l−u vực sông rộng, nh−ng ứng dụng của nó đạt đ−ợc chủ yếu do lợi ích của dữ liệu dòng chảy cho

Mô hình l−u vực sông thể hiện các quá trình và mối quan hệ bao gồm l−ợng m−a hoặc tuyết tới dòng chảy tổng hợp. (Hình 10.6). Có thể sử dụng đơn vị SI hoặc đơn vị Anh.

Dữ liệu lắng đọng trong khoảng thời gian từ 0,1 giờ cho đến 24 giờ có thể đ−ợc nhập vào cho một trạm hoặc nhiều hơn. Nếu sự lắng đọng có thể xảy ra, ví dụ: tuyết, ng−ời sử dụng phải chỉ ra nhiệt độ cơ bản từng hiện t−ợng m−a hoặc tuyết rơi riêng rẽ. Nhiệt độ trung bình hằng ngày hoặc nhiệt độ cao nhất phải đ−ợc đ−a vào nh− dữ liệu vào cho sự tính toán l−ợng tuyết tan. Mối quan hệ vùng cao có thể đ−ợc xác định theo l−ợng tuyết rơi ở vùng núi để nhiệt độ có thể đ−ợc l−ớt qua từ các trạm cho tới độ cao chính xác. Sự lựa chọn thì tiện lợi để theo dõi sự tích lũy tuyết và sự tan tuyết ở một đới cơ bản hay đơn giản hơn ở một vùng tuyết phủ và vùng không có tuyết. L−ợng tuyết tan có thể đ−ợc tính bằng ph−ơng pháp nhiệt độ ngày hoặc bằng ph−ơng trình tuyết tan phổ biến (Cục Công binh Mỹ, 1956).

Khi l−ợng m−a và/hoặc l−ợng tuyết tan đ−ợc tính toán, thì tổng số dữ liệu độ ẩm sẽ nhập vào hàm chỉ số độ ẩm của đất (SMI) (hình 10.6). L−ợng chảy vào đ−ợc quyết định bằng một dữ liệu phần trăm độ ẩm trên cơ sở tình trạng ẩm của đất đ−ợc lập ra bởi SMI và bằng 1/3 c−ờng độ m−a bất th−ờng. Sự thay thế phản ứng của dòng chảy l−u vực chung này đã đ−ợc triển khai và sử dụng thay cho các ph−ơng pháp tiếp cận dòng thẩm thấu thông th−ờng.

Ph−ơng pháp tiếp cận này đ−ợc −a thích cho tr−ờng hơp có sự thiếu dữ liệu về sự thẩm thấu cộng với tính thay đổi của nó ở các l−u vực sông rộng. Các tính toán cơ bản về mối quan hệ dòng chảy SMI đạt đ−ợc bằng cách so sánh dung tích dòng chảy tính toán đ−ợc và quan sát đ−ợc trải qua thời gian các điều kiện n−ớc thổ nh−ỡng thay đổi phần không chảy của dữ liệu độ ẩm đ−ợc thêm vào SMI hiện hữu bị giảm đi do sự bốc hơi:

Số liệu giáng thủy (từng giờ, từng ngày…) bốc thoát hơi

khả năng. Nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ lớn nhất trong ngày L−ợng m−a hoặc tuyết tích luỹ Quan hệ diện tích - độ cao địa hình Tuyết tan M−a

L−ợng ẩm đầu vào Bốc thoát hơi n−ớc

Dòng chảy tổng cộng Q.hệ Dòng chảy - Chỉ số ẩm đất Chỉ số ẩm đất % Dòng chảy SMI Phân tách D.chảy mặt - sát mặt Dòng chảy mặt và sát mặt % D òng chảy cơ bản Dòng chảy mặt BII Dòng chảy tổng Dòng chảy cơ bản Dòng chảy sát mặt Dòng chảy mặt Vận chuyển Vận chuyển Vận chuyển

Dòng chảy sông ngòi

Hình 10.6 Cấu trúc tổng quát của mô hình l−u vực sông SSARR

) ETI KE 24 PH ( ) RGP WP ( SMI SMI2 = 1+ − − + + (10.10) trong đó:

SMI2 = chỉ số ẩm của đất lúc kết thúc thời gian gia tăng (chiều sâu) WP = dữ liệu trọng l−ợng từ m−a hoặc (và) tuyết tan

RGP = l−ợng n−ớc chảy phát sinh trong thời gian gia tăng (-) PH = thời gian gian tăng (giờ)

ETI = chỉ số bốc hơi (độ sau trên ngày)

KE = yếu tố làm giảm ETI trong thời gian m−a hoặc các điều kiện độ ẩm của đất tầng thấp.

