Chương 6. Tương tự thuỷ văn và các mô hình Mưa-dòng chảy hàm ph©n bè
6.5. Trường hợp nghiên cứu: áp dụng TOPMODEL cho lưu vực Stacterbekker, Na Uy
Trong hầu hết các nghiên cứu về mô hình mưa-dòng chảy, nhìn chung có rất ít đo
đạc trạng thái bên trong để kiểm tra dự đoán của mô hình phân bố bất kỳ. Khả năng của việc thực hiện những kiểm tra như thế với các mô hình phân bố nảy sinh một số câu hỏi thú vị về việc hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình. Một trong những nghiên cứu ở đó dự báo bằng mô hình phân bố đã được kiểm tra là ứng dụng của TOPMODEL cho lưu vực Saeternbekken MINIFELT ở Nauy (Lamb và nnk 1997, 1998a, b). Đây là một lưu vực nhỏ chỉ khoảng 0.75 ha, được bố trí một lưới 105 thiết bị đo áp suất và bốn lỗ khoan tự ghi (Hình 6.9; Myrabo 1997; Erichsen và Mirabo 1990). Phân bố của chỉ số
địa hình (a/tan) được chỉ ra ở hình 6.9a. Hình 6.9b chỉ ra lưu lượng dự báo với hai mô
hình biến thể khác nhau của TOPMODEL. Trong cả hai trường hợp, mô hình đã được hiệu chỉnh dựa trên sự kiện năm 1987, và kết quả tính cho thời kỳ đánh giá đã chuẩn bị năm 1989.
Mô hình EXP trên hình 6.9b về cơ bản là phiên bản sử dụng hàm vận chuyển dạng mũ gốc của TOPMODEL được miêu tả chi tiết trong hộp 6.2. Mô hình COMP sử dụng kỹ thuật do Lamb và nnk (1997, 1998a, b) đề xuất trong đó phân tích đường cong triết giảm được sử dụng để xác định mối quan hệ lưu lượng tùy ý/thiếu hụt lượng trữ, nó có thể thay thế giả thiết hàm vận chuyển dạng mũ của mô hình nguyên thuỷ.
Trong trường hợp lưu vực Saeternbekken MINIFELT đường cong tổng hợp với các
đoạn có dạng mũ và tuyến tính được cho là phù hợp. Các hàm khác cũng có thể dược sử dụng (xem hình 6.2). Có rất ít sự lựa chọn các mô hình trong dự báo lưu lượng.
Hình6.9. ứng dụng của TOPMODEL cho lưu vực Saeternbekken MINIFELT, NaUy (0.75 ha).(a). Xét về địa hình, lưới các dụng cụ đo và phân phối của chỉ số địa hình ln(a/tang) cho thấy các vị trí của dụng cụ đo
áp: những khoanh tròn (4,5,6,7) là các dụng cụ ghi áp liên tục. (b)Kết quả dự báo của lưu lượng trong kênh sử dụng cả hàm vận chuyển dạng mũ và hàm vận chuyển dạng tổng hợp (Lamb và nnk).
Tuy nhiên, TOPMODEL cũng cho phép ánh xạ kết quả dự báo lượng thiếu hụt hoặc mực nước ngầm vào không gian lưu vực. Trong khi, với các giả thiết gần đúng của TOPMODEL, không thể hi vọng rằng các kết quả của nó sẽ chính xác ở mọi nơi trên lưu vực, chúng ta muốn loại bỏ mô hình nếu nó chỉ cho những kết quả dự báo kém của những giá trị được đo đạc bên trong như vậy. Kết quả cho ở lỗ khoan tự ghi
được chỉ ra ở hình 6.10 và cho mực áp suất với 5 lưu lượng khác nhau được chỉ ra ở hình 6.11. Với những số liệu đo đạc bên trong này, mô hình phức hợp dường như cho kết quả tốt hơn một chút, nhưng rõ ràng cả hai mô hình bị giới hạn ở sự chính xác của chúng (đặc biệt là trong việc dự báo các độ sâu tích đọng khá lớn ở một số máy đo áp vì
không mô hình nào có bất cứ miêu tả trực tiếp nào về sự sụt giảm lượng trữ ở địa hình có nhiều gò đống). Trong cả hai trường hợp đây là những dự đoán đã sử dụng giá trị thông số toàn cục được hiệu chỉnh với thời kỳ năm 1987. Điều này thừa nhận rằng hàm vận chuyển trong cả hai mô hình là đồng nhất trên toàn lưu vực. Số liệu lỗ khoan tự ghi chỉ được sử dụng trong ước lượng của hệ số lượng trữ hiệu quả đối với nó giá trị
đã được hiệu chỉnh ở giữa lưu vực là 0.06. Số liệu đo áp không được sử dụng trong gia
đoạn này.
Những kết quả này là hợp lý nhưng có lẽ có thể cải thiện bằng một số cách. Sự cần thiết của sụt giảm lượng trữ bề mặt đã được chú ý. Giả thiết về trạng thái chảy ổn
định của phương pháp chỉ số TOPMODEL có thể không phù hợp. Ta cũng biết rằng tính không đồng nhất của đất có thể là một nguồn quan trọng của sự thay đổi trong phản ứng thuỷ văn. Trong trường hợp dự đoán mặt nước ngầm này, người ta có thể cải thiện mô phỏng bằng cách cho phép một số một số thay đổi cục bộ trong hàm vận chuyển. Khả năng này được khảo sát bởi Lamb và nnk (1997) cho lưu vực này.
