CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN VÀ MÔ HÌNH KHÁI NIỆM MƯA-DÒNG CHẢY GR4J
3.1 Tổng quan nghiên cứu mô hình thủy văn
3.1.2 Mô hình mưa-dòng chảy
Mô hình mưa dòng-chảy được xây dựng và phát triển dựa trên việc mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy tự nhiên. Về cơ bản, một mô hình mưa-dòng chảy
được thiết lập thông qua các bước: xây dụng mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
3.1.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy
Mô hình hóa dòng chảy là tập hợp các phương trình tính toán để ước tính lượng dòng chảy từ lượng mưa; các phương trình này được xem như một hàm của những tham số khác nhau được sử dụng để mô phỏng lưu vực sông [6]. Các thành phần chung của một mô hình gồm: đầu vào, phương trình chi phối, điều kiện biên hoặc tham số, cấu trúc mô hình và đầu ra [35].
Các phương trình trong mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên quá trình hình thành dòng chảy của chu trình thủy văn, giúp hiểu rõ hơn những gì xảy ra trong các hệ thống nước do sự thay đổi bề mặt, thảm thực vật và các hiện tượng khí tượng nhằm phục vụ cho công tác ước tính lượng nước, sự thay đổi dòng chảy theo thời gian trên lưu vực nghiên cứu [36]. Quá trình hình thành dòng chảy bao gồm [38]:
Quá trình mưa: lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy.
Quá trình tổn thất:
Tổn thất trong quá trình mưa được chia ra làm nhiều loại:
Tổn thất tích đọng: tích đọng bề mặt và tích đọng điền trũng.
Tổn thất do thấm: là sự tổn thất lớn nhất trong lưu vực khi quá trình mưa xảy ra.
Tổn thất bốc hơi: bốc hơi mặt đất, mặt nước và bốc hơi thoát hơi nước thực vật.
Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc và trong sông Khi mưa rơi trên bề mặt sườn dốc có hai trường hợp xảy ra:
Cường độ mưa < cường độ thấm: lúc đó tất cả lượng mưa bị tổn thất do thấm vào đất. Trường hợp này xảy ra khi cường độ mưa quá nhỏ hoặc ở giai đoạn đầu của trận mưa trước một thời điểm nào đó. Thời điểm này phụ thuộc vào cường độ mưa và độ ẩm ban đầu trong đất.
Cường độ mưa > cường độ thấm: Đầu tiên, lượng nước dư tập trung vào điền trũng, và sau khi chứa đầy các điền trũng, nước bắt đầu chảy qua các ngưỡng tràn theo độ dốc tập trung thành dòng chảy nhỏ, rồi thành các dòng chảy lớn dần cho đến khi đổ vào khe suối nhỏ dẫn đến hệ thống sông.
Quá trình hình thành dòng chảy sườn dốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
mưa, độ dốc, độ dài sườn dốc, đặc điểm bề mặt. Phạm vi xuất hiện dòng chảy mặt sườn dốc cũng khá phức tạp và phụ thuộc vào thời gian mưa, lớp đất thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật trên sườn dốc.
Sau khi dòng chảy được hình thành sẽ chảy vào các suối, sau đó chuyển về hạ lưu vào hệ thống sông nhánh đổ vào sông chính. Quá trình này sẽ làm dòng chảy bị biến dạng và mức độ biến dạng phụ thuộc vào đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông.
3.1.2.2 Hiệu chỉnh mô hình và xác định tham số
Hiệu chỉnh mô hình là một quá trình tối ưu hóa hoặc điều chỉnh một cách có hệ thống các giá trị tham số để có thể ước tính giá trị dòng chảy một cách tốt nhất [6]. Hầu như tất cả các mô hình mưa-dòng chảy phải được hiệu chỉnh để đưa ra các ước tính đáng tin cậy cho giá trị dòng chảy đầu ra ở mức độ chính xác chấp nhận được vì có rất ít bằng chứng xác định mối liên hệ giữa các đặc tính vật lý của lưu vực và các tham số của mô hình mưa-dòng chảy [38]. Độ chính xác của mô hình sẽ phụ thuộc vào số liệu thống kê của dữ liệu dòng chảy và mục đích nghiên cứu.
Bộ tham số tối ưu của một mô hình có thể có sẵn khi chúng được xác định thông qua việc hiệu chỉnh mô hình nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu ở các lưu vực khác trước đó. Trong tình huống này, hiệu suất hiệu chỉnh của mô hình nên được kiểm tra lại trước khi sử dụng vì mục đích phát triển mô hình có thể khác nhau giữa các ứng dụng trước đó và sau này, có thể ảnh hưởng đến các mục tiêu hiệu chỉnh [6].
Bên cạnh đó, số lượng tham số (bao gồm tham số vật lý và tham số quá trình) phụ thuộc vào phương pháp mô phỏng và cấu trúc của từng mô hình [36]. Tham số vật lý biểu thị những đặc điểm vật lý tự nhiên của lưu vực như diện tích, mạng lưới sông, mật độ sông, độ dốc, tỷ lệ che phủ v.v…, trong khi tham số quá trình biểu thị
quá trình hình thành dòng chảy thành phần trong mô hình như tham số bốc hơi, tham số tổn thất thấm hay tham số được sử dụng tính toán dòng chảy mặt, sát mặt và ngầm.