Mặc dù dòng chảy cơ bản, các yếu tố trên mặt đất không thể tách rời một cách cơ học cho một sự kiện dòng chảy đ−ợc quan sát, nh−ng những ng−ời phát triển đã nhận ra tầm quan trọng của các dòng chảy bằng các đ−ờng dẫn khác nhau trong việc tính toán biểu đồ dòng chảy hoàn chỉnh. Tất cả l−ợng độ ẩm quá giới hạn bổ sung cho SMI đ−ợc tách riêng thành 3 yếu tố này của dòng chảy. Dòng chảy cơ bản đã định rõ 1% dòng chảy từ một chỉ số thẩm thấu của dòng chảy cơ bản (BII) và có thể bị hạn chế bởi một tỉ lệ thấm lọc tối đa. BII trong phần cuối của thời gian tính toán (BII2) đ−ợc tính từ:

BII2 = BII1 + (24 * RG - BII1) ) 2 / PH TSBII PH ( + (10.11) trong đó:

BII1 = chỉ số thẩm thấu dòng chảy cơ bản ở giai đoạn đàu (mỗi ngày) RG = RGP/PH là tỉ lệ dòng chảy(độ sâu mỗi giờ)

TSBII = thời gian trì hoãn hoặc thời gian dự trữ mà ảnh h−ởng tới tỉ lệ trong đó RII có thể thay đổi trong suốt thời gian (giờ)

L−ợng n−ớc không chảy vào dòng chảy chính chỉ tham gia vào dòng đ−ờng dẫn trên bề mặt - d−ới mặt đất (S/SS) một cách riêng rẽ, đ−ợc dẫn bởi các đ−ờng dẫn để xác định biểu đồ l−u vực sông.

Mặc dù mối quan hệ của cả 3 thông số trên đều đ−ợc khớp với nhau, giá trị cuối cùng của chúng cần phải hợp lý. Ví dụ l−u vực rừng với tầng đất trồng sau th−ờng có một tỉ lệ % của dòng chảy d−ới mặt đất cao và dòng chảy trên bề

mặt nhỏ. Các vùng không thấm n−ớc thì trái lại có tỉ lệ % dòng chảy d−ới mặt xác định rất nhỏ hoặc không có.

B−ớc tính cuối cùng của một dòng chảy là xác định 3 yếu tố của dòng chảy. Mỗi thành phần đ−ợc xác định riêng rẽ qua sự gia tăng liên tiếp của kiểu nguồn dự trữ mà thể hiện sự từ chậm chễ của dòng chảy từ điểm th−ợng nguồn tới cuối dòng nh− sau:

t ) 2 / t T O I ( O O s 1 m 1 2 + − + = (10.12) trong đó:

O2 = l−ợng n−ớc chảy thoát ở giai đoạn cuối: (dung l−ợng mỗi phút) O2 = l−ợng n−ớc chảy thoát ở giai đoạn cuối: (dung l−ợng mỗi giây) Im = l−ợng n−ớc chảy vào thông th−ờng (dung l−ợng mỗi giây) t = khoảng thời gian tính

Ts = thời gian dự trữ

Đ−ờng dẫn kênh đ−ợc thể hiện t−ơng tự nh− thế, ngoại trừ thời gian dự trữ cho sự gia tăng của mỗi đ−ờng dẫn, có thể liên quan đến l−ợng n−ớc chảy thoát trong một kiểu phi tuyến. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

n s Q KTS T = (10.13) trong đó:

Ts = thời gian dự trữ trong mỗi sự gia tăng

KTS = 1 hằng số tính đ−ợc bằng thử nghiệm và sai số hoặc bằng mối quan hệ thời gian - đ−ờng dẫn dòng chảy thoát

Q = l−ợng chảy thoát (gs)

n = hệ số đặc tr−ng nằm trong khoảng 0,1 - 0,5

thay đổi của phản ứng thủy văn rất quan trọng trong quá trình này, sự liên tiếp một vài năm với dòng l−u l−ợng dòng chảy cực cao và cực thấp giá trị hơn 10 năm l−u l−ợng cố định. Không có một thời gian l−u l−ợng dòng chảy cao đặc biệt, ta có thể bị mất chính xác. Sự kiểm tra mô hình nên bao gồm nhiều sự kiện và 2 hoặc 3 năm theo dõi dòng chảy không sử dụng trong việc phân độ, ví dụ, cho việc kiểm tra độc lập.

