Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 2

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

105
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự phát triển của mô hình "Mưa-dòng chảy" Quá trình chọn lọc tự nhiên Mọi thứ quan trọng đều đã được nghĩ trước bởi những nguời không phát minh ra nó. Al fred NorthWhitehead, 1920 2.1. Điểm khởi đầu: Phương pháp tỷ số Điều đáng nhớ là mô hình "mưa-dòng chảy" có một lịch sử dài và các nhà thuỷ văn đang cố gắng dự báo dòng chảy được mong đợi từ mưa cũng là người nhìn thấu các quá trình thuỷ văn mặc dù các phương pháp của họ bị hạn chế bởi số liệu và kỹ thuật...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 2

Ch¬ng 2 Sù ph¸t triÓn cña m« h×nh "Ma-dßng ch¶y" Qu¸ tr×nh chän läc tù nhiªn Mäi thø quan träng ®Òu ®· ®îc nghÜ tríc bëi nh÷ng nguêi kh«ng ph¸t minh ra nã. Al fred NorthWhitehead, 1920 2.1. §iÓm khëi ®Çu: Ph¬ng ph¸p tû sè §iÒu ®¸ng nhí lµ m« h×nh "ma-dßng ch¶y" cã mét lÞch sö dµi vµ c¸c nhµ thuû v¨n ®ang cè g¾ng dù b¸o dßng ch¶y ®îc mong ®îi tõ ma còng lµ ngêi nh×n thÊu c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n mÆc dï c¸c ph¬ng ph¸p cña hä bÞ h¹n chÕ bëi sè liÖu vµ kü thuËt tÝnh to¸n. Chóng ta cã thÓ quay trë l¹i 150 n¨m tríc cho ®Õn khi m« h×nh "ma-dßng ch¶y" ®îc sö dông réng r·i lÇn ®Çu bëi kü s Ai Len,Thomas James Mulvaney (1822 - 1892) vµ ®îc c«ng bè n¨m 1851. M« h×nh lµ mét ph¬ng tr×nh ®¬n ®¬n gi¶n nhng ngay nh thÕ minh ho¹ ®îc hÇu hÕt c¸c vÊn ®Ò ®· lµm khã kh¨n cho nh÷ng ngêi lËp m« h×nh thuû v¨n. Tõ ®ã ph¬ng tr×nh ®îc viÕt nh sau: (2.1) Q p  CAR Ph¬ng tr×nh Mulvaney kh«ng cè g¾ng dù ®o¸n toµn bé ®êng qu¸ tr×nh mµ chØ dù ®o¸n ®Ønh qu¸ tr×nh Qp. §Êy lµ tÊt c¶ mµ mét nhê thuû v¨n c«ng tr×nh cÇn ®Ó thiÕt kÕ mét c©y cÇu, hoÆc mét c¸i cèng cã kh¶ n¨ng tiªu tho¸t lu lîng ®Ønh tÝnh to¸n. C¸c biÕn ®Çu vµo lµ: diÖn tÝch lu vùc A, cêng ®é ma trung b×nh lu vùc lín nhÊt R , mét th«ng sè hoÆc hÖ sè kinh nghiªm C. Nh vËy m« h×nh nµy ph¶n ¸nh con ®êng trong ®ã lu lîng t¨ng theo diÖn tÝch vµ cêng ®é ma theo mét tû sè. GÇn ®©y nã ®îc biÕt nh lµ ph¬ng ph¸p tû sè. Thùc tÕ, sù thay ®æi trong ph¬ng tr×nh (2.1) ®· ®îc c«ng bè bëi rÊt nhiÒu t¸c gi¶ theo c¸c sè liÖu kinh nghiÖm kh¸c nhau (tæng kÕt vÒ ®iÒu nµy, xem Dooge, 1957), vµ ngµy nay vÉn sö dông (Hromadks vµ Whitley, 1994). Th«ng sè tû lÖ C sÏ ph¶n ¸nh thùc tÕ lµ kh«ng ph¶i toµn bé ma ®Òu sinh ra lu lîng, nhng ë ®©y ph¬ng ph¸p kh«ng hoµn toµn lµ mét tû sè v× nã kh«ng cè g¾ng ph©n chia c¸c ¶nh hëng kh¸c nhau cña viÖc sinh dßng ch¶y vµ diÔn to¸n dßng ch¶y, chóng sÏ ®iÒu chØnh quan hÖ gi÷a thÓ tÝch vµ lîng ma r¬i trªn lu vùc trong mét trËn ma, sù ¶nh hëng A R , vµ lu lîng t¹i ®Ønh qu¸ tr×nh. Thªm vµo ®ã, hÖ sè C ®îc yªu cÇu ®a ra quan hÖ phi tuyÕn gi÷a c¸c ®iÒu kiÖn cã tríc vµ profile cña mét trËn ma vµ dßng ch¶y ®îc h×nh thµnh. HÖ sè C kh«ng ph¶i lµ h»ng sè, vµ sÏ thay ®æi tõ trËn ma nµy ®Õn trËn ma kh¸c trong cïng mét lu vùc, vµ tõ lu vùc nµy ®Õn lu vùc kh¸c cho c¸c trËn ma gièng nhau. C¸ch dÔ dµng nhÊt ®Ó nhËn ®îc mét gi¸ trÞ C lµ tÝnh ngîc trë l¹i tõ ma vµ ®Ønh lu lîng (d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó hiÖu chØnh 35
m« h×nh). Dù ®o¸n gi¸ trÞ chÝnh x¸c cho tËp hîp c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau cã lÏ lín h¬n nh÷ng g× x¶y ra tríc ®ã, hoÆc cho mét lu vùc kh«ng cã quan tr¾c lµ mét bµi to¸n khã h¬n rÊt nhiÒu. Sù khã kh¨n nh vËy vÉn tån t¹i cho tíi ngµy nay, thËm chÝ c¸c m« h×nh tÝnh to¸n phøc t¹p nhÊt. Nã cµng khã cho c¸c trêng hîp cña qu¸ tr×nh sinh dßng ch¶y phi tuyÕn, ®Æc biÖt lµ trong c¸c trêng hîp sè liÖu bÞ giíi h¹n. DÔ dµng ®Ó nhËn ®îc c¸c gi¸ trÞ th«ng sè ¶nh hëng lµ tÝnh to¸n ngîc hoÆc hiÖu chØnh ®èi víi n¬i cã kh¶ n¨ng quan tr¾c vÉn cßn rÊt nhiÒu khã kh¨n khi dù b¸o c¸c gi¸ trÞ ¶nh hëng cho mét trËn ma cùc trÞ hoÆc mét lu vùc kh«ng ®o ®¹c. VÉn cßn nh÷ng vÊn ®Ò vÒ sù ph©n chia ¶nh hëng cña viÖc sinh dßng ch¶y vµ diÔn to¸n dßng ch¶y trong th«ng sè ho¸ m« h×nh (vµ thùc tÕ cã thÓ mong ®îi ®iÒu nµy v× c¸c t¬ng t¸c vËt lý thùc trong lu vùc). Tuy nhiªn, kh«ng thÓ t¹o ra c¸c dù b¸o, thËm chÝ víi c¸c m« h×nh ®¬n gi¶n nh thÕ, mÆc dï trong thêi ®¹i tiÒn m¸y tÝnh, ph¬ng ph¸p tû sè ®îc gi¶i theo kü thuËt íc lîng ®å thÞ (xem Linslay vµ nnk, 1949 hoÆc Chow, 1964 víi ®Çy ®ñ chi tiÕt). §©y lµ mét sù cè g¾ng ®Ó tæng hîp mét ph¹m vi réng cña c¸c ph©n tÝch ¸p dông cho c¸c lu vùc ë Mü mét tËp hîp ®å thÞ hoÆc to¸n ®å cã thÓ sö dông ®Ó dù b¸o lu lîng ®Ønh díi c¸c trËn ma vµ vµ c¸c ®iÒu kiÖn kú tríc kh¸c nhau (h×nh 2.1). Sù tiÕp cËn nµy ®îc sö dông nh lµ mét c«ng cô thiÕt kÕ cho nhiÒu n¨m vµ ®a vµo trong d¹ng to¸n häc bëi Plate vµ nnk, (1988). 2.2 Dù b¸o thùc hµnh: C¸c hÖ sè dßng ch¶y vµ chuyÓn ®æi thêi gian Trong ch¬ng 1 vµ phÇn tríc, vÊn ®Ò ph©n t¸ch ¶nh hëng cña viÖc sinh dßng ch¶y vµ diÔn to¸n dßng ch¶y ®· ®îc x©y dùng. Sù kh¸c biÖt nµy cña hai qu¸ tr×nh lµ thùc chÊt cña nh÷ng thö nghiÖm ®Çu tiªn cho c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n, b¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 1920. Ph¶i nhí r»ng tÊt c¶ nh÷ng tÝnh to¸n trong thêi gian ®ã ®îc lµm b»ng tay mµ kh«ng cã sù trî gióp thËm chÝ cña m¸y tÝnh ®iÖn tö cÇm tay. Lóc ®ã c¸c trî gióp vÒ tÝnh to¸n bÞ giíi h¹n bëi c¸c b¶ng logarit do ®ã c¸c phÐp tÝnh ph¶i thËt ®¬n gi¶n. Trong mét bµi b¸o c«ng bè n¨m 1921, Ross cã lÏ lµ ngêi ®Çu tiªn cè g¾ng sö dông mét m« h×nh thuû v¨n ph©n bè. ý kiÕn cña Ross lµ t¸ch lu vùc thµnh c¸c phÇn c¨n cø theo thêi gian ch¶y truyÒn ®Õn cöa ra lu vùc. Vïng 1 sÏ lµ vïng mµ dßng ch¶y ®¹t ®Õn cöa ra trong mét bíc thêi gian (vÝ dô lµ mét giê). Vïng 2 sÏ lµ vïng mµ dßng ch¶y tho¸t ra cña ra trong 2 bíc thêi gian, vµ v.v... (xem h×nh 2.2). Ross ®ång ý r»ng nÕu viÖc sinh dßng ch¶y cã thÓ ®îc tÝnh to¸n trong tõng phÇn diÖn tÝch th× sÏ t¬ng ®èi ®¬n gi¶n ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y ®ã ®Õn cöa ra lu vùc vµ thu ®îc mét thuû ®å dù b¸o. C¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu kh¸c nhau vµ cêng ®é ma kh¸c nhau sÏ cho lîng dßng ch¶y kh¸c nhau vµ sau ®ã ®êng qu¸ tr×nh thuû v¨n còng kh¸c nhau biÓu ®å kh«ng- thêi gian kÕt qu¶ diÔn t¶ sù lµm chËm dßng ch¶y tõ tõng phÇn cña lu vùc. Mét kh¸i niÖm t¬ng tù ®îc sö dông ë Mü bëi Zoch (1934), Turner vµ Burdoin (1941), Clark (1945), vµ ë Anh bëi Richards (1944) t¹i mét trong c¸c quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ m« h×nh "ma-dßng ch¶y" vµ sù tÝnh to¸n lò ®îc c«ng bè. C¸c ý tëng nµy vÉn n»m trong mét 36