Tham số chính (nhạy) của mô hình là tham số gây ra sự biến đổi rõ rệt về giá trị hoặc hình dạng của đường thể hiện dòng chảy được mô phỏng khi các tham số này có sự thay đổi nhỏ trong mỗi lần hiệu chỉnh. Ngược lại, tham số phụ không tác động nhiều tới đường thể hiện dòng chảy mô phỏng khi thay đổi giá trị của tham số đó. Do đó, những mô hình có nhiều tham số quá trình thì việc xác định bộ tham số tối ưu sẽ phức tạp hơn [36]. Để quá trình hiệu chỉnh thuận lợi và dễ dàng hơn, cần hiểu rõ ý nghĩa, phạm vi biến đổi cũng như ảnh hưởng của từng tham số đến giá trị dòng chảy mô phỏng. Đối với mô hình khái niệm mưa-dòng chảy, phương pháp thử sai và phương pháp tối ưu thường được sử dụng trong quá trình hiệu chỉnh mô hình [36].
Phương pháp thử sai
Phương pháp thử sai là phương pháp dựa trên việc tính thử và kiểm tra nhiều lần để xác định bộ tham số tối ưu. Phương pháp này cho phép người sử dụng hiểu biết rõ hơn về mô hình và các đặc tính vật lý của lưu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, kết quả hiệu chỉnh theo phương pháp này bị ảnh hưởng bởi tính chủ quan của người ứng dụng mô hình. Các bước chính của phương pháp thử sai như sau:
- Giả định tham số hiệu chỉnh ban đầu;
- Chạy mô hình để xác định độ chính xác giá trị dòng chảy được mô phỏng thông qua tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của mô hình;
- Phân tích kết quả dòng chảy để thay đổi giá trị tham số trong các lần hiệu chỉnh sau;
- Lặp lại các bước trên cho đến khi sai lệch giữa dòng chảy thực đo và mô phỏng đạt cực tiểu hoặc nằm trong giới hạn cho phép.
Phương pháp tối ưu
Phương pháp này khắc phục được hạn chế của phương pháp thử sai về tính chủ quan của người ứng dụng, giảm bớt thời gian tính toán trong quá trình hiệu chỉnh mô hình.
Để tìm ra được bộ tham số tối ưu, phương pháp này sử dụng hàm mục tiêu F mà giá trị tính toán dòng chảy mô phỏng của hàm F thể hiện được độ chính xác đồng thời bộ tham số cũng được xác định. Theo phương pháp tối ưu này, hàm mục tiêu F sẽ có giá trị khác nhau. Khi mô hình được chạy nhiều lần thì giá trị của F có thể được thể hiện trên biểu đồ miền tổ hợp sự thay đổi các giá trị tham số mô hình.
Quá trình dò tìm tham số tối ưu sẽ cố gắng tìm ra đỉnh cao nhất trong các lần xuất hiện giá trị đỉnh của hàm F trong miền thay đổi của các tham số.
3.1.2.3 Kiểm định mô hình
Kiểm định mô hình là một trong những bước quan trọng để đánh giá tính phù hợp thực tế của bộ tham số tối ưu được xác định tại bước hiệu chỉnh mô hình. Để kiểm định mô hình, chuỗi dữ liệu thực đo (lượng mưa và dòng chảy) cần phải đầy đủ và không trùng với dữ liệu đã dùng để hiệu chỉnh mô hình. Ngoài ra, chuỗi dữ liệu được sử dụng trong quá trình kiểm định và hiệu chỉnh phải tương ứng về độ dài thời gian [36]. Cụ thể:
Dữ liệu thực đo từ 10 đến 15 năm: dùng 2/3 số năm cho bước hiệu chỉnh để tìm ra bộ tham số tối ưu nhất và 1/3 số năm còn lại cho hiệu chỉnh mô hình.
Dữ liệu ít hơn 10 năm: dùng 6 năm cho hiệu chỉnh, còn lại cho kiểm định.
Dữ liệu ít hơn 6 năm: dùng toàn bộ dữ liệu đó cho hiệu chỉnh mô hình và có thể bỏ qua bước kiểm định.
3.1.2.4 Các tiêu chuẩn đánh giá trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Các tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của mô hình là cơ sở định lượng quan trọng để xem xét hiệu quả tính toán dòng chảy của mô hình thủy văn thông qua quá trình hiệu chỉnh và kiểm định.
Một số mô hình đã đưa ra các tiêu chuẩn đánh giá như tiêu chuẩn chính xác riêng đỉnh lũ, tổng lượng lũ, hệ số tương quan, phương sai, độ lệch chuẩn …. Trong đó, tiêu chuẩn đánh giá không thứ nguyên Nash và Sutcliffe thường được sử dụng trong thực tế để so sánh hiệu quả mô phỏng [36]. Các tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất mô hình khái niệm GR4J trong nghiên cứu này được trình bày cụ thể tại mục 4-2.