Bảng 10.4. Một số ứng dụngcủa mô hình SSARR

ứng dụng Sông hoặc l−u vực sông

Diện tích xấp xỉ (103

km2

) Tác

nghiệp Nghiên cứu 1. Sông hồ Comlômbia Bonnenlle,

Mĩ (37 mô hình 42 kênh, 28 hồ chứa n−ớc)

622 Có Có

2. Sông Chena ở Paris - banks, Alas, Alaska

5,26 Không Có

3. Sông Oppeparaguay miền nam Mỹ

370 Không Có

4. Sông Nam Mune Thái Lan 269 Không Có

5. Sông hồ Nam Caskachevan, Canađa

145 Có Có

6. Thung lũng California 0,0126 Không Có (R2

= 0,99)* 7. Bored Creek, Oklahona 2,34 Không Có CR2 = 0,93** 8. L−u vực sông Salt, Arizona Phần l−u vực thấp Phân l−u vực trên Gần Roosevelt 11,2 Không Không Không Có (R2 = 0,84) * Có (R2 = 0,94) * Có (R2 = 0,76.0,70)+

Nguuồn: Beschta (1974) Cục Công binh Mỹ (1956, 1972, 1976) và Cục Thuỷ Văn của Canađa (1974)

* L−u l−ợng hàng tháng; ** Dung l−ợng hàng năm (10 năm)

+ Dung l−ợng theo mùa ( tháng 10- tháng 5), R2 cho hiệu chỉnh và kiểm chứng t−ơng ứng

Mô hình SSARR đã đ−ợc kiểm tra và ứng dụng cho các l−u vực sông và hồ n−ớc trên phạm vi thế giới (bảng 10.4). Đối với hầu hết các l−u vực sông này, mô hình đ−ợc ứng dụng bằng các đơn vị l−u vực sông con, nh− đã chỉ ra ở sông Colombia hầu hết các ứng dụng đều liên quan đến việc thiết kế dự án hoặc nghiên cứu quy luật và ph−ơng pháp dự đoán sự phát triển lũ. Một ngoại lệ, ví dụ nh− ở Castro Valley, đó là kết quả của nghiên cứu thủy văn đô thị tại đó dữ liệu l−ợng m−a và l−u l−ợng n−ớc luôn sẵn có trong l−u vực sông trong suốt thời gian gia tăng ngăn. Mô hình SSARR đã đ−ợc sử dụng một cách rộng rãi với các l−u vực sông rộng, ở đó l−ợng tuyết sử dụng một cách rộng rãi với các l−u vực song rộng ở đó l−ợng tuyết tan là một thành phần chính của dòng chảy l−u vực, đặc biệt là ở Tây bắc Pacific.

Một trong những hạn chế chính của việc ứng dụng mô hình SSARR cho một vùng mới là sự thiếu thông tin hoặc các ph−ơng pháp liên quan đến thông số về các đặc điểm có thể thấy đ−ợc của l−u vực sông. Trong tr−ờng hợp sông hồ Colômbia, nhiều l−u vực sông đã đ−ợc làm mẫu và trong đó có sự địa ph−ơng hóa các thông số. Đối với các vùng khác, mối quan hệ thông số cơ bản là rất khó tính toán.

Mô hình này không thể sử dụng một cách trực tiếp để điều tra (kiểm tra những tác động thủy văn của việc thay đổi đặc điểm l−u vực sông ví dụ nh− các kiểu thảm thực vật, việc bảo vệ đất và các hoạt động quản lý đất t−ơng tự khác. Sự thay đổi thủy văn đ−ợc liên kết với sự thay đổi các nguồn n−ớc dự trữ trên một l−u vực sông, hoặc sự thay đổi các đặc điểm ví dụ nh− là % của vùng không thấm n−ớc có thể bị thay đổi.