sè m« h×nh ph©n bè ®ang ®îc sö dông. VÝ dô Kull vµ Feldman (1998) ®· chøng minh ph¬ng ph¸p Clark cã thÓ ®îc sö dông nh thÕ nµo víi ®Çu vµo lµ sù ph©n bè ma nhËn ®îc tõ hÖ thèng rada NEXRAD. H×nh 2.1. Kü thuËt ®å thÞ cho íc lîng dßng ch¶y ma t¨ng thªm nhËn ®îc mét chØ sè cña lîng ma kú tríc, tuÇn trong n¨m, chØ sè gi÷ níc cña ®Êt vµ ma trong 6 h tríc. Mòi tªn biÓu diÔn sù nèi tiÕp khi sö dông ®å thÞ (Linsley 1949) Chó ý r»ng c¸c nghiªn cøu sím nµy ®· t¹o nªn mét gi¶ thiÕt vÒ sù tuyÕn tÝnh trong diÔn to¸n dßng ch¶y. Sù tuyÕn tÝnh cã nghÜa r»ng thêi gian diÔn to¸n cho c¸c vïng kh¸c nhau lµ gièng nhau kh«ng kÓ tíi tæng lîng dßng ch¶y ®îc diÔn to¸n, do ®ã qu¸ tr×nh diÔn to¸n lµ mét to¸n tö tuyÕn tÝnh (xem hép 2.1). §©y lµ mét sù gÇn ®óng. Trong vµi thÕ kû mäi ngêi biÕt r»ng tèc ®é dßng ch¶y thay ®æi phi tuyÕn víi cêng ®é dßng ch¶y hoÆc ®é s©u dßng ch¶y. Tuy nhiªn, gi¶ thiÕt vÒ sù tuyÕn tÝnh lµm cho c«ng viÖc tÝnh to¸n dÔ dµng h¬n rÊt nhiÒu. §iÒu nµy còng ®îc chØ ra trong ch¬ng 4. BÊt k× sù kh«ng chÝnh x¸c nµo do sù gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh cho viÖc diÔn to¸n dßng ch¶y nh×n chung nhá h¬n sù kh«ng chÝnh x¸c do sù quyÕt ®Þnh bao nhiªu lîng ma ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y, nghÜa lµ vÊn ®Ò íc 37
lîng ma hiÖu qu¶ hoÆc hÖ sè dßng ch¶y trong mét trËn ma. Lîng ma hiÖu qu¶ lµ phÇn ma b»ng thÓ tÝch dßng ch¶y t¹o ra bëi trËn ma ®ã. HÖ sè dßng ch¶y lµ tû lÖ cña tæng lîng ma trong mét trËn ma h×nh thµnh dßng ch¶y. C¸ch mµ dßng ch¶y ®îc dù b¸o nãi chung lµ phi tuyÕn víi mét hÖ sè dßng ch¶y, phô thuéc vµo c¶ hai: ®iÒu kiÖn kú tríc vµ ma r¬i. VÊn ®Ò chÝnh víi kh¸i niÖm kh«ng - thêi gian cña Ross lµ sù khã kh¨n nhiÒu trong viÖc quyÕt ®Þnh nh÷ng diÖn tÝch nµo cña lu vùc sÏ ®ãng gãp cho c¸c vïng kh¸c nhau, bëi v× cã Ýt th«ng tin vÒ lu tèc cña dßng ch¶y cho tÊt c¶ trêng hîp dßng ch¶y mÆt vµ dßng ch¶y s¸t mÆt. VÊn ®Ò nµy ®· ®îc Sherman tr¸nh ®i. Sherman ®· ®a ra ý kiÕn r»ng thêi gian lµm chËm dßng ch¶y trªn lu vùc dÉn ®Õn cöa s«ng cã thÓ ®îc diÔn t¶ nh lµ sù ph©n bè thêi gian mµ kh«ng cã sù liªn kÕt trùc tiÕp nµo víi c¸c phÇn diÖn tÝch bao hµm. Bëi v× ph¬ng thøc diÔn to¸n lµ tuyÕn tÝnh, sù ph©n bè nµy cã thÓ ®îc chuÈn ho¸ ®Ó diÔn t¶ ph¶n øng cho mét ®¬n vÞ sinh dßng ch¶y hoÆc ma hiÖn qu¶ t¹o ra trªn lu vùc trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Sherman ®· gäi hµm nµy lµ ®êng ®¬n vÞ. B©y giê chóng ta biÕt ®Õn nh lµ ®êng thuû ®å ®¬n vÞ, vµ trë thµnh mét kü thuËt m« h×nh ho¸ thuû v¨n ®îc sö dông phæ biÕn nhÊt trong thuû v¨n, võa dÔ hiÓu vµ ®îc ¸p dông mét c¸ch dÔ dµng (®Æc biÖt lµ cã sù trî gióp cña c¸c m« h×nh m¸y tÝnh). Thuû ®å ®¬n vÞ diÔn t¶ mét hµm chuyÓn ®æi ®Æc biÖt cña l¬ng ma hiÖu qu¶ ®¹t ®Õn ë cöa ra tËp trung cho quy m« lu vùc. H×nh 2.2. Khëi t¹o mét to¸n ®å thêi gian-diÖn tÝch b»ng c¸ch chia lu vùc thµnh n diÖn tÝch víi thêi gian ch¶y truyÒn kh¸c nhau tõ cöa ra i =1,2,3,....,n Thuû ®å ®¬n vÞ vÉn lµ kü thuËt diÔn to¸n tuyÕn tÝnh, nguyªn t¾c xÕp chång ®îc ¸p dông. Do ®ã, hai ®¬n vÞ lîng ma hiÖu qu¶ trong mét bíc thêi gian sinh ra dù ®o¸n gÊp ®«i dßng ch¶y trªn thuû ®å t¹i cöa ra lu vùc nh lµ mét ®¬n vÞ víi cïng sù ph©n bè thêi gian (hép 2.1) Sù tÝnh to¸n dßng ch¶y sinh ra tõ lîng ma hiÖu qu¶ theo c¸c bíc thêi gian cã thÓ ®îc ph©n bè b»ng c¸ch ¸p dông c¸c ®êng ®¬n vÞ trÔ pha vµ céng gép l¹i ®Ó tÝnh ®êng tæng hîp t¹i cöa ra lu vùc. Nh×n chung, còng gi¶ thiÕt r»ng d¹ng cña ®êng ®¬n vÞ kh«ng thay ®æi theo thêi gian. Cßn l¹i mét vÊn ®Ò phøc t¹p h¬n lµ x¸c ®Þnh tæng lîng ma hiÖu qu¶ ®Ó diÔn to¸n nh thÕ nµo. Râ rµng ®©y lµ mét bµi to¸n phi tuyÕn bao gåm thay ®æi c¸c qu¸ 38
tr×nh thuû v¨n vµ sù kh«ng ®ång nhÊt cña cêng ®é ma, c¸c ®Æc trng ®Êt ®¸, cïng víi c¸c ®iÒu kiÖn kú tríc nh lµ hÖ sè C ë tû lÖ phÇn tríc. Chó ý vÒ vÊn ®Ò íc lîng ma hiÖu qu¶ lµ b¾t ®Çu híng tíi m« h×nh ho¸ qu¸ tr×nh "ma-dßng ch¶y" dùa trªn sù hiÓu biÕt vÒ c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n. Tuy nhiªn vÉn cha t×m ra lêi gi¶i vµ vÉn cßn c¸c m« h×nh kh¸c íc lîng lîng ma hiÖu qu¶ dùa trªn c¸c gi¶ thiÕt kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt c¸c qu¸ tr×nh gi¶i quyÕt. Bíc chÝnh trong viÖc gi¶i quyÕt vÊn ®Ò ®îc tr×nh bµy mét n¨m sau khi Sherman giíi thiÖu ®êng ®¬n vÞ cña m×nh. Robert Horton ®· c«ng bè bµi b¸o vÒ viÖc t¹o dßng ch¶y vît kh¶ n¨ng thÊm cña ®Êt (Horton 1933). T¸c phÈm cña Horton ®îc dùa trªn kinh nghiÖm, vµ «ng ®· sö dông hµm kinh nghiÖm ®Ó diÔn t¶ cêng ®é thÊm gi¶m theo thêi gian (VÝ dô trong h×nh 2,3). MÆc dï ®¬n gi¶n c¸c bíc gi¶i ph¬ng tr×nh Darcy cho dßng ch¶y qua ®Êt lµ s½n cã, lín nhÊt tõ bµi b¸o cña Green- Ampt. Tõ ®ã rÊt nhiÒu c¸c ph¬ng tr×nh thÊm kh¸c ®îc x©y dùng, vµ hÇu hÕt ®Òu dùa trªn c¸c ®¬n gi¶n ho¸ kh¸c nhau vÊn ®Ò dßng ch¶y phi tuyÕn cña Darcy (xem vÝ dô vÒ phÇn giíi thiÖu cña Parlange vµ Haverkamp, 1989 vµ hép 5.2). H×nh 2.3. Sù gi¶m kh¶ n¨ng thÊm theo thêi gian tõ khi b¾t ®Çu ma.A. Cêng ®é ma cao h¬n kh¶ n¨ng thÊm cña ®Êt.B. Cêng ®é ma thÊp h¬n kh¶ n¨ng thÊm cña ®Êt sao cho cêng ®é thÊm b»ng cêng ®é ma cho ®Õn thêi gian tÝch ®äng tp; f lµ cßng ®é thÊm ban ®Çu cña ®Êt. TÊt c¶ c¸c ph¬ng tr×nh nµy ®Òu cung cÊp mét íc lîng vÒ kh¶ n¨ng thÊm giíi h¹n côc bé cña ®Êt ®¸ theo thêi gian. Trong suèt qu¸ tr×nh cña mét trËn ma khi cêng ®é ma vît qu¸ cêng ®é thÊm th× níc sÏ b¾t ®Çu tÝch ®äng trªn bÒ mÆt vµ sau khi dung tÝch chç tròng côc bé ®îc lµm ®Çy, cã thÓ b¾t ®Çu ch¶y xu«i dèc nh lµ ch¶y trµn bÒ mÆt. So s¸nh cêng ®é ma vµ cêng ®é thÊm ®Ó íc lîng lîng ma hiÖu qu¶ cho mét trËn ma (vÝ dô B h×nh 2.3) nÕu dßng ch¶y thùc sù ®îc t¹o thµnh b»ng c¬ chÕ vît thÊm. Tuy nhiªn, nh chóng ta ®· xÐt trong ch¬ng 1, ®iÒu nµy kh«ng ph¶i lµ trêng hîp phæ biÕn vµ thËm chÝ khi dßng ch¶y mÆt x¶y ra th× cêng ®é thÊm cã thÓ chØ ra cã møc ®é kh«ng ®ång nhÊt cao trong kh«ng gian. Cã mét nghi ngê nhá lµ sù tiÕp cËn nµy dÔ íc lîng sai lîng ma hiÖu qu¶ vµ cã thÓ tiÕp tôc sai (Ýt nhÊt lµ gi¶i thÝch sai) 60 n¨m sau tr×nh bµy gèc cña kh¸i niÖm nµy. 39
