CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI TRẠM
3.2 Tổng quan về thiết kế mạng lưới trạm
Một mạng lưới dữ liệu khí tượng thuỷ văn là một mạng lưới quan trắc một nhóm các yếu tố nhằm phục vụ một mục tiêu riêng lẻ nào đó hay một tập hợp các mục tiêu tương thích với nhau. Thông thường, các mục tiêu đó đã được dự tính trước là sẽ sử dụng đến những dữ liệu nào đang được thu thâp trong mạng lưới, một trạm khí tượng thuỷ văn hay một trạm đo mưa đặc biệt có thể nằm trong nhiều hơn một hệ thống lưới trạm nếu dữ liệu của nó được sử dụng cho nhiều hơn 1 mục đích.
Trong luận văn này tác giả đi sâu nghiên cứu phương pháp thiết kế mạng lưới trạm đo mưa phục vụ cho công tác dự báo thuỷ văn.
3.2.1 Những khái niệm về thiết kế mạng lưới trạm
Một mạng lưới trạm đầy đủ được thiết kế để trả lời các câu hỏi có liên quan đến việc thu thập các dữ liệu khí tượng thủy văn, chẳng hạn như:
(a) Yếu tố khí tượng thuỷ văn nào cần được đo đạc?
(b) Đo đạc ở đâu?
(c) Đo đạc bao lâu một lần?
(d) Thời gian của chương trình quan trắc đó kéo dài bao lâu?
(e) Những quan trắc đó đòi hỏi độ chính xác như thế nào?
Để trả lời những câu hỏi trên, một mạng lưới thiết kế có thể được xem như một kim tự tháp, như trong hình dưới đây.
Dưới chân đế của kim tự tháp là khoa học về thuỷ văn. Nếu không có một sự hiểu biết kỹ lưỡng, hoàn hảo về sự sắp đặt mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn trong khu vực, thì sẽ không thể có được một mạng lưới có thể cho ta những thông tin theo cách hiệu quả như mong muốn. Những kiến thức thuỷ văn đến từ cả lý thuyết và kinh nghiệm, nhưng sẽ không có bất kỳ sự thay thế nào cho kinh nghiệm khi ngay từ đầu một mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn nằm trong một khu vực có ít hoặc không có các dữ liệu lịch sử về thuỷ văn.
Phía bên phải của kim tự tháp là các phương pháp định lượng cho việc tính toán tính bất định (uncertainty) của các yếu tố thuỷ văn. Do các lỗi xảy ra khi đo đạc và sai số khi lấy mẫu số liệu theo không gian và thời gian, nên luôn luôn tồn tại sai số và độ bất định trong số liệu khí tượng thuỷ văn. Những thông tin về khí tượng thuỷ văn hoàn hảo và chính xác tuyệt đối sẽ không bao giờ tồn tại.
Hình 3-2. Sơ đồ khối của bài toán thiết kế mạng lưới trạm
Các nhà khoa học đã nghiên cứu và sử dụng lý thuyết xác suất để mô phỏng, khái quát hóa các sai số, độ bất định của các số liệu thủy văn bằng các công cụ toán học, các tính chất, các phương trình… để từ đó có thể định tính được độ bất định của mỗi yếu tố trong những trường hợp cụ thể. Lý thuyết xác suất cung cấp những định lý và ngôn ngữ cho việc thực hiện cũng như thu được những kiến thức cần thiết để có thể sử dụng thành thạo các công cụ thống kê. Trong hình 3-2, các công cụ xác suất thống kê bao gồm các lý thuyết lấy mẫu, các phân tích tương quan và phân tích hồi quy; các công cụ này thường được sử dụng trong các phương pháp thiết kế lưới trạm một cách định lượng. Tuy nhiên, có nhiều các nhánh khác nhau của thống kê mà có thể hữu ích cho việc phân tích mạng lưới và thiết kế; Phép toán tối ưu nhất về độ bất định chính là giải tích Bayesian - phép toán có quan hệ với các cấp độ của độ bất định trong việc mô tả độ bất định trong thuỷ văn. Nói cách khác, sự mô tả xác suất về độ bất định được dựa trên thống kê của những mẫu hữu hạn số liệu khí tượng thuỷ văn tự bản thân chúng đã là các yếu tố không chắc chắn, không chính xác tuyệt đối, do vậy sự giảm độ bất định của độ bất định chính là khía cạnh
quan trọng nhất khi nói đến thuận lợi của thông tin chứa đựng bên trong các số liệu mà mạng lứơi đó sẽ cung cấp.
