Giáo trình Phân tích và quản lý nguồn nước ngầm: Phần 2

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH TOÁN NƯ C NG M<br /> 1.12 T ng quan v mô hình h th ng nư c ng m<br /> 1.12.1 Gi i thi u<br /> M t trong nh ng phương pháp nghiên c u quá trình v n ng và truy n ch t<br /> c a nư c ng m là phương pháp mô hình. ó là công c<br /> mô ph ng g n úng các<br /> trư ng h p th c t bao g m các mô hình v t lý và mô hình toán. Mô hình v t lý có th<br /> phân lo i thành mô hình tương t hình h c và tương t i n. Mô hình toán mô ph ng<br /> dòng ng m m t cách gián ti p b ng các phương trình toán h c mô t các quá trình v t<br /> lý x y ra trong h th ng cùng v i các phương trình mô t m c nư c và lưu lư ng d c<br /> theo các biên c a mô hình (các i u kiên biên).<br /> i v i các bài toán không n nh,<br /> c n ph i có thêm m t phương trình mô t s phân b c a m c nư c ban u trong h<br /> th ng ( i u ki n ban u). Các mô hình toán có th gi i b ng gi i tích ho c b ng<br /> phương pháp s . Các bài toán v nư c ng m cho nghi m gi i tích nhìn chung ch có<br /> th áp d ng cho dòng ch y m t chi u ơn gi n v i các i u ki n biên và các gi thi t<br /> ư c ơn gi n hóa. Tuy nhiên trong th c t , vi c coi dòng ch y là m t chi u, n nh<br /> v i các t ng t á ng nh t là không phù h p. V i các h th ng ph c t p, ta không<br /> ó các<br /> th có ư c nghi m gi i tích. Khi ó, mô hình s có th ư c l a ch n,<br /> phương trình cơ b n c a dòng ng m ư c gi i b ng phương pháp s như phương pháp<br /> sai phân, phương pháp ph n t h u h n hay phương pháp ph n t biên. Nói chung,<br /> ơn gi n hoá bài toán thì mô hình s<br /> trong mô hình s s d ng càng ít các gi thi t<br /> càng ph c t p nhưng s mô ph ng s càng g n v i th c t .<br /> Trong nh ng th p k g n ây v i s phát tri n không ng ng c a máy tính i n<br /> t , mô hình s ã ư c s d ng nhi u vào nghiên c u các bài toán nư c ng m ph c<br /> t p.<br /> T p h p các l nh ư c s d ng<br /> gi i bài toán v nư c ng m trên máy tính<br /> ư c g i là chương trình máy tính hay ph n m m. M t vùng c th ư c mô hình hoá<br /> bao g m vi c xác nh t p h p các i u ki n biên và i u ki n ban u cũng như các ô<br /> lư i tính toán, các giá tr c a các thông s và các i lư ng thu văn (lư ng b c p,<br /> lưu lư ng bơm và b c thoát hơi).<br /> Hi n nay, có các quan i m khác nhau i v i mô hình s . M t s cho r ng<br /> vi c áp d ng các mô hình nư c ng m òi h i r t nhi u các thông tin cho s li u u<br /> vào và s li u cho vi c hi u ch nh mô hình. Các l i gi i có th là không duy nh t và vì<br /> th k t qu s b nh hư ng b i tính không tin c y. Tuy nhiên, nh ng v n này cũng<br /> g p ph i i v i các phương pháp khác. Vì v y, m t phương pháp mô hình t t s tăng<br /> tin c y c a l i gi i. Mô hình còn ph c v cho vi c t ng h p các thông tin hi n<br /> trư ng và<br /> ánh giá v s ho t ng c a h th ng và có th d báo các hi n tư ng<br /> mà trư c ây chưa th xét n. Cũng như mô hình có th xác nh các yêu c u i u tra<br /> thăm dò b sung. Vì v y vi c s d ng c a mô hình nư c ng m là cách t t nh t phân<br /> tích và d báo úng n v ho t ng c a h th ng.<br /> H u h t các mô hình nư c ng m gi i b ng phương pháp s thư ng ư c áp<br /> d ng cho các lo i m c ích sau:<br /> 125<br /> <br /> + Mô hình ư c áp d ng nghiên c u d báo tương lai. Lo i mô hình này òi<br /> h i ph i ư c hi u ch nh.