Chương 2. Sự phát triển của mô hình mưa-dòng chảy: Quá trình chọn lọc tự nhiên
2.5. Các mô hình dựa trên diễn tả quá trình phân bố
Từ việc thảo luận trong phần trước nhận ra rằng sự chủ quan đáng kể liên quan
đến định nghĩa của mô hình loại ESMA, thậm chí, nếu các nhà thuỷ văn cố gắng phản
ánh mô hình giác quan cho các lưu vực; nên một phạm vi rộng của các mô hình ESMA là sẵn có. Một phản ứng gần đây (trong thời đại máy tính kỹ thuật số) khắc phục sự chủ quan này là sự cố gắng đưa ra các mô hình trực tiếp dựa trên các phương trình diễn tả toàn bộ các quá trình dòng chảy mặt và sát mặt của lưu vực. Một thiết kế cho một mô hình như thế được diễn tả trong một bài báo của Freeze và Harlan (1969).
Trong một bài báo tương tự, Freeze và Harlan đã viết các phương trình cho các quá trình dòng chảy mặt và sát mặt khác nhau và chỉ ra chúng có thể được liên kết bằng các điều kiện biên chung vào trong một mô hình đơn như thế nào. Sự phân tích của họ vẫn là cơ sở của hầu hết sự các loại mô hình phân bố mưa-dòng chảy phát triển ngày nay. Hầu hết các phương trình là các phương trình vi phân riêng phi tuyến (nghĩa là phương trình vi phân được giải cho nhiều hơn một biến không gian và một biến thời gian, xem hộp 2.3). Cho dạng của độ lớn dòng chảy và các điều kiện biên trong mô hình hoá mưa-dòng chảy có phương trình như thế thường chỉ có thể được giải bằng phương pháp xấp xỉ số trị, là sự thay thế các số hạng vi phân trong phương trình bằng gián đoạn hoá trong lưới không-thời gian (xem chương 5). Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, các phương trình diễn tả được sử dụng cho mỗi quá trình chắc là đã đơn giản các giả thiết. Do đó, với dòng chảy sát mặt, nó được giả thiết rằng cả hai dòng
chảy bão hoà và không bão hoà có thể được mô tả bởi định luật Darcy: tốc độ dòng chảy tỷ lệ với hệ số thấm thuỷ lực và gradient tổng năng lượng (xem hộp 5.1), trong khi đó dòng chảy mặt được giả thiết chảy có thể xem nó như dòng chảy trung bình mặt cắt ngang một chiều hoặc là chảy xuôi dốc trên bề mặt hoặc là xuôi dốc dọc theo
đoạn sông trong lưới sông của một lưu vực (dẫn đến các phương trình Saint Venant:
xem hép 5.6).
Fzeeze và Harlan (1969) thảo luận một cách chi tiết về các yêu cầu đầu vào và
điều kiện biên cho những phương trình này. Số liệu khí tượng được yêu cầu để xác
định mưa và tổn thất do bốc thoát hơi nước. Đầu vào xác định mô hình của họ bao gồm các giả thiết cần thiết về quy mô của lượng dòng chảy, các giả thiết về năng lượng quy
định và các biên dòng chảy quy định (đặc biệt dòng chảy bằng không tại tầng không thấm nước và đường phân nước) cũng như cách trong đó phạm vi dòng chảy được phân chia để tạo ra số gia không-thời gian cho việc giải các phương trình quá trình. Đầu vào thông số dòng chảy được yêu cầu cho từng phần tử trong lưới giải, cho phép xem xét tính không đồng nhất của các đặc trưng lưu vực đưa vào tính toán.
