Mô hình toán là sự biểu đạt các quy luật của hệ thống bao gồm các quá trình vật lý và động thái của hệ thống bằng các biểu thức toán học.
Các mô hình toán có thể tính toán cân bằng nước là các mô hình toán thủy văn, thủy lực. Có thể chia làm ba loại: mô hình toán tất định, mô hình toán ngẫu nhiên và mô hình toán tất định – ngẫu nhiên. Mô hình toán tất định coi quá trình khí tượng thủy văn là kết quả tất nhiên của các yếu tố vật lý là chủ yếu, còn vai trò của ngẫu nhiên chỉ thể hiện bởi sự giao động của chúng.
Mô hình toán ngẫu nhiên coi quá trình khí tượng thủy văn chủ yếu là kết quả
có tính ngẫu nhiên do nhiều yếu tố tác động thành, còn tính tất nhiên thể hiện bởi tính chu kỳ thủy văn của chúng. Mô hình toán tất định – ngẫu nhiên là sự kết hợp giữa hai dạng mô hình toán tất định và mô hình toán ngẫu nhiên trong tính toán thủy văn.
Mô hình toán tất định có thể phát triển theo ba hướng: mô hình hộp đen, mô hình nhận thức và mô hình toán thủy lực. Khi ứng dụng để giải bài toán cân bằng nước trong phát triển hệ thống Kinh tế - Xã hội – Môi trường, mô hình toán thủy văn mang các tên khác nhau theo đối tượng nghiên cứu mô hình toán nhu cầu nước, mô hình toán cân bằng nước hệ thống, mô hình toán quản lý lưu vực, mô hình toán quản lý tổng hợp tài nguyên nước... Các mô hình toán thủy lực diễn toán dòng chảy trong hệ thống kênh, diễn toán chuyển tải nước và xâm nhập mặn vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều.
Mỗi mô hình được xây dựng cho một số chức năng nhất định, phục vụ cho từng đối tượng nghiên cứu, phụ thuộc vào tình hình số liệu và có những điểm mạnh, yếu khác nhau. Với những bài toán lớn, phức tạp thường có sự kết hợp hay kết nối giữa hai loại mô hình thủy văn và thủy lực.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều mô hình mô phỏng các yếu tố thủy văn cũng như chất lượng nước như mô hình MITSIM, WUS, RIBASIN, TANK, WASP5, ĐYNHY5... Một trong những bộ phần mềm được sử dụng phổ biến hiện nay là “DHI Software” của Viện Thủy lợi Đan Mạch. Bộ phần mềm này bao gồm các công cụ xử lý dữ liệu và công cụ tính toán cho các lĩnh vực nguồn nước khác nhau, hỗ trợ các chuyên gia quản lý nguồn nước có những phân tích phù hợp và cho phép lập kế hoạch quản lý cho tương lai. Các hệ thống lập mô hình trong nhóm này được mô tả như sau:
TT Tên phần mềm
Tính năng cơ bản Được sử dụng để…
1 MIKE 11 Là mô hình thủy động lực Lập mô hình mô phỏng
mô tả quá trình truyền lũ, truyền chất và bùn cát dọc theo chiều dòng chảy
thủy lực học trên sông, chuyển động trầm tích, chất lượng nước và dự báo lũ lụt.
2 MIKE NAM Là mô hình mưa - dòng chảy, tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ số liệu mưa và bốc hơi.
Phục vụ cho các mục tiêu tính toán, bổ sung và kéo dài chuỗi số liệu dòng chảy
Lập mô hình mưa - dòng chảy cho các lưu vực thượng lưu. Tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ lượng mưa dự báo.
3 MIKE BASIN Là mô hình lưu vực có khả năng tính toán cân bằng nước dựa trên mô phỏng trực quan bằng công cụ GIS
Được sử dụng để phân chia lưu vực tính toán dựa trên bản đồ cao độ số (DEM). Xác định lưới trạm KTTV. Tính toán các trọng số cho các trạm mưa và bốc hơi
4 MIKE 11 - GIS
Là công cụ hiển thị trực quan các kết quả tính toán của MIKE 11. Đồng thời cũng là một công cụ hữu ích cho phép tính toán các thông số địa hình phục vụ lập mô hình thủy động lực học
Được sử dụng để phân tích các tài liệu địa hình, mô tả các ô chứa. Phân tích mạng sông, xác định tọa độ các mặt cắt.. vv
Trong nội dung của luận văn này, mô hình được đưa vào khai thác sử dụng là mô hình MIKE BASIN với mô đun mô phỏng lượng mưa – dòng chảy mặt MIKE NAM.
1.5.2. Hệ thống thông tin địa lý GIS
Theo định nghĩa của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường ESRI – Mỹ thì GIS là công cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những cái đang tồn tại và những sự kiện xảy ra trên trái đất. Công nghệ GIS tích hợp các theo tác cơ sở dữ liệu như truy vấn và phân tích thống kê với lợi thế quan sát và thống kê bản đồ. Có rất nhiều chương trình máy tính sử dụng dữ liệu không gian như Autocad và các chương trình thống kê, nhưng chúng không phải là GIS vì chúng không có khả năng thực hiện các thao tác không gian.
GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra khoa học mới. Trong đó:
- Ngành địa lý là chuyên ngành liên quan mật thiết đến việc hiểu về thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu.
- Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời cho việc thiết kế bản đồ, do vậy nó là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
- Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu mọi vị trí trên địa cầu với giá rẻ. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS.
- Ảnh máy bay và kỹ thuật đo chính xác của chúng là nguồn dữ liệu chính về cao độ bề mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào của GIS.
- Bản đồ địa hình cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa...
- Khoa đo đạc là nguồn cung cấp các vị trí quản lý có độ chính xác khá cao cho GIS.
- Ngành thống kê: Rất nhiều kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS...
Ngày nay, công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi. Liệt kê một số ứng dụng thông dụng của GIS trong thực tế:
- Quản lý và lập kế hoạch mạng lưới đường phố.
- Quản lý đất đai.
- Quản lý và lập kế hoạch các dịch vụ công cộng.
- Lập các bản đồ theo các mục đích sử dụng.
- Quản lý sông ngòi, các vùng lụt, vùng đất nông nghiệp, mưa, đất rừng, vị trí các công trình công cộng ...
Mô hình MIKE BASIN là một mở rộng của ArcView GIS, để các thông tin GIS có thể bao hàm trong mô phỏng tài nguyên nước. Mạng lưới sông và các nút cũng được soạn thảo trong ArcView.
Chương 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG
2.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE NAM VÀ MIKE BASIN