<br /> + Mô hình dùng xác nh b n ch t và phân tích ánh giá các thông s và các<br /> c i m a ch t th y văn c a các c u trúc ch a nư c.<br /> nghiên c u t ng quát các quá trình a<br /> + Mô hình cũng có th ư c áp d ng<br /> ch t thu văn. Ví d như mô hình ư c dùng<br /> nghiên c u s tương tác gi a nư c<br /> ng m và nư c m t. Nghiên c u mô hình t ng quát cũng có th giúp ích cho vi c xây<br /> d ng các hư ng d n v n hành h th ng và là các công c<br /> phát hi n ra các vùng phù<br /> h p ho c không phù h p cho vi c s d ng và khai thác nư c có liên quan n nư c<br /> ng m.<br /> xác nh lo i và ph c t p c a mô hình ta c n ph i tr l i các câu h i sau :<br /> 1. M c ích c a mô hình ư c xây d ng<br /> d báo, tìm hi u h th ng hay gi i<br /> bài toán mô hình t ng quát?<br /> 2. Các v n<br /> t ra c a bài toán c n mô hình tr l i?<br /> 3. Dùng mô hình s có ph i là cách t t nh t<br /> gi i quy t các v n<br /> t ra<br /> không?<br /> 4. Có nh t thi t ph i s d ng mô hình không hay l i gi i gi i tích có th gi i<br /> t ra?<br /> quy t ư c nhi m v<br /> Các câu tr l i trên s giúp chúng ta xác nh ư c m c<br /> ph c t p bài toán<br /> mô hình, nghĩa là có th quy t nh ư c mô hình là n nh hay không n nh, m t,<br /> hai hay ba chi u, gi i tích hay phương pháp s và l i gi i ch bi u di n chuy n ng<br /> c a các ph n t hay bao g m c s phân tích lan truy n y .<br /> i v i m i bài toán c th , các câu tr l i cho các câu h i trên s là khác nhau.<br /> Nhưng c n nh r ng i v i m i bài toán mô hình bư c u tiên ph i ư c thi t l p<br /> mô hình theo m c ích c a bài toán. Trong m t s trư ng h p, mô hình có th là<br /> không c n thi t và các v n<br /> t ra c a bài toán có th ư c gi i quy t m t cách hi u<br /> qu hơn b ng phương pháp khác. Ho c mô hình gi i tích ơn gi n cũng có th cung<br /> c p l i gi i mà không c n dùng n mô hình s .<br /> 1.12.2 Các bư c ti n hành mô hình<br /> Khi mô hình s ư c l a ch n và m c ích c a bài toán ã ư c xác nh rõ<br /> ràng, các bư c mô hình ư c ưa ra trong Hình 4.1 theo trình t như sau:<br /> 1. Xác nh m c ích c a bài toán. Trên cơ s m c ích này s xác nh ư c<br /> phương trình cơ b n cu bài toán nghiên c u và t ó chương trình hay ph n<br /> m m thích h p s ư c l a ch n.<br /> 2. Xây d ng mô hình khái ni m. Xác nh các t ng ch a nư c và biên c a<br /> chúng. Các s li u c n thi t bao g m các thông tin v cân b ng nư c, các s<br /> li u c n thi t v giá tr thông s c a t ng ch a nư c và các c i m a ch t<br /> th y văn (m c nư c, lưu lư ng) t i các biên và m t s v trí trong vùng<br /> nghiên c u. Trong giai o n này, kh o sát th c a s giúp cho ngư i xây<br /> d ng mô hình hi u bi t th c t và giúp cho vi c ưa ra các quy t nh trong<br /> quá trình ch y mô hình.<br /> <br /> 126<br /> <br /> 3. L a ch n phương trình cơ b n và chương trình máy tính. Chương trình máy<br /> tính g m các thu t toán<br /> gi i phương trình cơ b n b ng phương pháp s .