Lý do cho ®iÒu nµy lµ c«ng thøc, m« h×nh vît thÊm cña lîng ma hiÖu qu¶ vµ ®êng ®¬n vÞ cung cÊp ®ång thêi c¸c thµnh phÇn hµm cÇn thiÕt cho mét m« h×nh thuû v¨n, tøc lµ íc lîng bao nhiªu lîng ma trë thµnh dßng ch¶y vµ trung b×nh ph©n bè cña lîng ma hiÖu qu¶ theo thêi gian ®Ó dù ®o¸n h×nh d¹ng cña thuû ®å. Do ®ã kh«ng cÇn thiªt ¸p dông ph¬ng ph¸p nµy díi c¸c gi¶ thiÕt r»ng ®ã lµ dßng ch¶y mÆt thùc sù khi vît qu¸ cêng ®é thÊm cña ®Êt ®îc diÔn to¸n b»ng ®êng ®¬n vÞ (nh lµ trong h×nh 2.4 (a)). C¸c m« h×nh ma hiÖu qu¶ ®¬n gi¶n nhÊt còng gi¶ thiÕt cã mét r»ng tû lÖ tæn thÊt kh«ng ®æi (ph¬ng ph¸p chØ sè ) (h×nh 2.4(b)) hoÆc tû lÖ kh«ng ®æi cña lîng ma lµ lîng ma hiÖu qu¶ (h×nh 2.4 (c)), nã còng ®îc sö réng r·i nhng Ýt râ rµng h¬n c¸c m« h×nh dßng ch¶y mÆt: ®ã lµ c¸ch ®¬n gi¶n ®Ó nhËn ®îc hÖ sè dßng ch¶y gÇn ®óng. C¸ch íc lîng lîng ma hiÖu qu¶ nµy phôc vô yªu cÇu nh lµ hµm sè cña tæn thÊt vµ lµ phi tuyÕn víi tæng lîng ma, bá qua viÖc biÕn c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y thùc lµ do c¬ chÕ vît thÊm. C¸c c¸ch tÝnh to¸n lîng ma hiÖu qu¶ kh¸c, víi c¸c hµm t¬ng tù, còng thêng ®îc sö dông. C¶ hai ph¬ng ph¸p ®Òu cã cïng mét mét th«ng sè, nhng sÏ cho ph©n bè lîng ma hiÖu qu¶ kh¸c nhau trong thêi gian cña cïng mét trËn ma. H×nh 2.4. C¸c ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n lîng ma hiÖu qu¶ (vïng tèi trong mçi trêng hîp):(a).Cêng ®é ma cao h¬n cêng ®é thÊm cña ®Êt, tÝnh to¸n thêi gian tÝch ®äng nÕu cÇn thiÕt.(b).Khi cêng ®é ma cao h¬n mét cêng ®é tæn thÊt kh«ng ®æi nµo ®Êy (ph¬ng ph¸p chØ sè ).(c).Khi lîng ma hiÖu qu¶ lµ mét tû sè kh«ng ®æi cña cêng ®é ma t¹i mçi bíc thêi gian Mét ph¬ng ph¸p kinh nghiÖm tiÕp theo trong viÖc íc lîng lîng ma hiÖu qu¶ 40
lµ tiÕp cËn ®êng cong SCS (USDA Soil Conservation Servive) (McCuen 1982). §ã còng ®îc xem nh lµ mét ph¬ng tr×nh thÊm (vÝ dô Yu 1998; Mishra vµ Singh 1999), nhng thùc tÕ ®îc Moskus (1999) b¾t ®Çu tõ viÖc ph©n tÝch thÓ tÝch dßng ch¶y trªn mét lu vùc nhá vµ cã thÓ kh«ng chØ bao gåm dßng ch¶y trµn mÆt ®Êt nh lµ c¬ chÕ chung cña dßng ch¶y. Gi¶ thiÕt tíi h¹n cña ph¬ng ph¸p SCS lµ tû sè cña dßng ch¶y thùc víi dßng ch¶y tiÒm n¨ng (lîng ma nhá h¬n tæn thÊt ban ®Çu) b»ng tû sè cña lîng gi÷ l¹i thùc víi lîng gi÷ l¹i tiÒm n¨ng. Kh«ng cã lý gi¶i vËt lý cho gi¶ thiÕt nµy, Mockus chØ gîi ý nã sinh ra c¸c lo¹i ®êng cong "ma-dßng ch¶y" ®îc t×m thÊy trong c¸c lu vùc tù nhiªn. Do ®ã hµm kinh nghiÖm thùc sù ®Ó íc lîng hÖ sè dßng ch¶y vµ lµm s¸ng tá bÊt k× qu¸ tr×nh nµo b»ng viÖc gi÷ l¹i lîng thÊm vµ dßng ch¶y cho ®Õn dßng ch¶y bÒ mÆt ®îc tiÕn hµnh tõ c¸c c«ng viÖc ®Çu tiªn. §iÒu nµy chøng minh chiÒu s©u cña c¸c kh¸i niÖm Horton vÒ t¹o dßng ch¶y, xuyªn suèt sù ph¸t triÓn m« h×nh "ma-dßng ch¶y" trong qu¸ khø. Ph¬ng ph¸p SCS còng ®îc sñ dông réng r·i trong mét sè m« h×nh ph©n bè hiÖn thêi vµ sÏ ®îc xem xÐt chi tiÕt h¬n trong ch¬ng 6 bao gåm c¶ viÖc lµm s¸ng tá c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi (xem hép 6.1). TÝnh to¸n lîng ma hiÖu qu¶ lµ mét c«ng viÖc chÝnh trong viÖc sö dông kü thuËt ®êng ®¬n vÞ, ®Æc biÖt lµ tõ khi nã ®îc liªn kÕt víi viÖc gi¶i quyÕt sù ph©n c¾t thuû ®å ®Ó quyÕt ®Þnh tæng lîng dßng ch¶y trong trËn ma (xem bªn díi). Tuy nhiªn, bëi v× sö dông ®êng ®¬n vÞ lµ to¸n tö tuyÕn tÝnh, nhËn ®îc mét d¹ng cña lîng ma vµ biÓu ®å ma, ®· ph©n chia ngay khi ®êng ®¬n vÞ lµ s½n cã cho lu vùc nã cã thÓ ®îc sö dông theo c¸ch ngîc l¹i ®Ó íc lîng ph©n bè cña lîng ma hiÖu qu¶. Thùc vËy, b»ng viÖc sö dông qu¸ tr×nh lÆp b¾t ®Çu víi mét íc lîng ban ®Çu nµo ®©u cña d¹ng ®êng ®¬n vÞ, c¶ thø tù cña lîng ma hiÖu qu¶ vµ ®êng ®¬n vÞ cã thÓ ®îc hiÖu chØnh mµ kh«ng cÇn bÊt k× gi¶ thiÕt nµo vÒ b¶n chÊt c¸c qu¸ tr×nh sinh dßng ch¶y (xem hép 4.2). §¸ng tiÕc, ®iÒu nµy kh«ng xuÊt hiÖn lµm dÔ dµng h¬n cho viÖc gi¶i thÝch lîng ma hiÖu qu¶ ®îc ph©n chia theo c¸ch nµy ®Ó cã thÓ dù ®o¸n lîng ma hiÖu qu¶ dÔ dµng h¬n cho c¸c trËn ma kh¸c. Cã mét vÊn ®Ò xa h¬n trong viÖc ¸p dông ®êng ®¬n vÞ. Trong bÊt k× mét thuû ®å ma nµo, mÆc dï kh«ng cã ma nhng vÉn cã lu lîng trong s«ng. §iÒu nµy thêng ®îc gäi lµ thµnh phÇn dßng ch¶y c¬ së trong s«ng, vµ nÕu cã kho¶ng thêi gian kh« h¹n tõ trËn ma tríc th× dßng ch¶y c¬ së thêng ®îc gi¶ thiÕt ®îc lÊy tõ dßng ch¶y s¸t mÆt. Sím biÕt r»ng lîng ma hiÖu qu¶ cã quan hÖ tuyÕn tÝnh nhiÒu h¬n víi lu lîng trong s«ng nÕu ®êng thuû ®å tæng hîp ®îc ph©n t¸ch thµnh mét thµnh phÇn dßng ch¶y c¬ së vµ thµnh phÇn dßng ch¶y ma rµo (vÝ dô h×nh 2.5(a)). Sau ®ã sù ph©n chia thuû ®å trë thµnh mét phÇn quan träng cña viÖc ¸p dông m« h×nh ®êng ®¬n vÞ, vÊn ®Ò lµ kh«ng cã kü thuËt ph©n chia ®êng thuû ®å tho¶ m·n. Do ®ã thùc tÕ cã mét vµi ph¬ng ph¸p ph©n chia thuû ®å rÊt l¹ ®îc ®a ra (xem phÇn giíi thiÖu trong Beven 1991b). MÆc dï kü thuËt hîp lý vÒ mÆt vËt lý duy nhÊt cho sù ph©n chia thuû ®å lµ ®Ó cè g¾ng íc lîng dßng ch¶y cã thÓ x¶y ra nÕu kh«ng cã ma. Tuy nhiªn, mét thñ tôc nh thÕ cã khuynh híng dÉn tíi c¸c thuû ®å dßng ch¶y víi ®o¹n cuèi rÊt dµi 41
vµ cã thÓ nhËn ®îc kh¸ phøc t¹p trong trêng hîp cña mét vµi trËn ma kÕ tiÕp nhanh (h×nh 2.5 (b)) do ®ã nã kh«ng ®îc sö dông thêng xuyªn (nh Reed vµ nnk 1975). Thùc tÕ ph¬ng ph¸p tèt nhÊt ®èi xö viÖc ph©n chia thuû ®å lµ tr¸nh ph©n chia tÊt c¶ ®ång thêi, nh ®îc xÐt trong phÇn sau. H×nh 2.5. Ph©n chia thuû ®å thµnh dßng ch¶y do ma vµ dßng ch¶y c¬ së. (a).Ph©n theo ®êng th¼ng (Hawlett 1974) .(b)Ph©n b»ng më réng ®êng níc rót (Reed vµ nnk). Trong nhiÒu tµi liÖu, thµnh phÇn dßng ch¶y do ma ®îc gäi lµ thµnh phÇn "dßng ch¶y mÆt". §iÒu nµy lµ mét xÊp xØ trong ®ã thuû ®å dßng ch¶y tæng hîp ®îc ®o ®¹c nh dßng ch¶y mÆt trong kªnh nhng tªn ®ã còng duy tr× tÕ nhÞ kh¸i niÖm nãi chung kh«ng ®óng ®¾n liªn kÕt víi ý kiÕn cho r»ng dßng ch¶y ®îc sinh ra b»ng mét c¬ chÕ vît thÊm. ThuËt ng÷ nµy nªn ®îc söa l¹i, bëi v× sÏ cã ý kiÕn r»ng lîng ma hiÖu qu¶ còng lµ cïng lîng níc h×nh thµnh ®êng qu¸ tr×nh lu lîng. Nh×n chung th«ng tin ban ®Çu gîi ý r»ng ®iÒu ®ã lµ kh«ng nh vËy (nh ®îc th¶o luËn trong phÇn 1.5). MÆc dï víi tÊt c¶ sù giíi h¹n nµy, m« h×nh ®êng ®¬n vÞ vÉn ®îc dïng ®Ó dù b¸o lu lîng. Nh ®· lu ý ë trªn, nã cã c¸c thµnh phÇn hµm c¬ b¶n. CÇn thiÕt cã nhiÒu kü thuËt hiÖn ®¹i rÊt tèt trong c¶ dù b¸o lò h¹n ng¾n vµ dù b¸o lò h¹n dµi (xem ch¬ng 4). B©y giê còng cã nhiÒu ph¬ng ¸n liªn kÕt víi hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (GIS), trë l¹i víi c¸c kh¸i niÖm t¬ng tù nh tr×nh bµy to¸n ®å thêi gian - diÖn tÝch ban ®Çu cña Ross. Sù tiÕp cËn nµy cã thÓ ®îc quan t©m nh lµ “m« h×nh” ®Ó dù ®o¸n lu lîng vµ chóng ta quay l¹i mét sè lÇn sau ®©y. 2.3. Sù biÕn ®æi cña ®êng ®¬n vÞ Nh kinh nghiÖm trong viÖc ¸p dông ®êng ®¬n vÞ, mét sè khã kh¨n víi viÖc tiÕp cËn ®îc ®¸nh gi¸ trong c¶ viÖc hiÖu chØnh lu vùc thùc vµ dù b¸o. Hai vÊn ®Ò chÝnh xuÊt hiÖn trong viÖc hiÖu chØnh. Mét vÊn ®Ò ®· ®îc ®Ò cËp, ®ã lµ ph©n chia thuû ®å. 42
