Chương 3. Số liệu cho mô hình hoá mưa-dòng chảy
3.7. Số liệu số hoá độ cao
Tại nhiều nước phát triển trên thế giới, cao trình số hoá hoặc các bản đồ địa hình số (DEM hoặc DTM) trở lên thông dụng với lưới giải đủ mịn để diễn tả chi tiết cấu trúc sườn dốc (50 m với Anh và Pháp ; 30 m ở Mỹ ; 25 m ở Switzerland). Hệ thống DEM, có một cỡ lưới cố định gọi là số liệu raster. Bản đồ đồng mức số hoá (vec tơ) DEMs cũng có sẵn (hình 3. 3 (a)). Trong thực tế, để nhập số liệu hầu hết DEM raster đã được xây dựng bằng cách nội suy từ các đường đồng mức số hoá (hình 3. 3 (b)) và như là một kết quả có thể gặp sai số lớn, đặc biệt những nơi địa hình bằng phẳng có ít đường đồng mức hoặc có bước độ dốc nhỏ. Cũng có thể diễn tả hiệu quả địa hình bằng một lưới tam giác không đều (TIN: hình 3.3 (c)). Tiềm năng để phát triển số liệu địa hình phân giải cao từ phân tích, quan trắc các hình ảnh nổi thu được vệ tinh hoặc phân tích trực tiếp từ các dụng cụ đo đạc độ cao laze sinh ra từ máy bay (vídụ Weltz và nnk, 1994). Các kỹ thuật từ máy bay có thể đưa ra các cao trình với lưới phân giải 2m 2m hoặc mịn hơn và cao độ chính xác 0.1m. Tuy nhiên hình ảnh đưa ra bề mặt như nhìn bởi sensor có thể bao gồm cả các toà nhà và bề mặt bao phủ bởi cây cối.
Nước có xu hướng chảy xuôi dốc ít nhất cho hệ thống thuỷ văn nước nông, do đó biết thêm về địa hình cũng có ích trong mô hình thuỷ văn. Các mô hình phân bố có thể sử dụng loại số liệu này một cách trực tiếp và cũng có các mô hình như là TOPMODEL căn cứ trên phân tích đầu tiên là địa hình lưu vực (xem phần 6.4 và hộp 6. 2). Độ phân giải ở đây rõ ràng là một kết quả, DEMs phân giải thô sẽ không thể cung cấp một sự diễn tả đầy đủ cho đường đi của dòng chảy sườn dốc, trong khi các mô hình phân bố không thể sử dụng tất cả các thông tin trong một lưới mịn DEM bởi vì sự giới hạn tính toán. Các thay đổi nhận được từ số liệu địa hình, các giá trị thông số hiệu chỉnh và dự báo mô hình phân bố trên cơ sở DEM được biết là nhạy với độ phân giải lưới (ví dụ Zhang và Montgomery 1994; Bruneau và nnk, 1995 Quinn và nnk, 1995b; Saulnier và nnk, 1997b).
Các phân tích của DEM để đưa ra hướng dòng chảy rõ ràng để nó có một chủ đề nghiên cứu thú vị. Các phương pháp sẵn có phụ thuộc vào loại DEM rastor hay vecto nào đó. Ví dụ với DEM raster, có một so sánh về các phương pháp đã được Tarboton (1997) công bố. Cho mỗi một ô lưới khả năng có tám hướng dòng chảy, có thể có một số phần tử lưới xung quanh thấp hơn ô lưới được xem xét. Vấn đề là làm thế nào để phân bố dòng chảy tiềm năng theo các hướng khác nhau có khả năng này.
Không thể tránh khỏi một số sai sót, nhưng các phương pháp đưa ra kết quả tốt nhất, ít nhất là nhìn bề ngoài, xuất hiện như là thuật toán đo hướng dòng chảy bội của Quinn và nnk (1995a) (hình 3.4(b) ) và phương pháp tổng hợp vectơ của Tarboton (1997) (hình 3.4 (c) ). Một chương trình phân tích DTM, căn cứ trên thuật toán đo hướng sẵn có để tính toán sự phân bố chỉ số địa hình yêu cầu bởi phần mềm TOPMODEL đã giới thiệu trong quyển sách này (xem phụ lục A).