Hình 6.10. Chuỗi thời gian dự báo độ sâu mặt nước cho bốn lỗ khoan trên lưu vực Saeternbekken MINIFELT, NaUy, sử dụng các thông số toàn cục được hiệu chỉnh trên giá trị số liệu lỗ khoan tự ghi và lưu lượng lưu vực từ thời kỳ tuyết rơi tự do trước đó - tháng 11 và 12 năm 1987 (theo Lamb và nnk 1997)
Hình 6.11 chỉ ra các kết quả hiệu chỉnh cục bộ của thông số vận chuyển bão hoà To và độ rỗng hiệu quả , các thông số của hai lỗ khoan tự ghi cho thời kỳ hiệu chỉnh năm 1987. Các kết quả chỉ ra cải thiện đáng kể. Đối với các máy đo áp, trên cơ sở là sự biến đổi của To có thể lớn hơn nhiều sự biến đổi của độ rỗng hiệu quả, một giá trị thấy
được To được tính cho mỗi máy đo áp để làm phù hợp cao trình mực nước ngầm quan trắc và dự báo ở mỗi điểm cho 5 bộ số liệu sẵn có (các điểm tích đọng quan trọng được loại trừ). Một tiếp cận tương tự để hiệu chỉnh các giá trị vận chuyển cục bộ cũng được sử dụng bởi Jordan (1994) và Seibert và nnk (1997). Trong trường hợp này phương pháp cho thấy sự hiệu chỉnh cần thiết là có tương quan dương với chỉ số địa hình, điều
đó có nghĩa là các giá trị vận chuyển cao hơn ứng với chỉ số địa hình cao hơn. Tương quan trở nên lớn hơn đối với mô hình phức tạp với hệ số biến đổi từ 0.53 đến 0.92 đối với 5 lưu lượng khác nhau. Dạng của mối quan hệ này sau đó gợi ý một chỉ số tương tự cải tiến tương tự như là một hàm luỹ thừa của a/tan. Đối với lưu vực này đây là hệ quả của sự gia tăng nhanh hơn nhiều trong diện tích bão hoà dự báo với lưu lượng so với mô hình chưa cải tiến.
Hình 6.11. Mặt nước ngầm được dự đoán cho 5 lưu lượng khác nhau (0.1 đến 6.8 mmh-1) trên lưu vực Saeternbekken MINIFELT, NaUy, sử dụng các thông số toàn cục hiệu chỉnh dựa trên số liệu ghi được ở
các lỗ khoan và lưu luợng lưu vực từ tháng 11-12 năm1987 (theo Lamb và nnk 1997)
Nghiên cứu này làm tăng một số điều quan tâm. Thứ nhất, mặc dù chúng ta hi vọng từ rất nhiều nghiên cứu thực địa khác rằng các đặc trưng của đất sẽ không đồng nhất trong không gian, sử dụng các đo đạc cục bộ để hiệu chỉnh các thông số cục bộ hạn chế giá trị của các số liệu nội bộ trong việc đánh giá mô hình. Thêm nữa, ví dụ, hiệu chỉnh cục bộ như vậy của giá trị vận chuyển được hy vọng là phụ thuộc cả quy mô
lưới và cấu trúc mô hình (ví dụ Saulner và nnk 1997a). Cuối cùng hiệu chỉnh cục bộ chỉ có thể tiến hành cho những điểm có sẵn số liệu đo và lưu vực Saxternlekken MINIFELT là ngoại lệ, nếu không duy nhất, có nhiều điểm đo đạc bên trong. Thậm chí trong lưu vực rất nhỏ này, sau đó có những vấn đề ngoại suy cho những điểm khác trên lưu vực. Trong nghiên cứu của Lamb và nnk, điều này có thể đạt được vì một tương quan phù hợp với chỉ số a/tan được tìm thấy, nhưng không thể coi điều này là chung cho mọi trường hợp. Thực tế tương quan như thế có thể chỉ ra rằng có sự thiếu hụt trong cấu trúc mô hình. Ví dụ tương quan dương giữa vận chuyển rõ ràng và chỉ số địa hình, có thể chỉ ra rằng phân tích địa hình là vượt ước lượng diện tích đóng góp ngược dốc có hiệu quả cho mỗi điểm.
Các kết quả không dành cho nghiên cứu TOPMODEL này nhưng sẽ là chung cho bất kỳ áp dụng nào của mô hình phân bố, bao gồm hầu hết các mô hình dựa trên quá
trình mà với nó một số số liệu nội bộ là sẵn có để xác định các dự báo mô hình. Một tiếp cận để đánh giá mô hình sau đó có thể là dạng của một mẫu kiểm tra tách ra, trong đó chỉ một phần số liệu nội bộ được dùng để kiểm tra liệu việc hiệu chỉnh các thông số cục bộ có cần thiết không và phần còn lại để kiểm tra kết quả các dự báo cải tiến. Phần giữ lại này, dù sao, cũng có những đặc điểm cục bộ của chúng bao hàm một giới hạn bao lâu các dự báo phân bố như thế được kiểm chứng. Một độ bất định trong dự báo khi đó sẽ không tránh được và nếu có thể sẽ được định lượng. Tính bất định trong dự báo cho Saeternbekken đã được Lamb và nnk đánh giá (1998b) (xem phần 7.8)