<br /> Vi c ki m tra phương trình cơ b n chính là vi c ki m tra kh năng mô t<br /> chính xác các quá trình v t lý x y ra trong môi trư ng l r ng. Thi t l p<br /> tin c y c a phương trình cơ b n b ng vi c so sánh v i các k t qu thí<br /> nghi m trong phòng và các s li u hi n trư ng. Vì v y, ki m tra phương<br /> trình cơ b n có th ư c th c hi n b ng vi c áp d ng m t mô hình v i các<br /> bài toán th c t . Ki m tra chương trình là s so sánh l i gi i s t mô hình<br /> v i m t ho c nhi u nghi m gi i tích ho c v i các l i gi i s khác. Ki m tra<br /> chương trình m b o r ng chương trình máy tính gi i chính xác các<br /> phương trình trong mô hình s .<br /> 4. Thi t k mô hình. Thi t k mô hình là vi c ơn gi n hoá bài toán th c t<br /> b ng cách t o ra m t nh d ng phù h p<br /> mô ph ng bài toán. Bư c này<br /> bao g m thi t k ô lư i, l a ch n bư c th i gian, xác nh các i u ki n<br /> biên, i u ki n ban u và l a ch n sơ b các giá tr c a thông s t ng ch a<br /> nư c và i lư ng thu văn khác.<br /> 5. Hi u ch nh mô hình. M c ích c a bư c này là xác nh xem k t qu c a<br /> mô hình có v i k t qu o th c t hay không.Trong quá trình ch y bài toán<br /> hi u ch nh, giá tr các thông s t ng ch a nư c và các i lư ng khác ư c<br /> xác nh. Hi u ch nh mô hình ư c ti n hành b ng vi c i u ch nh thông s<br /> theo phương pháp th d n ho c chương trình hi u ch nh thông s t<br /> ng.<br /> Hi u ch nh mô hình thư ng ư c ti n hành b ng cách th c hi n bài toán<br /> ngư c n nh và không n nh.<br /> nh y c a bài toán hi u ch nh. Vi c hi u ch nh mô hình liên<br /> 6. Phân tích<br /> quan n<br /> tin c y do không th xác nh ư c s phân b theo không gian<br /> (và th i gian) c a các thông s cũng như trong vi c xác nh chính xác các<br /> i u ki n biên và các i lư ng khác trong vùng nghiên c u. Vì v y, s<br /> phân tích v<br /> nh y ư c th c hi n<br /> xem xét nh hư ng c a m c<br /> tin<br /> c y i v i hi u ch nh mô hình.<br /> <br /> 127<br /> <br /> Xác<br /> <br /> S li u th c o<br /> <br /> nh m c ích<br /> <br /> Mô hình khái ni m<br /> <br /> Mô hình toán<br /> <br /> L a ch n chương trình/ph n m m<br /> <br /> Xây d ng mô hình<br /> <br /> So sánh v i s<br /> li u th c o<br /> <br /> S li u th c o<br /> <br /> Hi u ch nh mô hình<br /> Xác nh n mô hình<br /> <br /> D báo<br /> <br /> Bi u di n k t qu<br /> <br /> S li u th c o<br /> <br /> Ki m tra sau khi<br /> xây d ng mô hình<br /> <br /> Hình 4.1. Các bư c trong nghiên c u mô hình (theo Anderson và Woessner, 2002)<br /> tin<br /> 7. Xác nh n mô hình. M c ích c a vi c xác nh n mô hình là t o nên<br /> c y thêm cho mô hình b ng vi c tái t o l i s li u th c o khác b ng vi c s<br /> d ng các giá tr thông s và i lư ng khác ã ư c hi u ch nh bư c 6.<br /> 8. D báo. Xác nh s thay i c a h th ng khi có các i u ki n ho c các s<br /> ki n thay i trong tương lai. Mô hình ch y v i giá tr các thông s và các<br /> i lư ng khác ã ư c hi u ch nh, tr nh ng i lư ng s thay i trong<br /> tương lai. M c<br /> tin c y c a mô hình d báo ph thuôc vào<br /> tin c y c a<br /> mô hình ã ư c hi u ch nh cũng như m t s i u ki n bi n i c a mô<br /> hình trong tương lai.<br /> 9. Phân tích<br /> nh y. Phân tích<br /> nh y ư c ti n hành xác nh nh hư ng<br /> c am c<br /> tin c y c a các thông s trong d báo.<br /> ng th i ki m tra s<br /> nh hư ng v<br /> l n sai s c a các i lư ng thu văn n k t qu d báo<br /> c a mô hình.