Tuy nhiªn, ngay khi mét kü thuËt ®· ®îc chän, cã thÓ tÝnh to¸n tæng thÓ tÝch dßng ch¶y tõ ma xuÊt hiÖn tõ c¸c trËn ma hiÖu chØnh ®îc tÝnh. Bëi v× gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh, sù so s¸nh thÓ tÝch dßng ch¶y nµy víi thÓ tÝch ma r¬i cã nghÜa lµ hÖ sè dßng ch¶y cho tõng trËn ma hiÖu chØnh cã thÓ tÝnh to¸n chÝnh x¸c. Do ®ã trong sù hiÖu chØnh cuèi cïng, sù lùa chän ph¬ng ph¸p ph©n chia lîng ma hiÖu qu¶ tõ tæng lîng ma lµ kh«ng giíi h¹n, c¸c thÓ tÝch trËn ma sÏ ®îc cung cÊp. §©y lµ mét lý do t¹i sao ph¬ng ph¸p chØ sè  rÊt ®¬n gi¶n l¹i tiÕp tôc ®îc sö dông cho tíi ngµy nay. Ngay khi lîng ma hiÖu qu¶ vµ chuçi thêi gian dßng ch¶y ma rµo s½n cã, vÊn ®Ò thø hai trong viÖc hiÖu chØnh xuÊt hiÖn tõ mét sè khã kh¨n trong viÖc tÝnh to¸n sè trÞ ®êng ®¬n vÞ. NÕu ®êng ®¬n vÞ ®îc xem nh lµ mét ®å thÞ (h×nh 2.6(a)) th× mçi mét tung ®é cña ®å thÞ lµ mét gi¸ trÞ cha biÕt ®Ó x¸c ®Þnh ®îc mét th«ng sè ¶nh hëng cña ®êng ®¬n vÞ. Tuy nhiªn, to¹ ®é biÓu ®å t¬ng quan kh¸ chÆt, ®Æc biÖt trªn nh¸nh lò xuèng, vµ cïng víi c¸c sai sè thuéc vÒ chuçi thêi gian cña lîng ma hiÖu qu¶ vµ dßng ch¶y tõ ma, ®iÒu nµy t¹o ra mét vÊn ®Ò kh«ng hoµn h¶o vÒ mÆt to¸n häc. C¸c cè g¾ng gi¶i trùc tiÕp dÉn ®Õn sù dao ®éng trong to¹ ®é ®êng ®¬n vÞ, ®«i khi dao ®éng rÊt lín, ®iÒu ®ã kh«ng t¬ng øng víi c¸c tÝnh chÊt vËt lý nh lµ ®¹i biÓu cña diÔn to¸n lu vùc. Mét sè c¸ch ®Ó tr¸nh c¸c dao ®éng ®ã ®· ®îc thö, bao gåm c¶ viÖc Ðp h×nh d¹ng ®êng thuû ®å (vÝ dô: Natale vµ Todini, 1977) b»ng sù tæng hîp sè liÖu tõ nhiÒu trËn ma vµ x¸c ®Þnh mét ®êng ®¬n vÞ trung b×nh b»ng ph¬ng ph¸p b×nh ph¬ng nhá nhÊt (vÝ dô, O’Donnell,1966). Sù tiÕp cËn sau nµy vÉn ®îc sö dông trong m« h×nh DPFI-ERUHDIT cña Duband vµ nnk (1993). Mét c¸ch tiÕp cËn kh¸c lµ gi¶m sè lîng c¸c th«ng sè cÇn x¸c ®Þnh. §iÒu nµy cã thÓ ®¹t ®îc b»ng c¸nh x¸c ®Þnh mét cÊu tróc to¸n häc ®Æc biÖt cho ®êng ®¬n vÞ. H×nh d¹ng cã thÓ ®¬n gi¶n nhÊt, chØ víi hai th«ng sè, lµ h×nh tam gi¸c (nÕu thêi gian c¬ së vµ thêi gian xuÊt hiÖn ®Ønh lò ®îc x¸c ®Þnh th× viÖc ®ã Ðp sù c©n b»ng khèi lîng cho mét thuû ®å b»ng thÓ tÝch ®¬n vÞ, cã nghÜa lµ ®é cao ®Ønh cña h×nh tam gi¸c cã thÓ ®îc tÝnh to¸n). H×nh tam gi¸c ®îc chän nh mét m« h×nh ®¬n gi¶n cho dù b¸o ph¶n øng cña lu vùc kh«ng ®o ®¹c ë Anh (NERC 1975; xem Shaw 1994). Nã vÉn cßn trong c¸c ph¬ng thøc söa ®æi trong sæ tay íc lîng lò míi cña Anh (IH, 1999). Tuy nhiªn ®iÒu nµy kh«ng chØ lµ m« h×nh hai th«ng sè ®îc sö dông. Mét trong nh÷ng m« h×nh ®îc sö dông réng r·i vµ næi tiÕng nhÊt ®îc gäi lµ hå chøa bËc thang Nash, nã cã thÓ ®îc h×nh dung nh lµ mét sù nèi tiÕp cña N lîng tr÷ tuyÕn tÝnh. Trong d·y mçi hÖ thøc øng víi mét kho¶ng thêi gian tån t¹i trung b×nh lµ k ®¬n vÞ thêi gian k (Nash 1959). CÊu tróc to¸n häc kÕt qu¶ cña ®êng ®¬n vÞ h(t) t¬ng ®¬ng víi ph©n bè Gamma: N 1 exp( t / K ) 1 (2.2) h(t )    K K( N ) trong ®ã:  ( N ) lµ hµm Gamma (  ( N )  ( N  1)! cho c¸c gi¸ trÞ nguyªn cña N). Cho c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña N vµ K, ph©n bè Gamma cã cÊu tróc hoµn toµn linh ho¹t (h×nh 2.6(b)). VÒ to¸n häc, N kh«ng ph¶i lµ mét sè nguyªn cña lîng tr÷ mµ còng cã thÓ 43
nhËn c¸c gi¸ trÞ ph©n sè ®Ó ®a ra mét giíi h¹n cña h×nh d¹ng réng h¬n phï hîp víi sè liÖu quan tr¾c. Dooge (1959) ®· ®a ra mét tæng kÕt vÒ mét sè m« h×nh tuyÕn tÝnh ®¬n gi¶n kh¸c cã thÓ sö dông, bao gåm c¶ sù lµm chËm thêi gian. Nh×n chung, sù ph¸t triÓn cña c¸c hµm nµy lµ ®¹t tíi c¸c íc lîng th«ng sè æn ®Þnh nhiÒu h¬n, trong khi ®ã vÉn ®¶m b¶o sù linh ho¹t trong h×nh d¹ng ®Ó diÔn t¶ sù thay ®æi cña c¸c thuû ®å lu vùc kh¸c nhau. C¸c cè g¾ng ®îc lµm ®Ó liªn kÕt c¸c th«ng sè kÕt qu¶ víi c¸c biÕn kh¸c nhau diÔn ®¹t c¸c ®Æc trng lu vùc, nhng ph¶i nhí r»ng c¸c gi¸ trÞ th«ng sè sÏ phô thuéc vµo c¸c ph¬ng thøc ®îc sö dông trong sù x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè vµ ®Æc biÖt lµ sö dông kü thuËt ph©n chia ®êng thuû ®å vµ kü thuËt ph©n chia lîng ma sö dông. H×nh 2.6. §êng ®¬n vÞ nh lµ: (a).To¸n ®å. (b) h×nh tam gi¸c.(c). Hå chøa bËc thang Nash cña N lîng tr÷ tuyÕn tÝnh trong d·y. Tuy nhiªn trong vµi n¨m gÇn ®©y, cã mét vµi cè g¾ng thµnh c«ng ®Ó tr¸nh c¸c vÊn ®Ò cè h÷u trong kü thuËt ph©n chia nµy vµ nhËn ®îc mét m« h×nh liªn hÖ gi÷a tæng lîng ma vµ tæng lu lîng kh«ng chØ cho mét trËn ma ®¬n mµ cßn cho c¸c m« pháng liªn tôc. Nh÷ng m« h×nh nµy xuÊt ph¸t tõ sù ph¸t triÓn trong ph©n tÝch hÖ thèng tuyÕn tÝnh chung ®îc ®i ®Çu bëi Box vµ Jenkin (1970). C¸c m« h×nh tuyÕn tÝnh chung cho phÐp chia c¾t thuû ®å râ rµng sÏ ®îc xem xÐt chi tiÕt trong ch¬ng 4. Mét 44
sù gi¶i thÝch vËt lý vÒ ph¹m vi cña m« h×nh nh lµ mét hoÆc nhiÒu yÕu tè lîng tr÷ tuyÕn tÝnh ®îc s¾p xÕp thµnh c¸c d·y hoÆc song song (vÝ dô nh lµ d·y lîng tr÷ b»ng nhau trong m« h×nh Nash ë trªn). Chuçi thêi gian ®Çu vµo vµ ®Çu ra nhËn ®îc cã quan hÖ hîp lý víi con ®êng tuyÕn tÝnh, b©y giê cã nhiÒu thuËt to¸n m¹nh cã kh¶ n¨ng trong viÖc íc lîng c¸c th«ng sè. ThuËt ng÷ giíi h¹n ë ®©y lµ "quan hÖ tuyÕn tÝnh hîp lý", bëi v×, nh lµ chóng ta ®· lu ý, tæng lîng ma r¬i kh«ng cã quan hÖ tuyÕn tÝnh víi tæng lu lîng. Tríc ®©y cã mét sè thö nghiÖm sö dông hµm chuyÓn ®æi phi tuyÕn dùa vµo chuçi Volterra (vÝ dô, Amorocho vµ Branstetter 1971, Diskin vµ Boneh 1973) nhng vÉn yªu cÇu mét íc lîng ®îc cho lîng ma hiÖu qu¶. C¸c tiÕp cËn gÇn ®©y h¬n ®· cè g¾ng t×m ra quan hÖ trùc tiÕp gi÷a tæng lîng ma r¬i víi tæng lu lîng. C¸c m« h×nh nh vËy cÇn cã mét d¹ng chuyÓn ®æi phi tuyÕn nµo ®ã cña lîng ma ®Çu vµo nhng chøng tá, cã thÓ gi÷ gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh trong thµnh phÇn diÔn to¸n trong khi vÉn duy tr× mét sù diÔn ®¹t ®Çy ®ñ kho¶ng thêi gian trÔ kÕt hîp víi thµnh phÇn dßng ch¶y c¬ së. KÕt qu¶ lµ mét cÊu tróc m« h×nh song song, víi phÇn ma ®îc diÔn to¸n th«ng qua lîng tr÷ víi thêi gian tån t¹i trung b×nh ng¾n cho m« h×nh ph¶n øng ma, vµ mét phÇn kh¸c th«ng qua lîng tr÷ víi thêi gian tån t¹i trung b×nh dµi cho m« h×nh dßng ch¶y c¬ së. VÝ dô m« h×nh IHACRES cña Jakeman vµ nnk (1990) vµ m« h×nh luü thõa song tuyÕn tÝnh cña Young vµ Beven (1994), c¸c m« h×nh nµy gièng nhau trong m« h×nh cña hä vÒ thµnh phÇn diÔn to¸n nhng kh¸c vÒ c¸ch tiÕp cËn ®Ó m« h×nh ho¸ lu vùc mét c¸ch phi tuyÕn. KiÓm tra chi tiÕt h¬n vÒ lo¹i m« h×nh hµm chuyÓn ®æi chung nµy sÏ ®îc ®a ra trong phÇn 4.3 C¸c tiÕp cËn nµy ®îc dùa trªn viÖc cho phÐp mét ph©n tÝch sè liÖu, gîi ý m« h×nh nªn cã d¹ng nµo. Mét híng kh¸c ph¸t triÓn häc thuyÕt ®êng ®¬n vÞ gÇn ®©y lµ cè g¾ng ®a ra quan hÖ cña ®êng ®¬n vÞ trùc tiÕp h¬n víi cÊu tróc vËt lý cña lu vùc vµ ®Æc biÖt lµ líi s«ng cña lu vùc víi môc ®Ých ph¸t triÓn c¸c m« h×nh cung cÊp c¸c m« pháng chÝnh x¸c c¸c lu vùc kh«ng ®o ®¹c. Hai híng tiÕp cËn nµy cã thÓ ®îc ph©n biÖt (xem phÇn 4.7): mét c¨n cø trªn viÖc ph©n tÝch cÊu tróc thËt cña líi s«ng (sö dông hµm ®é réng líi s«ng) vµ mét sö dông nhiÒu th«ng sè ®Þa m¹o tæng qu¸t h¬n ®Ó diÔn t¶ líi s«ng (tiÕp cËn ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o). Ban ®Çu c¶ hai ®Òu liªn quan víi vÊn ®Ò diÔn to¸n mµ kh«ng liªn quan ®Õn íc lîng lîng ma hiÖu qu¶. Kh¶ n¨ng cña c¬ së d÷ liÖu GIS hiÖn ®¹i còng cho phÐp quay trë l¹i kh¸i niÖm ban ®Çu cña Ross vÒ sù diÔn t¶ to¸n ®å diÖn tÝch - thêi gian cña ®êng ®¬n vÞ. Bao trïm lªn d÷ liÖu kh«ng gian cña ®Êt, sè liÖu th¶m phñ thùc vËt vµ sè liÖu ®Þa h×nh trong GIS ®a ®Õn mét ph©n lo¹i tõng m¶nh c¶nh quan víi tõng hµm ph¶n øng kh¸c nhau. Amerman (1965) gäi nh÷ng m¶nh nµy lµ nh÷ng diÖn tÝch nguån ®¬n vÞ nhng ngµy nay chóng thêng ®îc biÕt` nh lµ ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n (vÝ dô h×nh 2.7) hoÆc lµ ®Þa h×nh thuû v¨n. §Þa h×nh cña lu vùc còng cã thÓ ®îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh híng dßng ch¶y, kho¶ng c¸ch tíi cöa ra cho mçi ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n, nã cã thÓ cung cÊp c¬ së cho thuËt to¸n diÔn to¸n (cã thÓ tuyÕn tÝnh hoÆc phi tuyÕn). Mét sù diÔn t¶ ph¶n øng cho mçi ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n sÏ cho phÐp tÝnh to¸n lîng ma hiÖu qu¶ ®îc diÔn to¸n ®Õn cöa ra ®Ó t¹o nªn thuû ®å dù b¸o. 45