Loại mô hình phân bố này cho phép dự đoán các phản ứng quá trình thuỷ văn cục bộ cho các điểm trong lưu vực. áp dụng đầu tiên của mô hình loại này được thực hiện cho các lưu vực tổng hợp và các sườn dốc bởi Fzeeze (1972). Các tính toán yêu cầu các máy tính lớn nhất tại thời gian đó (Al Fzeeze đang làm việc tại Trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson IBM tại Heights Yorktown), và thậm chí chỉ một quy mô dòng chảy giới hạn và các điểm lưới thô được giải. áp dụng đầu tiên cho một vị trí thực địa của loại mô hình này được đưa ra bởi Stephension và Fzeeze (1974), họ cố gắng để mô hình cho một sườn dốc đơn tại Idaho (xem phần 5.3). Kết quả không thật sự thành công nhưng chỉ rõ ra đó là một sườn dốc phức tạp nằm bên dưới khối khe nứt bazan, với
đường dẫn dòng chảy phức tạp và các hiểu biết về điều kiện ban đầu và điều kiện biên trong tính toán là có hạn; thêm vào đó, sự hạn chế tính toán đã giới hạn số lượng các mô phỏng có thể thử. Xuất phát từ các khó khăn này, họ là những người đầu tiên thảo luận về khó khăn của việc kiểm định các mô hình thuỷ văn.
Các mô hình phân bố thuộc loại này có khả năng định nghĩa các giá trị thông số cho tất cả các phần từ trong lưới giải. Thậm chí với các giới hạn liên tục được áp đặt bởi các ép buộc tính toán, có thể có hàng nghìn các phần tử như vậy. Thêm vào đó, các phương trình quá trình yêu cầu rất nhiều các thông số khác nhau được xác định cho từng phần tử. Với rất nhiều giá trị thông số như thế hiệu chỉnh thông số bằng cách so sánh với các quan trắc trong một lưu vực gặp rất nhiều khó khăn. Các thông số nào nên được thay đổi để thử và phát triển mô phỏng? Không luôn luôn đạt được sự lựa chọn bởi vì sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thông số khác nhau theo cơ sở vật lý của mô hình.
Về nguyên tắc, sự điều chỉnh thông số của loại này không thật cần thiết. Nếu các phương trình của quá trình được sử dụng là đúng đắn thì nó chỉ ra rằng các thông số có quan hệ chặt với các đặc trưng vật lý của bề mặt, đất và đá. Các kỹ thuật là sẵn có
để đo đạc các thông số đó mặc dù như lưu ý trong chương 1 có nhiều vấn đề về quy mô
trong đo đạc. Hầu hết các kỹ thuật đo đạc chỉ có thể được sử dụng để phân chia các giá
trị có mức độ nhỏ hơn rất nhiều so với các phần tử lưới được sử dụng trong phép giải gần đúng. Mô hình yêu cầu các giá trị hiệu quả ở mức độ các phần tử. Nếu đất đá là
đồng nhất thì không có vấn đề gì quá lớn, nhưng nếu đất đá và thảm phủ thực vật có khuynh hướng không đồng nhất tại quy mô đo đạc thì thiết lập mối liên kết giữa các giá trị đo đạc và các phần tử là khó khăn ngay cả về lý thuyết. Cho các trường hợp của quá trình dòng chảy mặt và sát mặt, đã gợi ý rằng khái niệm về giá trị hiệu quả của các thông số quy mô phần tử có thể không đúng đắn (Binley và nnk, 1989). Đây là một chủ đề quan trọng trong mô hình phân bố và yêu cầu những nghiên cứu tiếp theo.
Thay vì những điều khó khăn này, có một sự quá tải lớn trong việc sử dụng mô
hình phân bố trong thập niên gần đây. Đây còn là một vấn đề vì việc tăng năng lực máy tính, các công cụ chương trình hoá, và cơ sở dữ liệu kỹ thuật số đã làm cho việc phát triển và sử dụng các mô hình đó dễ dàng hơn rất nhiều, và một phần bởi vì có một xu hướng tự nhiên cho một nhóm phát triển mô hình là cố gắng xây dựng khi hiểu biết càng nhiều về các mô hình quan niệm của các quá trình quan trọng có thể được.
Do đó có một quan tâm lớn về mô hình hoá quá trình phân bố. Cũng có rất nhiều lý do khoa học rất tốt bên dưới các nỗ lực đó. Một là cần thiết phỏng đoán sự phân bố của hướng dòng chảy như là một cơ sở cho các loại mô hình hoá khác, chẳng hạn như là sự vận chuyển trầm tích hoặc chất ô nhiễm. Không thể đưa ra các dự báo mà không có sự trợ giúp của mô hình phân bố.