<br /> 10. Bi u di n k t qu mô hình. Vi c bi u di n k t qu tính toán m t cách rõ ràng<br /> dư i d ng sơ<br /> và bi u<br /> là c n thi t cho vi c trình bày hi u qu các k t<br /> qu c a mô hình.<br /> 11. Ki m tra sau khi xây d ng mô hình. Bư c này ư c th c hi n sau m t vài<br /> năm k t khi nghiên c u mô hình hoàn thành. Các s li u hi n trư ng m i<br /> 128<br /> <br /> s ư c thu th p<br /> xác nh xem d báo c a mô hình có úng không. N u<br /> d báo là chính xác, mô hình ư c ánh giá là áp d ng t t cho vùng c th<br /> ó. Do m i vùng có các c thù riêng, mô hình c n ph i ư c ánh giá cho<br /> t ng vùng c th . Ki m tra sau khi xây d ng mô hình c n ph i ti n hành sau<br /> dài k t khi d báo ư c th c hi n<br /> m b o r ng có<br /> th i<br /> th i gian<br /> gian các thay i áng k có th x y ra.<br /> 12. Thi t k l i mô hình. ánh giá l i mô hình s cho chúng ta m t s hi u bi t<br /> sâu s c hơn v ho t ng c a h th ng. T ó, có th d n n các thay i<br /> cho phù h p hơn v mô hình h th ng hay v giá tr c a các thông s c a<br /> mô hình.<br /> Trong th c t khi nghiên c u mô hình, không ph i t t c các bư c nêu trên u<br /> ph i th c hi n. Nhưng t t c nghiên c u mô hình c n ph i ti n hành ít nh t t i bư c 6<br /> ví d như cho các nghiên c u t ng quan h th ng và nghiên c u mô ph ng. Trong<br /> trư ng h p không có b s li u th hai thì s không có bư c xác nh n mô hình (bư c<br /> 7). H u ánh giá mô hình (bư c 11) không ư c xem là m t ph n thông thư ng c a<br /> qui trình nghiên c u mô hình, nhưng các k t qu có ư c t m t vài h u ánh giá cho<br /> th y rõ ràng là bư c này c n ph i là m t ph n trong qui trình nghiên c u mô hình.<br /> 1.12.3 Mô hình khái ni m (conceptual model)<br /> M c ích c a mô hình khái ni m là<br /> ơn gi n bài toán th c t và t ch c các<br /> s li u th c o có liên quan sao cho h th ng có th ư c phân tích m t cách d dàng.<br /> Các s li u òi h i cho m t mô hình dòng ng m ư c li t kê b ng 4.1. Nh ng s li u<br /> này c n ph i thu th p khi mô hình hoá. V m t lý thuy t, mô hình hoá càng g n v i<br /> i u ki n th c t , mô hình s s càng chính xác. Tuy nhiên, v n<br /> t ra là làm sao<br /> ơn gi n hoá h th ng càng nhi u càng t t mà v n có th duy trì<br /> tính ph c t p c a<br /> h th ng và v n có th tái t o ư c ho t ng c a nó. M t trong nh ng th t b i trong<br /> vi c mô ph ng không chính xác s ho t ng c a h th ng là do các sai s trong mô<br /> hình hoá.<br /> Bư c u tiên trong vi c xây d ng mô hình là xác nh ph m vi vùng nghiên<br /> c u, nghĩa là xác nh các i u ki n biên c a mô hình như biên c t nư c áp su t/m c<br /> nư c ho c biên lưu lư ng. Nên t n d ng các biên các biên t nhiên c a t ng ch a nư c<br /> làm các i u ki n biên cho mô hình. Tuy nhiên, có nhi u trư ng h p c n ph i h n<br /> ch ph m vi xây d ng mô hình.<br /> Có ba bư c c n ti n hành trong xây d ng mô hình: (1) xác nh các ơn v t ng<br /> a ch t thu văn, (2) xác nh các thành ph n tham gia cân b ng nư c và (3) xác nh<br /> h th ng dòng ch y.<br /> B ng 4.1. Các tài li u c n thi t cho vi c mô hình dòng ng m<br /> A. Các b n<br /> 1. B n<br /> a ch t, các m t c t th hi n s phân b và i u ki n biên c a các t ng<br /> ch a nư c.<br /> 2. B n<br /> a hình th hi n các h th ng sông su i, ao h và các ư ng chia nư c.<br /> <br /> 129<br /> <br />