Lo¹i m« h×nh ph©n bè nµy thêng kh«ng ®îc diÔn ®¹t trong néi dung cña m« h×nh ®êng ®¬n vÞ nhng râ rµng t¬ng tù víi kh¸i niÖm s¬ ®å diÖn tÝch - thêi gian cña Ross, ®Æc biÖt nÕu thuËt to¸n tuyÕn tÝnh ®îc sö dông ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y t¹o ra trong mçi HRU ®Õn cöa ra. TÊt nhiªn, kü thuËt sö dông ®· thay ®æi mét c¸ch ®ét ngét víi kh¶ n¨ng cña d÷ liÖu GIS vµ ®å ho¹ m« h×nh m¸y tÝnh hiÖn ®¹i cho qu¸ tr×nh tríc vµ sau m« pháng. H×nh 2.7 ®· chi tiÕt h¬n rÊt nhiÒu so víi h×nh 2.2 nhng sù tiÕp cËn l¹i hoµn toµn t¬ng tù. Còng ph¶i nhí r»ng ®Þnh nghÜa vÒ '®¬n vÞ ph¶n øng' b»ng GIS kh«ng gi¶i quyÕt vÊn ®Ò x¸c ®Þnh cã bao nhiªu lîng ma h×nh thµnh dßng ch¶y, bëi v× sù ph©n lo¹i c¶nh quan b»ng c¸c ®Æc trng vÒ lo¹i ®Êt vµ thùc vËt cña nã kh«ng ®a ra c¸c th«ng sè thuû v¨n cÇn thiÕt ®Ó diÔn t¶ c¸c qu¸ tr×nh ho¹t ®éng t¹i quy m« ®¬n vÞ ph¶n øng mét c¸ch trùc tiÕp. RÊt nhiÒu m« h×nh sö dông c¸c thµnh phÇn quan niÖm ®¬n gi¶n ®Ó diÔn t¶ mçi (HRU diÔn to¸n thuû v¨n), t¬ng tù nh m« h×nh tÝnh to¸n ®é Èm ®Êt ®îc sö dông mét c¸ch rÊt réng r·i ë quy m« lu vùc tõ nh÷ng ngµy ®Çu tiªn cña m« h×nh ho¸ ma – dßng ch¶y trªn m¸y tÝnh kü thuËt sè. Sù tiÕp cËn nh thÕ nµy còng cã thÓ ®îc sö dông ®Ó dù b¸o sù thay ®æi vÒ kh«ng gian trong c¶ bèc tho¸t h¬i vµ tuyÕt tan (vÝ dô Gurtz vµ nnk, 1999). H×nh 2.7. B¶n ®å cña ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n trong lu vùc nhá Washita Oklahoma, Mü h×nh thµnh bëi phñ c¸c b¶n ®å ph©n lo¹i ®Êt vµ thùc vËt trong hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý raster víi ¶nh ®iÓm 30m. 2.4 C¸c m« h×nh m¸y tÝnh sè ®Çu tiªn: M« h×nh lu vùc Stanford vµ c¸c phiªn b¶n cña nã C¸c giíi h¹n tÝnh to¸n trªn m« h×nh ma-dßng ch¶y tiÕp tôc tån t¹i cho ®Õn nh÷ng n¨m 1960 khi m¸y tÝnh sè ®Çu tiªn b¾t ®Çu trë nªn réng r·i h¬n. MÆc dï vËy c¸c m¸y tÝnh ®ã vÉn rÊt hiÕm, rÊt chËm so víi chuÈn ngµy nay, vµ bé nhí cã giíi h¹n. ThËm chÝ mét m¸y tÝnh lín nhÊt vµ ®¾t nhÊt nhÊt còng Ýt m¹nh h¬n nh mét chiÕc m¸y tÝnh x¸ch tay ®¬n gi¶n ngµy nay. D¹ng ch¬ng tr×nh cã thÓ ch¹y vÉn bÞ giíi h¹n bëi kÝch cì vµ ®é phøc t¹p. Tuy nhiªn, trong suèt qu·ng thêi gian ®ã vÉn cã sù më réng nhanh chãng sè lîng c¸c m« h×nh thuû v¨n. HÇu hÕt c¸c m« h×nh ®Òu cã cÊu tróc ®¬n gi¶n: Thu thËp c¸c thµnh phÇn lîng tr÷ diÔn t¶ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau lµ phÇn 46
quan träng trong viÖc ®iÒu khiÓn c¸c ®¸p øng lu vùc víi c¸c hµm to¸n häc ®Ó diÔn t¶ th«ng lîng gi÷a c¸c lîng tr÷. Mét trong sè nh÷ng m« h×nh ®Çu tiªn vµ thµnh c«ng nhÊt lµ m« h×nh lu vùc Stanford ®îc x©y dùng bëi Norman Crawford vµ Ray Linsley t¹i trêng ®¹i häc Stanford, sau ®ã ®a vµo ch¬ng tr×nh m« pháng Hydrocomp (HSP) ®îc sö dông réng r·i trong t vÊn thuû v¨n. M« h×nh sèng l©u h¬n, víi sù thªm vµo c¸c thµnh phÇn chÊt lîng níc, trong cÊu tróc cña ‘Ch¬ng tr×nh Fortran m« pháng thuû v¨n cña US EPA (HSPF: Donigian vµ nnk 1995). C¸c m« h×nh thuéc lo¹i nµy ®îc O'Connell (1991) gäi lµ c¸c m« h×nh tÝnh to¸n ®é Èm ®Êt hiÖn (ESMA), cã sù thay ®æi sè lîng c¸c yÕu tè lîng tr÷, chøc n¨ng ®iÒu khiÓn sù trao ®æi, phô thuéc vµo sè lîng vµ c¸c lo¹i th«ng sè yªu cÇu. M« h×nh lu vùc Stanford yªu cÇu tíi 35 th«ng sè, mÆc dï cã nhiÒu th«ng sè cã thÓ ®îc cè ®Þnh trªn c¬ së c¸c ®Æc tÝnh vËt lý cña lu vùc vµ chØ mét sè nhá h¬n cña chóng cÇn hiÖu chØnh. M¸y tÝnh kü thuËt sè trong nh÷ng n¨m sau ®ã cã xu híng cho mçi nhµ thuû v¨n vµo viÖc truy cËp m¸y tÝnh (kh«ng cã m¸y tÝnh c¸ nh©n) ®Ó x©y dùng c¸c m« h×nh kh¸c nhau trªn m¸y tÝnh cho chÝnh m×nh. Sau cïng, lµ kh«ng cã bµi tËp lËp tr×nh khã kh¨n. T«i ®· häc lËp tr×nh m¸y tÝnh ®èi víi mét sinh viªn cha tèt nghiÖp b»ng c¸ch viÕt mét m« h×nh ®Ó tÝnh to¸n l¹i dßng ch¶y sinh ra ë Exmoor trong suèt trËn lò Lynmouth. N¨m 1971, m« h×nh nµy ®îc viÕt b»ng ng«n ng÷ lËp tr×nh Algol, lu trªn phiÕu ®ôc lç, vµ ch¹y trªn m¸y tÝnh Elliot 503 trêng ®¹i häc Bristol víi bé nhí 16 kilo byte, víi toµn bé ®Çu ra trªn giÊy in tõng hµnh mét. §©y lµ mét vÝ dô cho sù thay ®æi nhanh chãng nh thÕ nµo. Nguån s½n cã cho nh÷ng ngêi lµm m« h×nh trong ba thËp niªn gÇn ®©y. HÇu hÕt c¸c m« h×nh nµy ®Òu cã ®ñ sè th«ng sè vµ cã thÓ t¹o ra mét sù phï hîp cho sè liÖu ma-dßng ch¶y sau mét vµi lÇn hiÖu chØnh. ThËt vËy, nã qu¸ dÔ ®Ó céng thªm ngµy cµng nhiÒu c¸c thµnh phÇn (vµ nhiÒu c¸c th«ng sè kÕt hîp) cho c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau. §· nhËn ra sù qu¸ thõa khi hiÓu c¸c m« h×nh, Dawdy vµ O'Donnell (1965) ®· cè g¾ng ®Þnh nghÜa mét cÊu tróc m« h×nh 'c¨n nguyªn' t¬ng ®èi ®¬n gi¶n chØ víi mét vµi th«ng sè (h×nh 2.8). Tuy nhiªn ®iÒu nµy kh«ng lµm dõng l¹i mµ tiÕp tôc më réng sè lîng c¸c m« h×nh lo¹i nµy c«ng bè trong c¸c tµi liÖu thuû v¨n (®Ó tæng quan, xem Fleming 1975). Mét sè vÝ dô vÉn sö dông hiÖn thêi cã thÓ ®îc t×m thÊy trong c¸c ch¬ng cña Singh (1995), bao gåm c¸c m« h×nh HSPF, SSAR vµ Saramento cña Mü, m« h×nh HBV cña Thuþ §iÓn, m« h×nh TANK cña NhËt, m« h×nh UBC cña Canada, vµ m« h×nh RORB cña Australia. So s¸nh c¸c m« h×nh kh¸c nhau ph¸t hiÖn ra h¹n chÕ chñ quan trong viÖc x¸c ®Þnh mét cÊu tróc m« h×nh riªng biÖt mÆc dï thêng cã sù t¬ng tù trong mét vµi thµnh phÇn. Mét vÝ dô vÒ m« h×nh sö dông hiÖn nay ®îc biÕt nh lµ m« h×nh Xinanjiang hoÆc m« h×nh Arno hoÆc m« h×nh kh¶ n¨ng thÊm thay ®æi (VIC), ®îc m« t¶ trong b¶ng 2.2. M« h×nh nµy kh¸ thó vÞ lµ mÆc dï nã cã thÓ bÞ ph©n lo¹i nh lµ lo¹i m« h×nh d¹ng ESMA, thµnh phÇn t¹o dßng ch¶y mÆt còng cã thÓ ®îc gi¶i thÝch bëi thuËt ng÷ hµm ph©n bè cña c¸c ®Æc trng lu vùc (xem phÇn 2.6). Nã còng ®îc thùc hiÖn nh mét m« h×nh thuû v¨n quy m« lín hoÆc th«ng sè ho¸ bÒ mÆt ®Êt trong mét vµi m« h×nh khÝ hËu toµn cÇu (xem ch¬ng 9). Cã mét vµi sù t¬ng tù gi÷a nhãm m« h×nh IHACRES, hiÖn nay ®îc ®Ò cËp trong 47