Cột ở giữa của hình vẽ trên có tên là “optimization theory” – lý thuyết tối ưu hóa, thường được xem như một phần của bài toán phân tích kinh tế xã hội. Tuy nhiên đôi khi không kể đến vấn đề kinh tế xã hội, thì lý thuyết tối ưu hoá này cũng vẫn được sử dụng trong thiết kế mạng lưới thuỷ văn, do vậy, nó được kể đến ở đây như một thành phần riêng biệt của cấu trúc. Một tập hợp các chương trình toán học cùng với những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó, bao gồm cả lý thuyết tối ưu hoá, đôi khi được xem là những nghiên cứu hiệu quả. Trong phạm vi của bài toán thiết kế lưới trạm đã xác định rõ rằng bất kỳ chương trình toán học nào đều có thể được sử dụng trong những tình huống cụ thể. Thông thường, sự lựa chọn giữa hai hay nhiều kiểu mạng lưới thiết kế nào phải được tạo ra trên cơ sở của việc xem xét kỹ lưỡng bởi vì những công cụ tối ưu hoá thích hợp hoặc không tồn tại, hoặc đòi hỏi hệ thống máy tính có cấu hình rất cao.
Trên đỉnh của kim tự tháp là phần lý thuyết quyết đinh, đó là phần chính thức cho việc hợp thành tất cả các thành phần bên dưới. Ứng dụng của lý thuyết quyết định trong việc thiết kế mạng lưới được đòi hỏi, nó không phải là một sự kiện bắt buộc. Tuy nhiên, những kiến thức ban đầu, những tiên đề rất hữu ích cho việc tiếp cận vấn đề, hiểu vấn đề và từ đó có thể đưa ra kết luận cuối cùng.
Phía bên trái của kim tự tháp là một nhóm các công nghệ có một tiêu đề chung là “socio-economic analysis” – phân tích kinh tế xã hội. Bằng việc bổ sung các kiến thức và các điều kiện rang buộc về kinh tế xã hội, bộ phận này cũng bao gồm cả khía cạnh về chính sách, luật pháp và thậm chí là cả chính trị, nó là phần cuối cùng đóng vai trò rất quan trọng trong việc xem xét tính toán lợi nhuận tiềm tang của nước và do vậy cuối cùng cũng là giá trị của dữ liệu thu được từ mạng lưới. Bộ phận bên trái của cấu trúc kim tự tháp thường bị xem là ít quan trọng nhất trong việc thiết kế mạng lưới. Điều này có thể do hai nguyên nhân: thực chất của vấn đề rất khó giải quyết trong một mục tiêu theo kiểu toán học; và để làm được
điều đó theo một cách riêng đòi hỏi sự tổng hợp của tất cả các đầu vào theo nhiều nguyên tắc để giải quyết được bài toán về thủy văn và tài nguyên nước. Do vậy thiết kế mạng lưới bao gồm cả việc phân tích điều kiện kinh tế xã hội một cách kỹ lưỡng đòi hỏi nhiều công sức và tiền bạc. Vì vậy mà những vị trí thu thập số liệu thường được cài đặt để thỏa mãn các nhu cầu của xã hội cũng như các ràng buộc về kinh tế đồng thời vẫn đảm bảo được các nhu cầu thông tinh thủy văn dài hạn. Nhìn từ góc độ các yêu cầu mang tính khoa học thì các điểm quan trắc phải được đặt ở những vị trí sao cho có thể quan trắc được các sự kiện cực hạn về khí tượng thủy văn như mưa lũ, hay khô hạn, phân bổ nguồn nước cho các hộ dùng nước khác nhau trong trường hợp có sự cạnh tranh, hay đáp ứng được các yêu cầu chung. Những vị trí đo đạc đáp ứng được các mục tiêu này có thể giải quyết được các vấn đề về khí tượng thủy văn, nhưng mạng lưới thiết kế được cuối cùng lại khó có thể vận hành được để tối ưu cho mục tiêu đó.