Với số liệu vectơ, vấn đề là làm thế nào để phân chia các đường có độ dốc lớn nhất hoặc các đường dòng cho dòng chảy trên sườn dốc. ý kiến cho rằng nước sẽ theo cùng hướng dòng chảy như là một quả bóng lăn xuống theo cùng một địa hình bề mặt (đã
làm trơn). Vì suy ra từ giả thiết này, nước sẽ không cắt qua một đường dòng sau đó có
thể đại diện cho dòng chảy giữa hai đường dòng trong một ống dòng, như là dòng chảy một chiều có độ rộng thay đổi theo hướng xuống dốc (hai chiều nếu chiều thẳng đứng
được đưa vào tính toán: hình 3.5 (b). Đây là cơ sở cho các mô hình phân bố như là TOPOG (Vertessy và nnk, 1993) và Viện các mô hình phân bố thuỷ văn (Calder và Wood 1995). Các đường dòng luôn là một góc bên phải (trực giao) với các đường đồng mức. Nếu các đường đồng mức đã được số hoá thì tính toán các đường dòng một cách tự động là một vấn đề phức tạp, nhưng ít nhất vẫn có một phần mềm đó là TAPES-C kết hợp với mô hình THAES và TOPOG của Australia (ví dụ ở Loughlin 1986; Grrsyon và nnk, 1995).
Hình 3.3. Các dạng khác nhau biểu diễn số hoá địa hình.(a).Biểu diễn vectơ của các đường đồng mức.
(b). Lưới raster của các cao trình điểm.(c).Biểu diễn mạng tam giác không đều (Palacioso –Velez và Cuevas- Renaud 1986; Jones và nnk, 1990).
Hình 3.4. Phân tích đường dòng chảy từ số liệu cao trình số raster.(a). Hướng dòng chảy dốc đứng đơn.
(b).Thuật toán đa hướng của Quinn và nnk (1995a). (c). Phương pháp vectơ tổng hợp của Tarboton (1997)
Hình 3.5. Phân tích các đường dòng từ số liệu cao trình số hoá vectơ. (a). phân tích cục bộ vuông góc với các đường đồng mức. (b). Chia nhỏ đường dòng TAPES-C trong lưu vực Lucky Hills LH-104, Walnut Gulch Arizona (Gravson và nnk 1992a). In lại từ Nghiên cứu Tài nguyên nước 28: 2639-2658, 1992a, xuất bản bởi Hội địa vật lý Mỹ. (c). Xác định TIN của đường dòng ở lưu vực Lucky Hills LH-106 (Palacios-Velez
và nnk 1998). In lại từ Tạp chí Thuỷ văn 211:266-274, xuất bản (1998) với sự cho phép của Elsevier Science
TIN DEMs được sử dụng rộng rãi trong hệ thống địa hình GIS hình dung một địa hình ba chiều trên mác hình và được sử dụng như là cơ sở cho một số mô hình phân bố thuỷ văn bởi vì trong mỗi mặt dốc được diễn tả trong TIN, hướng góc dốc và hướng dòng chảy xuôi dốc được tính toán dễ dàng (hình 3.5 (c)). Hướng đưa ra chính trong xây dựng TIN là gián đoạn hoá hoặc phân tách không gian để diễn tả cấu trúc địa hình tốt nhất. Nghiên cứu của Nelson và nnk (1999) đưa ra một kỹ thuật diễn tả cấu trúc địa hình tự động từ các điểm cao trình hoặc vectơ DEM. Ngay khi TIN được định nghĩa, các thuật toán cũng có sẵn để miêu tả tự động lưới sông và diện tích lưu vực cho một điều kiện bất kỳ trong lưới
ý tưởng phân tích địa hình lưu vực để đưa đến một chỉ số các hướng dòng chảy là rõ ràng và có kết quả trong một số đồ thị tính toán hấp dẫn, khi các dự báo mô hình
được đưa trở lại địa hình không gian ba chiều. Tuy nhiên có một số giới hạn trong
phân tích như thế mà người sử dụng phải biết. Bất chấp các thuật toán mà DEM đã
sử dụng, tất cả các phân tích DEM phụ thuộc một cách quan trọng vào các giả thiết về hướng dòng chảy do địa hình lưu vực quyết định. Đây chỉ là một giả thiết tốt cho lưu vực với lớp không thấm nằm tương đối nông dưới đáy không thấm hoặc ít thấm. Nếu có các hướng dòng chảy sâu hơn, chúng có thể chênh lệch lớn so với các nhận định trong phân tích địa hình bề mặt. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng thậm chí trong hệ thống nông, địa hình đáy có một sự điều khiển dòng chảy bão hoà xuôi dốc lớn hơn địa hình bề mặt, ít nhất trong một số lưu vực (Mc Monniell và nnk, 1996).
Cuối cùng, nhắc lại rằng, thậm chí trong các trường hợp thuỷ văn, một sự diễn tả đầy
đủ về hướng dòng chảy sẽ yêu cầu độ phân giải DEM đủ mịn để xác định hình dạng sườn dốc. Các phân tích nhận định rằng số liệu raster độ phân giải thô hơn 100m sẽ không đáp ứng yêu cầu.