phÇn sau, vµ c¸c m« h×nh d¹ng ESMA, v× trong hai trêng hîp, dßng ch¶y s¶n sinh vµ dßng ch¶y diÔn to¸n ®Òu c¨n cø vµo c¸c yÕu tè lîng tr÷. C¸c híng kh¸c nhau trong tiÕp cËn hiÖn t¹i cè g¾ng t×m ra mét cÊu tróc m« h×nh ®¬n gi¶n nhÊt cung cÊp bëi sè liÖu (xem th¶o luËn trong Jakeman vµ Hornberger 1993) vµ kh«ng cÇn thiÕt cè ®Þnh cÊu tróc m« h×nh tríc khi tÝnh to¸n. ViÖc ph©n tÝch sè liÖu cho phÐp gi¶ thiÕt cÊu tróc gÇn ®óng sÏ lµ g×, nh lµ trong tiÕp cËn c¬ chÕ häc trªn sè liÖu cña Young vµ Beven (1994) (xem ch¬ng 4). R: Tr÷ níc mÆt R*: Ngìng tr÷ níc mÆt S: Lîng tr÷ diÔn to¸n níc mÆt ( víi th«ng sè ks ) F: Lîng tr÷ thÊm vµo ®Êt (víi c¸c th«ng sè f 0, fc, k) M: Tr÷ Èm ®Êt M*: Ngìng tr÷ Èm ®Êt D: Lîng tr÷ n¹p l¹i vµo níc ngÇm C: Cêng ®é lín nhÊt cña d©ng mao dÉn G: Tr÷ níc ngÇm (víi th«ng sè Kg) G*: Ngìng tr÷ níc ngÇm P : §Çu vµo ma ET: Bèc tho¸t h¬i tõ tr÷ níc trong ®Êt ER: Bèc h¬i tõ tr÷ níc mÆt Q1: Dßng ch¶y mÆt QS: Dßng ch¶y ra tõ tr÷ diÔn to¸n níc mÆt QB: Dßng ch¶y ra tõ tr÷ níc ngÇm Q: Lu lîng dßng tæng céng H×nh 2.8. §å thi s¬ ®å cña m« h×nh ma-dßng ch¶y tÝnh to¸n ®é Èm ®Êt hiÖn (ESMA) hoÆc nhËn thøc Dawdy vµ O’Donnel (1985) Cung cÊp mét sè sè liÖu lµ cã kh¶ n¨ng ®Ó hiÖu chØnh gi¸ trÞ c¸c th«ng sè, kÕt qu¶ thËm chÝ tõ c¸c m« h×nh ESMA ®¬n gi¶n còng cã thÓ chÊp nhËn ®îc, c¶ trong m« h×nh lu lîng (h×nh 2.9) vµ m« h×nh thiÕu hôt ®é Èm ®Êt (h×nh 2.10). Sù thùc hiÖn ®îc gi¶i thÝch trong h×nh 2.10 lµ mét sù kiÖn ®Æc biÖt nÕu nhí r»ng n¨m 1976 lµ mét 48
trong sè nh÷ng mïa hÌ kh« nhÊt ®îc ghi nhËn ë Anh. Mét sè sù so s¸nh gi÷a c¸c m« h×nh ESMA, ®îc c«ng bè mÆc dï víi sù giíi h¹n cña c¶ cÊu tróc m« h×nh vµ sè liÖu ®Çu vµo, ®Çu ra, nh×n chung ®· kh«ng cã thÓ kÕt luËn r»ng mét m« h×nh t¬ng thÝch h¬n so víi c¸c m« h×nh kh¸c sau khi c¸c th«ng sè cña m« h×nh ®· ®îc hiÖu chØnh (xem vÝ dô nghiªn cøu cña Franchini vµ Pacciani 1991; Chiew vµ nnk, 1993; vµ Editjatno vµ nnk, 1999). H×nh 2.9. Lu läng dù b¸o vµ quan tr¾c cña Kings Creek (11.7km2) sö dông m« h×nh VIC-2L cña hép 2.2. Lu ý khã kh¨n cña sù m« pháng thêi kú tríc-ít sau mét mïa hÌ kh« (Liang vµ nnk 1996) In .l¹i tõ BiÕn ®æi hµnh tinh ®Þa cÇu 13: 195-206, xuÊt b¶n víi sù cho phÐp cña ELsevier Science H×nh 2.10. KÕt qu¶ tõ dù b¸o ®é hôt Èm ®Êt cña Cander vµ nnk (1988) cho (a). s«ng Cam vµ (b). vÞ trÝ rõng Thetdefod ë Anh. §é hôt Èm ®Êt thu ®îc b»ng luü tÝch trªn c¸c profile cña ®é Èm ®Êt ®o ®¹c b»ng th¨m dß Notron. §Çu vµo bèc tho¸t h¬i tiÒm n¨ng lµ chuçi thêi gian trung b×nh khÝ hËu ngµy ®¬n gi¶n. In l¹i tõ t¹p chÝ thuû v¨n 60:329-355, xuÊt b¶n (1993) víi sù cho phÐp cña Elsevier Science M« h×nh ESMA còng ®îc sö dông ®Ó dù b¸o c¸c t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ hËu trong c¸c níc kh¸c nhau (vÝ dô Bulton vµ nnk, 1988, 1992; Anell 1996). Trong t×nh 49
huèng nµy, sù sö dông cña hä khã h¬n bëi v× ®é chÝnh x¸c cña dù b¸o sÏ phô thuéc rÊt lín vµo sè liÖu s½n cã ®Ó hiÖu chØnh. Do ®ã, nÕu c¸c gi¸ trÞ th«ng sè m« h×nh ®îc hiÖu chØnh thµnh c«ng díi c¸c ®iÒu kiÖn hiÖn thêi th× m« h×nh ®îc sö dông trong mét ph¹m vi ®Çu vµo khÝ hËu kh¸c nhau, cã lÏ biÓu thÞ mét kÞch b¶n cã thÓ cho ®iÒu kiÖn sau ®ã trong thÕ kû nµy, kh«ng ®¶m b¶o r»ng ®é chÝnh x¸c hiÖn thêi sÏ ®îc duy tr× nÕu c¸c ®iÒu kiÖn cùc trÞ h¬n. Tuy nhiªn kh«ng cã sè liÖu s½n cã ®Ó hiÖu chØnh díi c¸c ®iÒu kiÖn thay ®æi. Do ®ã, dù b¸o t¸c ®éng ®îc dù kiÕn lµ bÊt ®Þnh h¬n c¸c m« pháng hiÖn thêi, vµ bÊt kú dù ®o¸n tríc ®©y nµo còng nªn kÕt hîp víi mét sù íc lîng cña tÝnh bÊt ®Þnh. §iÒu nµy ®· kh«ng ®îc tiÕn hµnh mét c¸ch thêng xuyªn (xem phÇn 9.4). C¸c m« h×nh lo¹i ESMA vÉn ®îc sö dông trong viÖc diÔn t¶ ®¬n vÞ ®¸p øng thuû v¨n suy ra tõ GIS. C¸c m« h×nh thuéc lo¹i nµy bao gåm m« h×nh SLURP cña Kite vµ Koawer (1992); hÖ thèng m« h×nh ma-dßng ch¶y USGS cña Leavesley vµ Stannard (1995) vµ m« h×nh USDA-ARSSWAT cña Arnold vµ nnk (1998). ë ®©y chóng ta bµn vÒ mét vµi vÊn ®Ò ph©n lo¹i m« h×nh; nh thÓ c¸c m« h×nh cã môc ®Ých diÔn t¶ c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n theo mét kiÓu ph©n bè, nhng sö dông c¸c thµnh phÇn hµm theo kiÓu m« h×nh ESMA t¹i quy m« ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n tõ GIS h¬n lµ cè g¾ng diÔn t¶ ®Çy ®ñ c¸c qu¸ tr×nh. §ã lµ mét kü thuËt m« h×nh ho¸ nhËn ®îc b»ng sù s½n cã sè liÖu GIS vµ viÔn th¸m h¬n lµ sù ph¸t triÓn thËt sù bÊt kú trong viÖc hiÓu biÕt c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n ®îc diÔn ®¹t. Chóng cã thÓ ®îc xem xÐt nh chóng hîp nhÊt víi lo¹i m« h×nh ph©n bè trong phÇn 2.6 vµ sÏ ®îc nh¾c l¹i trong ch¬ng 6. 2.5 C¸c m« h×nh dùa trªn diÔn t¶ qu¸ tr×nh ph©n bè Tõ viÖc th¶o luËn trong phÇn tríc nhËn ra r»ng sù chñ quan ®¸ng kÓ liªn quan ®Õn ®Þnh nghÜa cña m« h×nh lo¹i ESMA, thËm chÝ, nÕu c¸c nhµ thuû v¨n cè g¾ng ph¶n ¸nh m« h×nh gi¸c quan cho c¸c lu vùc; nªn mét ph¹m vi réng cña c¸c m« h×nh ESMA lµ s½n cã. Mét ph¶n øng gÇn ®©y (trong thêi ®¹i m¸y tÝnh kü thuËt sè) kh¾c phôc sù chñ quan nµy lµ sù cè g¾ng ®a ra c¸c m« h×nh trùc tiÕp dùa trªn c¸c ph¬ng tr×nh diÔn t¶ toµn bé c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt cña lu vùc. Mét thiÕt kÕ cho mét m« h×nh nh thÕ ®îc diÔn t¶ trong mét bµi b¸o cña Freeze vµ Harlan (1969). Trong mét bµi b¸o t¬ng tù, Freeze vµ Harlan ®· viÕt c¸c ph¬ng tr×nh cho c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt kh¸c nhau vµ chØ ra chóng cã thÓ ®îc liªn kÕt b»ng c¸c ®iÒu kiÖn biªn chung vµo trong mét m« h×nh ®¬n nh thÕ nµo. Sù ph©n tÝch cña hä vÉn lµ c¬ së cña hÇu hÕt sù c¸c lo¹i m« h×nh ph©n bè ma-dßng ch¶y ph¸t triÓn ngµy nay. HÇu hÕt c¸c ph¬ng tr×nh lµ c¸c ph¬ng tr×nh vi ph©n riªng phi tuyÕn (nghÜa lµ ph¬ng tr×nh vi ph©n ®îc gi¶i cho nhiÒu h¬n mét biÕn kh«ng gian vµ mét biÕn thêi gian, xem hép 2.3). Cho d¹ng cña ®é lín dßng ch¶y vµ c¸c ®iÒu kiÖn biªn trong m« h×nh ho¸ ma-dßng ch¶y cã ph¬ng tr×nh nh thÕ thêng chØ cã thÓ ®îc gi¶i b»ng ph¬ng ph¸p xÊp xØ sè trÞ, lµ sù thay thÕ c¸c sè h¹ng vi ph©n trong ph¬ng tr×nh b»ng gi¸n ®o¹n ho¸ trong líi kh«ng-thêi gian (xem ch¬ng 5). Tuy nhiªn, trong mäi trêng hîp, c¸c ph¬ng tr×nh diÔn t¶ ®îc sö dông cho mçi qu¸ tr×nh ch¾c lµ ®· ®¬n gi¶n c¸c gi¶ thiÕt. Do ®ã, víi dßng ch¶y s¸t mÆt, nã ®îc gi¶ thiÕt r»ng c¶ hai dßng 50