Một lý do khác là sử dụng mô hình cho các đánh giá các tác động. Thay đổi sự sử dụng đất như là sự phá rừng hoặc đô thị hoá thường chỉ ảnh hưởng đến một phần của lưu vực. Với mô hình phân bố, có thể kiểm tra các ảnh hưởng của các thay đổi dần dần trong một không gian xác định. Cũng có một tranh luận rằng do cơ sở vật lý của mô
hình chúng ta có thể đưa ra một đánh giá tốt hơn về các hiệu quả của các đặc trưng thay đổi của lưu vực bởi vì nó sẽ dễ dàng hơn cho việc hiệu chỉnh các giá trị thông số có ý nghĩa vật lý. Tuy nhiên, sự khó khăn của việc định rõ các giá trị hiệu quả của các thông số ở mức độ phần tử làm hỏng nhiều hơn tranh luận này.
Các ví dụ về các mô hình quá trình phân bố cơ bản gần đây bao gồm mô hình SHE (Systeme Hydrologique Europeen), một dự án điểm ban đầu của Viện thuỷ văn Anh, Viện thuỷ lực Đan Mạch và SOGREAH Pháp, nhưng bây giờ đang được phát triển một cách tách biệt (xem Abbott và nnk, 1986a; Bathust và nnk 1995). ở viện thuỷ văn nước Anh cũng phát triển mô hình IHDM (viện các mô hình phân bố Calvan và Wood1995). ở Australia có mô hình THALES (Grayson và nnk, 1995) và mô hình
động lực học CSIRO TOPOG (Vertessy và nnk, 1993; Zhang và nnk 1999) và một số mô hình khác. Điều khác của chúng là cách gián đoạn hóa lưu vực và giải các phương trình quá trình nhưng tất cả cùng dựa trên thiết kế ban đầu của Fzeeze và Harlan từ năm 1969 như là một diễn tả về quá trình dòng chảy (trình bày chi tiết hơn trong chương 5).
Phải nói rằng hoặc là các diễn tả quá trình hoặc là các vấn đề yêu cầu nghiên cứu xa hơn, đã thay đổi rất nhiều trong ba mươi năm qua từ khi thiết kế của Fzeeze và Harlan được công bố. Tất nhiên, các phát triển nhảy vọt về máy tính, các phương pháp số trong việc giải các phương trình vi phân, và phát triển kỹ thuật lập trình, đã cho
phép giải mạnh hơn với việc độ phân giải không-thời gian mịn hơn để áp dụng cho các các lưu vực lớn hơn, nhưng các giới hạn tính toán trong việc giải ba chiều đầy đủ vẫn còn.
Nhớ rằng các thiết kế còn lại phần lớn là đơn giản hoá các mô hình giác quan đã
thảo luận trong chương 1. Một vài quá trình như là dòng chảy ưu tiên trong đất rỗng bị bỏ qua hoàn toàn với lý do không có phương trình diễn đạt đầy đủ để tích hợp các hiệu quả của dòng chảy ở quy mô phần tử (xem Bronstert và Plate (1997) và Feah và nnk, 1997 cho các cố gắng gần đây). Tương tự, ý kiến diễn tả dòng chảy bề mặt như là một dòng chảy mặt sườn dốc với độ sâu và lưu tốc cắt ngang sườn dốc đồng nhất được sử dụng trong hầu hết các mô hình quá trình, rõ ràng là một sự đơn giản hoá thực tế quá mức. Chỉ có các cố gắng gần đây được làm để đưa ra sự tính toán sự thay đổi độ sâu trên lưu tốc dòng chảy và cường độ thấm (ví dụ Dunne và nnk, 1991; Tayfur và Kavvas 1998). Do đó, các mô hình này dựa trên tính vật lý của dòng chảy về tên gọi, nhưng là một sự xấp xỉ vật lý và nó vẫn tồn tại cho đến khi các kỹ thuật đo đạc và xử lý trong nghiên cứu các quá trình dòng chảy được hoàn thiện cho phép đưa ra các diễn tả tốt hơn, đặc biệt là dòng chảy sát mặt.