3.2.2. Các trạm đo mưa
Nếu tuân theo những nguyên tắc nhất định về việc đặt trạm và vận hành các trạm đó, thì một số lượng nhỏ các trạm trong mạng lưới thưa thớt nhất cũng có thể cho ta những số liệu tức thời và đại biểu nhất. Nhìn chung, các trạm đo mưa thường phân bố với mật độ lưới trạm không đồng đều vì nhu cầu thực tế về số liệu cũng như phụ thuộc vào địa hình, phụ thuộc vào những tình nguyện viên quan trắc ở các vị trí đó. Trên những vùng núi cao, phải chú ý dùng những thùng đo mưa luỹ tích để quan trắc mưa tại những vùng có độ cao lớn. Các thùng đo mưa này được thiết kế đặc biệt để đo lượng nước mưa hoặc tuyết tương đương (đối với những vùng có tuyết), hoặc bổ sung thêm màn chắn để giảm thiếu sai số đo trong trường hợp có gió hoặc khi dùng những cảm biến áp suất. Những đìêu tra khảo sát về quy luật cũng như chu kỳ của tuyết rơi hàng năm cũng có thể được sử dụng để bổ sung vào hệ thống quan trắc, nhưng chúng không được kể đến như một phần của mạng lưới đo đạc. Mạng lưới thường bao gồm ba loại thùng đo như sau:
(a) Thùng đo tiêu chuẩn: Những thùng này được đọc giá trị hàng ngày.
Ngoài giá trị lượng mưa ngày này ra thì những quan trắc lượng tuyết, độ sâu của tuyết trên mặt đất và trạng thái thời tiết cũng được thực hiện tại mỗi trạm đo mưa chuẩn.
(b) Máy tự ghi: Trong những mạng lưới hiện đại, nên đặt ra mục tiêu phải có ít nhất 10% loại trạm này. Mật độ trạm tự ghi lớn nhất thường ở những nơi mà mưa xảy ra với cường độ lớn và thời gian mưa ngắn. Những trạm như thế này sẽ cung cấp những thông tin giá trị về cường độ mưa, sự phân bố mưa và thời gian mưa.
Đối với những vùng đô thị, nơi mà thời gian cần thiết cho phép đo mưa là từ 1 đến 2 phút, đặc biệt chú ý đến sự đồng bộ hoá theo thời gian của các thùng đo mưa. Đối với những phép đo đáng tin cậy, nên sử dụng thùng đo mưa theo kiểu gáo lật (tipping-bucket) với bộ nhớ điện tử (hoặc một máy tính khác có khả năng đọc trung bình).
Trong ưu tiên thiết kế vị trí đặt các trạm đo mưa tự ghi thì những kiểu vùng sau đây nên được ưu tiên trước: lưu vực đô thị (dân số trên 10 000 người), nơi mà hệ thống tiêu thoát nước được xây dựng; các lưu vực sông trong đó hệ thống kiểm soát sông chính được biết trước hoặc đang hoạt động; những vùng rộng lớn mà không có khả năng được bao phủ bởi mạng lưới đang tồn tại và các dự án nghiên cứu đặc biệt.
(c) Thùng đo mưa luỹ tích – Trong những vùng có mật độ lưới trạm thưa thớt, xa khu dân cư, hẻo lánh, chẳng hạn như vùng sa mạc, núi cao thì những thùng đo mưa luỹ tích được sử dụng. Những thùng đo mưa này được đọc trị số theo mùa hay theo tháng, nghĩa là mỗi tháng hay mỗi mùa chỉ đọc 1 lần; hoặc bất cứ khi nào có thể đến trạm hay kiểm tra trạm. Vị trí của những thùng đo mưa này có liên hệ với các trạm đo mực nước - để đảm bảo rằng số liệu mưa luôn sẵn có tương ứng với các số liệu dòng chảy, và đáp ứng được các mục đích dự báo lũ hay phân tích thuỷ văn, toạ độ của các trạm đo mưa này có liên hệ với những trạm đo mực nước tường ứng là rất quan trọng. Các trạm đo mưa nên được đặt tại các lưu vực mà mưa có thể
được đánh giá cho mỗi trạm thuỷ văn, do vậy có thể đặt trạm mưa gần hoặc tại các điểm quan trắc dòng chảy và ở phía trên của lưu vực tiêu thoát nước. Một trạm đo mưa nên được đặt tại vị trí của trạm đo dòng chảy chỉ khi các quan trắc sẽ được đại diện cho cả vùng. Có thể có một vài trường hợp buộc phải đặt các trạm đo mưa cách xa trạm thuỷ văn, chẳng hạn như khi trạm thuỷ văn đó ở trong một thung lũng sâu và hẹp.