ch¶y b·o hoµ vµ kh«ng b·o hoµ cã thÓ ®îc m« t¶ bëi ®Þnh luËt Darcy: tèc ®é dßng ch¶y tû lÖ víi hÖ sè thÊm thuû lùc vµ gradient tæng n¨ng lîng (xem hép 5.1), trong khi ®ã dßng ch¶y mÆt ®îc gi¶ thiÕt ch¶y cã thÓ xem nã nh dßng ch¶y trung b×nh mÆt c¾t ngang mét chiÒu hoÆc lµ ch¶y xu«i dèc trªn bÒ mÆt hoÆc lµ xu«i dèc däc theo ®o¹n s«ng trong líi s«ng cña mét lu vùc (dÉn ®Õn c¸c ph¬ng tr×nh Saint Venant: xem hép 5.6). Fzeeze vµ Harlan (1969) th¶o luËn mét c¸ch chi tiÕt vÒ c¸c yªu cÇu ®Çu vµo vµ ®iÒu kiÖn biªn cho nh÷ng ph¬ng tr×nh nµy. Sè liÖu khÝ tîng ®îc yªu cÇu ®Ó x¸c ®Þnh ma vµ tæn thÊt do bèc tho¸t h¬i níc. §Çu vµo x¸c ®Þnh m« h×nh cña hä bao gåm c¸c gi¶ thiÕt cÇn thiÕt vÒ quy m« cña lîng dßng ch¶y, c¸c gi¶ thiÕt vÒ n¨ng lîng quy ®Þnh vµ c¸c biªn dßng ch¶y quy ®Þnh (®Æc biÖt dßng ch¶y b»ng kh«ng t¹i tÇng kh«ng thÊm níc vµ ®êng ph©n níc) còng nh c¸ch trong ®ã ph¹m vi dßng ch¶y ®îc ph©n chia ®Ó t¹o ra sè gia kh«ng-thêi gian cho viÖc gi¶i c¸c ph¬ng tr×nh qu¸ tr×nh. §Çu vµo th«ng sè dßng ch¶y ®îc yªu cÇu cho tõng phÇn tö trong líi gi¶i, cho phÐp xem xÐt tÝnh kh«ng ®ång nhÊt cña c¸c ®Æc trng lu vùc ®a vµo tÝnh to¸n. Lo¹i m« h×nh ph©n bè nµy cho phÐp dù ®o¸n c¸c ph¶n øng qu¸ tr×nh thuû v¨n côc bé cho c¸c ®iÓm trong lu vùc. ¸p dông ®Çu tiªn cña m« h×nh lo¹i nµy ®îc thùc hiÖn cho c¸c lu vùc tæng hîp vµ c¸c sên dèc bëi Fzeeze (1972). C¸c tÝnh to¸n yªu cÇu c¸c m¸y tÝnh lín nhÊt t¹i thêi gian ®ã (Al Fzeeze ®ang lµm viÖc t¹i Trung t©m nghiªn cøu Thomas J. Watson IBM t¹i Heights Yorktown), vµ thËm chÝ chØ mét quy m« dßng ch¶y giíi h¹n vµ c¸c ®iÓm líi th« ®îc gi¶i. ¸p dông ®Çu tiªn cho mét vÞ trÝ thùc ®Þa cña lo¹i m« h×nh nµy ®îc ®a ra bëi Stephension vµ Fzeeze (1974), hä cè g¾ng ®Ó m« h×nh cho mét sên dèc ®¬n t¹i Idaho (xem phÇn 5.3). KÕt qu¶ kh«ng thËt sù thµnh c«ng nhng chØ râ ra ®ã lµ mét sên dèc phøc t¹p n»m bªn díi khèi khe nøt bazan, víi ®êng dÉn dßng ch¶y phøc t¹p vµ c¸c hiÓu biÕt vÒ ®iÒu kiÖn ban ®Çu vµ ®iÒu kiÖn biªn trong tÝnh to¸n lµ cã h¹n; thªm vµo ®ã, sù h¹n chÕ tÝnh to¸n ®· giíi h¹n sè lîng c¸c m« pháng cã thÓ thö. XuÊt ph¸t tõ c¸c khã kh¨n nµy, hä lµ nh÷ng ngêi ®Çu tiªn th¶o luËn vÒ khã kh¨n cña viÖc kiÓm ®Þnh c¸c m« h×nh thuû v¨n. C¸c m« h×nh ph©n bè thuéc lo¹i nµy cã kh¶ n¨ng ®Þnh nghÜa c¸c gi¸ trÞ th«ng sè cho tÊt c¶ c¸c phÇn tõ trong líi gi¶i. ThËm chÝ víi c¸c giíi h¹n liªn tôc ®îc ¸p ®Æt bëi c¸c Ðp buéc tÝnh to¸n, cã thÓ cã hµng ngh×n c¸c phÇn tö nh vËy. Thªm vµo ®ã, c¸c ph¬ng tr×nh qu¸ tr×nh yªu cÇu rÊt nhiÒu c¸c th«ng sè kh¸c nhau ®îc x¸c ®Þnh cho tõng phÇn tö. Víi rÊt nhiÒu gi¸ trÞ th«ng sè nh thÕ hiÖu chØnh th«ng sè b»ng c¸ch so s¸nh víi c¸c quan tr¾c trong mét lu vùc gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n. C¸c th«ng sè nµo nªn ®îc thay ®æi ®Ó thö vµ ph¸t triÓn m« pháng? Kh«ng lu«n lu«n ®¹t ®îc sù lùa chän bëi v× sù ¶nh hëng lÉn nhau gi÷a c¸c th«ng sè kh¸c nhau theo c¬ së vËt lý cña m« h×nh. VÒ nguyªn t¾c, sù ®iÒu chØnh th«ng sè cña lo¹i nµy kh«ng thËt cÇn thiÕt. NÕu c¸c ph¬ng tr×nh cña qu¸ tr×nh ®îc sö dông lµ ®óng ®¾n th× nã chØ ra r»ng c¸c th«ng sè cã quan hÖ chÆt víi c¸c ®Æc trng vËt lý cña bÒ mÆt, ®Êt vµ ®¸. C¸c kü thuËt lµ s½n cã ®Ó ®o ®¹c c¸c th«ng sè ®ã mÆc dï nh lu ý trong ch¬ng 1 cã nhiÒu vÊn ®Ò vÒ quy m« trong ®o ®¹c. HÇu hÕt c¸c kü thuËt ®o ®¹c chØ cã thÓ ®îc sö dông ®Ó ph©n chia c¸c gi¸ 51
trÞ cã møc ®é nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c phÇn tö líi ®îc sö dông trong phÐp gi¶i gÇn ®óng. M« h×nh yªu cÇu c¸c gi¸ trÞ hiÖu qu¶ ë møc ®é c¸c phÇn tö. NÕu ®Êt ®¸ lµ ®ång nhÊt th× kh«ng cã vÊn ®Ò g× qu¸ lín, nhng nÕu ®Êt ®¸ vµ th¶m phñ thùc vËt cã khuynh híng kh«ng ®ång nhÊt t¹i quy m« ®o ®¹c th× thiÕt lËp mèi liªn kÕt gi÷a c¸c gi¸ trÞ ®o ®¹c vµ c¸c phÇn tö lµ khã kh¨n ngay c¶ vÒ lý thuyÕt. Cho c¸c trêng hîp cña qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt, ®· gîi ý r»ng kh¸i niÖm vÒ gi¸ trÞ hiÖu qu¶ cña c¸c th«ng sè quy m« phÇn tö cã thÓ kh«ng ®óng ®¾n (Binley vµ nnk, 1989). §©y lµ mét chñ ®Ò quan träng trong m« h×nh ph©n bè vµ yªu cÇu nh÷ng nghiªn cøu tiÕp theo. Thay v× nh÷ng ®iÒu khã kh¨n nµy, cã mét sù qu¸ t¶i lín trong viÖc sö dông m« h×nh ph©n bè trong thËp niªn gÇn ®©y. §©y cßn lµ mét vÊn ®Ò v× viÖc t¨ng n¨ng lùc m¸y tÝnh, c¸c c«ng cô ch¬ng tr×nh ho¸, vµ c¬ së d÷ liÖu kü thuËt sè ®· lµm cho viÖc ph¸t triÓn vµ sö dông c¸c m« h×nh ®ã dÔ dµng h¬n rÊt nhiÒu, vµ mét phÇn bëi v× cã mét xu híng tù nhiªn cho mét nhãm ph¸t triÓn m« h×nh lµ cè g¾ng x©y dùng khi hiÓu biÕt cµng nhiÒu vÒ c¸c m« h×nh quan niÖm cña c¸c qu¸ tr×nh quan träng cã thÓ ®îc. Do ®ã cã mét quan t©m lín vÒ m« h×nh ho¸ qu¸ tr×nh ph©n bè. Còng cã rÊt nhiÒu lý do khoa häc rÊt tèt bªn díi c¸c nç lùc ®ã. Mét lµ cÇn thiÕt pháng ®o¸n sù ph©n bè cña híng dßng ch¶y nh lµ mét c¬ së cho c¸c lo¹i m« h×nh ho¸ kh¸c, ch¼ng h¹n nh lµ sù vËn chuyÓn trÇm tÝch hoÆc chÊt « nhiÔm. Kh«ng thÓ ®a ra c¸c dù b¸o mµ kh«ng cã sù trî gióp cña m« h×nh ph©n bè. Mét lý do kh¸c lµ sö dông m« h×nh cho c¸c ®¸nh gi¸ c¸c t¸c ®éng. Thay ®æi sù sö dông ®Êt nh lµ sù ph¸ rõng hoÆc ®« thÞ ho¸ thêng chØ ¶nh hëng ®Õn mét phÇn cña lu vùc. Víi m« h×nh ph©n bè, cã thÓ kiÓm tra c¸c ¶nh hëng cña c¸c thay ®æi dÇn dÇn trong mét kh«ng gian x¸c ®Þnh. Còng cã mét tranh luËn r»ng do c¬ së vËt lý cña m« h×nh chóng ta cã thÓ ®a ra mét ®¸nh gi¸ tèt h¬n vÒ c¸c hiÖu qu¶ cña c¸c ®Æc trng thay ®æi cña lu vùc bëi v× nã sÏ dÔ dµng h¬n cho viÖc hiÖu chØnh c¸c gi¸ trÞ th«ng sè cã ý nghÜa vËt lý. Tuy nhiªn, sù khã kh¨n cña viÖc ®Þnh râ c¸c gi¸ trÞ hiÖu qu¶ cña c¸c th«ng sè ë møc ®é phÇn tö lµm háng nhiÒu h¬n tranh luËn nµy. C¸c vÝ dô vÒ c¸c m« h×nh qu¸ tr×nh ph©n bè c¬ b¶n gÇn ®©y bao gåm m« h×nh SHE (Systeme Hydrologique Europeen), mét dù ¸n ®iÓm ban ®Çu cña ViÖn thuû v¨n Anh, ViÖn thuû lùc §an M¹ch vµ SOGREAH Ph¸p, nhng b©y giê ®ang ®îc ph¸t triÓn mét c¸ch t¸ch biÖt (xem Abbott vµ nnk, 1986a; Bathust vµ nnk 1995). ë viÖn thuû v¨n níc Anh còng ph¸t triÓn m« h×nh IHDM (viÖn c¸c m« h×nh ph©n bè Calvan vµ Wood1995). ë Australia cã m« h×nh THALES (Grayson vµ nnk, 1995) vµ m« h×nh ®éng lùc häc CSIRO TOPOG (Vertessy vµ nnk, 1993; Zhang vµ nnk 1999) vµ mét sè m« h×nh kh¸c. §iÒu kh¸c cña chóng lµ c¸ch gi¸n ®o¹n hãa lu vùc vµ gi¶i c¸c ph¬ng tr×nh qu¸ tr×nh nhng tÊt c¶ cïng dùa trªn thiÕt kÕ ban ®Çu cña Fzeeze vµ Harlan tõ n¨m 1969 nh lµ mét diÔn t¶ vÒ qu¸ tr×nh dßng ch¶y (tr×nh bµy chi tiÕt h¬n trong ch¬ng 5). Ph¶i nãi r»ng hoÆc lµ c¸c diÔn t¶ qu¸ tr×nh hoÆc lµ c¸c vÊn ®Ò yªu cÇu nghiªn cøu xa h¬n, ®· thay ®æi rÊt nhiÒu trong ba m¬i n¨m qua tõ khi thiÕt kÕ cña Fzeeze vµ Harlan ®îc c«ng bè. TÊt nhiªn, c¸c ph¸t triÓn nh¶y vät vÒ m¸y tÝnh, c¸c ph¬ng ph¸p sè trong viÖc gi¶i c¸c ph¬ng tr×nh vi ph©n, vµ ph¸t triÓn kü thuËt lËp tr×nh, ®· cho 52
phÐp gi¶i m¹nh h¬n víi viÖc ®é ph©n gi¶i kh«ng-thêi gian mÞn h¬n ®Ó ¸p dông cho c¸c c¸c lu vùc lín h¬n, nhng c¸c giíi h¹n tÝnh to¸n trong viÖc gi¶i ba chiÒu ®Çy ®ñ vÉn cßn. Nhí r»ng c¸c thiÕt kÕ cßn l¹i phÇn lín lµ ®¬n gi¶n ho¸ c¸c m« h×nh gi¸c quan ®· th¶o luËn trong ch¬ng 1. Mét vµi qu¸ tr×nh nh lµ dßng ch¶y u tiªn trong ®Êt rçng bÞ bá qua hoµn toµn víi lý do kh«ng cã ph¬ng tr×nh diÔn ®¹t ®Çy ®ñ ®Ó tÝch hîp c¸c hiÖu qu¶ cña dßng ch¶y ë quy m« phÇn tö (xem Bronstert vµ Plate (1997) vµ Feah vµ nnk, 1997 cho c¸c cè g¾ng gÇn ®©y). T¬ng tù, ý kiÕn diÔn t¶ dßng ch¶y bÒ mÆt nh lµ mét dßng ch¶y mÆt sên dèc víi ®é s©u vµ lu tèc c¾t ngang sên dèc ®ång nhÊt ®îc sö dông trong hÇu hÕt c¸c m« h×nh qu¸ tr×nh, râ rµng lµ mét sù ®¬n gi¶n ho¸ thùc tÕ qu¸ møc. ChØ cã c¸c cè g¾ng gÇn ®©y ®îc lµm ®Ó ®a ra sù tÝnh to¸n sù thay ®æi ®é s©u trªn lu tèc dßng ch¶y vµ cêng ®é thÊm (vÝ dô Dunne vµ nnk, 1991; Tayfur vµ Kavvas 1998). Do ®ã, c¸c m« h×nh nµy dùa trªn tÝnh vËt lý cña dßng ch¶y vÒ tªn gäi, nhng lµ mét sù xÊp xØ vËt lý vµ nã vÉn tån t¹i cho ®Õn khi c¸c kü thuËt ®o ®¹c vµ xö lý trong nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y ®îc hoµn thiÖn cho phÐp ®a ra c¸c diÔn t¶ tèt h¬n, ®Æc biÖt lµ dßng ch¶y s¸t mÆt. 2.6 C¸c m« h×nh ph©n bè ®¬n gi¶n dùa trªn c¸c hµm ph©n bè C¸c m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ ®· th¶o luËn lµ phøc t¹p vµ cã yªu cÇu vÒ c¶ th«ng sè vµ tÝnh to¸n. Tuy nhiªn, diÔn t¶ to¸n häc cña c¸c qu¸ tr×nh mµ nã dùa vµo vÉn lµ sù ®¬n gi¶n thùc tÕ. Sù ph©n chia c¸c chñ ®Ò m« h×nh ma-dßng ch¶y cã thÓ ®îc ph©n ra b»ng c¸c cè g¾ng ®Ó duy tr× mét diÔn t¶ ph©n bè ph¶n øng cña lu vùc, nhng b»ng c¸ch ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu, kh«ng cã c¸c diÔn t¶ c¸c qu¸ tr×nh chi tiÕt nh m« h×nh SHE vµ c¸c m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ kh¸c. M« h×nh lo¹i nµy nh×n chung sö dông mét cÊu tróc hµm ph©n bè ®Ó diÔn t¶ sù thay ®æi kh«ng gian cña s¶n sinh dßng ch¶y. Sù ph©n bè cã thÓ c¨n cø trªn diÔn t¶ thèng kª duy nhÊt nh trong m« h×nh ph©n bè x¸c suÊt (PDM) cña Moore vµ Clarke (1981); trªn mét cÊu tróc hµm ®¬n gi¶n, nh trong m« h×nh Xinanjiang/ ARNO/ VIC trong hép 2.2; trªn ®êng ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n liªn kÕt víi GIS nh ®îc diÔn t¶ trong phÇn ë trªn; hoÆc trong mét vµi lý do vËt lý ®¬n gi¶n dÉn ®Õn ph©n bè cña mét chØ sè t¬ng tù thuû v¨n nh lµ trong TOPMODEL (m« h×nh dùa vµo ®Þa h×nh cña Beven vµ Kirkby (1979); xem phÇn 6.4). Chó ý r»ng mét hµm ph©n bè ®ång nhÊt cho kh¶ n¨ng thÊm ®îc bao gåm nh mét trong c¸c thµnh phÇn cña m« h×nh lu vùc Stanford vµ nhiÒu m« h×nh trong sè nµy cã thµnh phÇn lo¹i ESMA. Trong tÊt c¶ c¸c m« h×nh nµy, thµnh phÇn hµm ph©n bè lµ mét cè g¾ng ®Ó chiÕu cè thùc tÕ lµ kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c lu vùc ®Òu cã thÓ mong ®îi ph¶n øng chÝnh x¸c theo cïng mét c¸ch. VÝ dô, thÓ tÝch sinh dßng ch¶y ®îc hi väng lµ thay ®æi theo vÞ trÝ cña lu vùc. §iÒu nµy nãi chung vÉn tiÕp tôc ®îc duy tr× víi m« h×nh quan niÖm cña c¸c ph¶n øng thuû v¨n. Trong diÔn t¶ c¸c hµm ph¶n øng kh¸c nhau nh lµ hµm ph©n bè, ghi nhËn r»ng lo¹i thay ®æi nµy lµ quan träng nhng nã cã thÓ rÊt khã ®Ó chØ râ mét c¸ch chÝnh x¸c dßng ch¶y sinh ra h×nh thµnh ë ®©u trªn lu vùc trong mét trËn ma thùc tÕ. Môc ®Ých lµ nhËn ®îc ph¶n øng t¬ng øng t¹i quy m« lu vùc mét c¸ch chÝnh x¸c. TOPMODEL cho phÐp tÝnh to¸n hµm ph©n bè ®Ó ¸nh x¹ trë l¹i lu vùc, nhng kh«ng mong ®îi r»ng c¸c dù b¸o sÏ xÊp xØ chÝnh x¸c h¬n trong kh«ng gian. Mét trong c¸c u ®iÓm cña tiÕp cËn hµm ph©n bè nµy lµ sù phi tuyÕn quan träng 53
cña qu¸ tr×nh s¶n sinh dßng ch¶y cã thÓ ®îc ph¶n ¸nh l¹i trong hµm ph©n bè nhng kh«ng cÇn mét sè lín c¸c gi¸ trÞ th«ng sè nh m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ. Nh×n chung, ®iÒu nµy sÏ lµm cho viÖc hiÖu chØnh m« h×nh dÔ dµng h¬n rÊt nhiÒu khi sè liÖu quan tr¾c cã s½n cho sù so s¸nh víi dù b¸o cña m« h×nh. 2.7 C¸c sù ph¸t triÓn gÇn ®©y: Tr¹ng th¸i hiÖn thêi cña kü thuËt lµ g×? M¸y tÝnh tiÕp tôc ®îc ph¸t triÓn m¹nh h¬n. Khi kÕt qu¶ kh«ng hoµn toµn ch¾c ch¾n th× c¸c m« h×nh ph©n bè thuû v¨n sÏ ®îc ph¸t triÓn chi tiÕt h¬n, phøc t¹p h¬n, vµ sÏ tiÕp cËn hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý cho ®Çu vµo cña sè liÖu vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶ (vÝ dô, xem Refgaard vµ Storm 1995). Trong c¶m gi¸c, ®©y lµ tr¹ng th¸i cña kü thuËt. Tuy nhiªn, cã mét c©u hái, ph¶i ch¨ng sù ph¸t triÓn cña lo¹i nµy sÏ dÉn ®Õn c¸c dù b¸o thuû v¨n tèt h¬n? Tr¶ lêi cho c©u hái nµy lµ kh«ng hoµn toµn râ rµng. Phøc t¹p h¬n nghÜa lµ nhiÒu th«ng sè h¬n, nghÜa lµ hiÖu chØnh nhiÒu h¬n vµ bÊt ®Þnh nhiÒu h¬n trong c¸c dù b¸o, ®Æc biÖt ra ngoµi sè liÖu hiÖu chØnh. §iÒu nµy vÉn më ra c¸c kh¶ n¨ng kh¸c, ®¬n gi¶n h¬n vÒ th«ng sè, m« h×nh cã thÓ cã nhiÒu ®Ó ®Þnh ra. NÕu chØ quan t©m ®Õn dù b¸o lu lîng, th× cã thÓ cho r»ng ë ®©u sè liÖu hiÖu chØnh s½n cã, c¸c m« h×nh th«ng sè tËp trung ®¬n gi¶n nh lµ IHACRES cã thÓ cung cÊp sù m« pháng tèt nh c¸c m« h×nh dùa vµo vËt lý phøc t¹p. Víi c¸c dù b¸o ph©n bè, cha cã nghiªn cøu nµo chøng minh r»ng mét m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ cã thÓ lµm tèt h¬n trong dù b¸o ph¶n øng ph©n bè cña lu vùc so víi mét m« h×nh hµm ph©n bè ®¬n gi¶n nh lµ TOPMODEL, trong ®ã c¸c gi¶ thiÕt cña m« h×nh ®¬n gi¶n ho¸ lµ cã lý do ®óng ®¾n (Franchini vµ Pacciani 1991; xem th¶o luËn trong ch¬ng 7). §iÒu cèt lâi, sù ¸p dông cña tÊt c¶ c¸c d¹ng m« h×nh nµy bÞ giíi h¹n bëi c¸c sè liÖu cã s½n trong hÖ thèng thuû v¨n nh thÕ nµo. C¸c m« h×nh cã sè liÖu h¹n chÕ bëi v× giíi h¹n cña kü thuËt ®o ®¹c dßng ch¶y. Tuy nhiªn, nÕu ph¸t triÓn kü thuËt ®o ®¹c dÉn ®Õn sù hiÓu biÕt c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y phøc t¹p tèt h¬n, th× thÊy r»ng nã sÏ cÇn thiÕt cho dù b¸o t¬ng lai ®Ó ph©n biÖt gi÷a c¸c m« h×nh ®îc ph¸t triÓn cho sù hiÓu biÕt, diÔn t¶ c¸c qu¸ tr×nh chi tiÕt t¹i c¸c quy m« nhá, vµ c¸c m« h×nh ®îc ph¸t triÓn cho dù b¸o t¹i quy m« ®o lu vùc. Tríc ®©y cã lÏ lµ phô thuéc vµo c¸c diÔn t¶ chi tiÕt cña ®Þa h×nh khu vùc dßng ch¶y. Sau nµy sÏ lµ kh«ng cã kh¶ n¨ng yªu cÇu c¸c ®Çu vµo nh vËy bëi v× sÏ kh«ng cã sù ®o ®¹c thùc tÕ vµ kinh tÕ ë quy m« lín h¬n mµ t¹i ®ã dù b¸o yªu cÇu. M« h×nh dù b¸o sÏ ph¶n ¸nh c¸c d¹ng cña sè liÖu cã kh¶ n¨ng trong thùc tÕ. Trong ch¬ng sau, chóng ta sÏ xem xÐt sè liÖu cã kh¶ n¨ng cho m« h×nh ho¸ chi tiÕt h¬n. Ch¬ng 4 sÏ xem xÐt c¸c m« h×nh lu vùc tËp trung, ch¬ng 5 sÏ th¶o luËn c¸c m« h×nh dùa trªn vËt lý ®Çy ®ñ, vµ ch¬ng 6 sÏ xem xÐt c¸c m« h×nh hµm ph©n bè. 2.8 C¸c ®iÓm kho¸ tõ ch¬ng 2  BÊt kú mét m« h×nh thuû v¨n nµo còng ph¶i bao gåm c¸c thµnh phÇn hµm x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a tæng lîng ma vµ tæng lîng dßng ch¶y h×nh thµnh trong mét trËn ma, vµ diÔn to¸n dßng ch¶y ®Õn cöa ra lu vùc. 54