Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 1: Mô hình hóa thủy văn lưu vực nhỏ

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chương 1 là kiến thức tổng hợp hệ thống thủy văn, dự báo và tối ưu hóa là một trong những hoạt động quan trọng thiết kế các hệ thống tài nguyên nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 1: Mô hình hóa thủy văn lưu vực nhỏ

Ch−¬ng 1 M« h×nh ho¸ thuû v¨n l−u vùc nhá 1.1 Giíi thiÖu ........................................................................................ 17 1.2 Vßng tuÇn hoµn thñy v¨n vµ thµnh phÇn cña nã .......................... 19 1.3 Ph©n lo¹i m« h×nh ......................................................................... 21 1.4 B¶n chÊt ngÉu nhiªn cña qu¸ tr×nh thñy v¨n ............................... 29 1.5 C¸c m« h×nh thñy v¨n lµ nh÷ng thµnh phÇn cña c¸c m« h×nh hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. ......................................................................... 32 1.6 C¸ch tiÕp cËn c¸c hÖ thèng ............................................................. 33 1.7 ThiÕt kÕ ........................................................................................... 34 1.8 Lùa chän m« h×nh ........................................................................... 35 Tµi liÖu tham kh¶o ............................................................................... 37 15
16
M« h×nh ho¸ thuû v¨n c¸c l−u vùc nhá T¸c gi¶: D.A. Woolhiser, USDA, ARS, Fort Collins, CO vµ D. L. Brakensiek, Northwest Watershed Research Center, USDA, ARS, Boise, ID 1.1 Giíi thiÖu Tæng hîp hÖ thèng thñy v¨n, dù b¸o vµ tèi −u ho¸ lµ mét trong nh÷ng ho¹t ®éng quan träng trong thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. Tæng hîp hÖ thèng thñy v¨n liªn quan ®Õn viÖc lùa chän mét m« h×nh thÝch hîp vµ ph©n tÝch ®Ó kiÓm tra ho¹t ®éng cña m« h×nh ®ã (Dogge, 1973). Khi mét m« h×nh thuû v¨n ®· ®−îc chän, nã cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó dù b¸o c¸c biÕn thuû v¨n kh¶ n¨ng mµ chóng lµ ®Çu vµo cho nh÷ng thµnh phÇn c¬ b¶n cña hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. Nh÷ng biÕn thiÕt kÕ cña c¸c thµnh phÇn hoÆc sè l−îng, vÞ trÝ vµ kiÓu cña nh÷ng thµnh phÇn cã thÓ ®−îc thay ®æi sau ®ã vµ b»ng viÖc ®¸nh gi¸ c¸c ph−¬ng ¸n ta cã thÓ t×m ra ph−¬ng ¸n tèi −u. Tæng hîp hÖ thèng thñy v¨n còng ph¶i tr¶ lêi nh÷ng c©u hái nh−: “ViÖc qu¶n lý ®Êt n«ng nghiÖp ®· g©y ra nh÷ng t¸c ®éng nµo ®èi víi chÊt l−îng vµ khèi l−îng n−íc ?” bëi v× kh«ng thÓ nµo thu ®−îc nh÷ng d÷ liÖu thùc nghiÖm cho tÊt c¶ c¸c sù kÕt hîp gi÷a nh÷ng ho¹t ®éng canh t¸c hoa mµu vµ chÕ ®é thñy v¨n. ViÖc m« h×nh ho¸ thñy v¨n yªu cÇu mét c¸ch ®¬n gi¶n hoÆc kh¸i qu¸t. ThËt vËy, qua kinh nghiÖm thùc tÕ con ng−êi thÊy r»ng muèn hiÓu vµ dù b¸o gi¸ trÞ bÊt cø mét bé phËn nµo cña m«i tr−êng th× cÇn ph¶i kh¸i qu¸t. “Sù kh¸i qu¸t bao gåm, viÖc thay thÕ mét bé phËn cña tæng thÓ d−íi h×nh thøc m« h×nh cÊu tróc ®¬n gi¶n h¬n. Nh÷ng m« h×nh, mét mÆt lµ h×nh thøc hay trÝ tuÖ, mÆt 17
kh¸c nã lµ vËt chÊt, nh− vËy m« h×nh lµ gi¶i ph¸p trung t©m cña tiÕn tr×nh khoa häc” (Rosenbleuth vµ Wiener, 1945). Trong viÖc thiÕt kÕ nh÷ng hÖ thèng tµi nguyªn n−íc vµ −íc l−îng nh÷ng t¸c ®éng cña kü thuËt qu¶n lý ®Êt, chóng ta cÇn ph¶i cã m« h×nh b¾t nguån tõ c¸c khoa häc x· héi còng nh− nh÷ng m« h×nh cña hÖ thèng thñy v¨n. Tuy nhiªn, trong tµi liÖu nµy, chóng ta quan t©m ®Õn nh÷ng m« h×nh thñy v¨n vµ ®Æc biÖt lµ nh÷ng m« h×nh thñy v¨n c¸c l−u vùc n«ng nghiÖp nhá. §Ó ®¹t ®−îc môc ®Ých ®ã, l−u vùc nhá lµ mét trong nh÷ng ®èi t−îng mµ ¶nh h−ëng c¸c ho¹t ®éng qu¶n lý ®Êt n«ng nghiÖp hay l©m nghiÖp cã thÓ chi phèi quan träng ®Õn chÕ ®é thñy v¨n. MÆc dï nh÷ng l−u vùc ë thµnh phè ®· bÞ lo¹i bá, nh−ng nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n mµ nhiÒu m« h×nh m« t¶ cã thÓ dïng tèt cho c¸c l−u vùc kÓ c¶ ë thµnh phè. H×nh 1.1 Vßng tuÇn hoµn thuû v¨n (theo Horton, 1931) Môc ®Ých cña ch−¬ng nµy lµ th¶o luËn vai trß cña m« h×nh thñy v¨n l−u vùc nhá. Nh÷ng d¹ng cña m« h×nh cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó m« t¶ vµ nh÷ng sè 18
h¹ng quan träng ®· ®−îc ®Þnh nghÜa. Cuèi cïng, m« h×nh thñy v¨n ®· ®−îc xem xÐt nh− lµ nh÷ng thµnh phÇn cña m« h×nh hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. 1.2 Vßng tuÇn hoµn thñy v¨n vµ thµnh phÇn cña nã C¸c m« h×nh l−u vùc thñy v¨n ph¶i miªu t¶ ®−îc vßng tuÇn hoµn thñy v¨n b»ng nh÷ng ph−¬ng ph¸p thÝch hîp kh¸c nhau. Nh÷ng quy luËt b¶o toµn khèi l−îng, n¨ng l−îng vµ ®éng l−îng ®−îc tæng hîp trong tËp hîp thµnh nguyªn t¾c lý thuyÕt, vµ ®−îc sö dông ®Ó gi¶i thÝch vßng tuÇn hoµn thñy v¨n. Nh÷ng nguyªn lý nµy cïng víi c¸c mèi quan hÖ dùa vµo kinh nghiÖm c¸ nh©n t¹o thµnh c¬ së cho phÇn lín c¸c m« h×nh l−u vùc nhá. Nguyªn lý cña sù b¶o toµn khèi l−îng th−êng minh häa b»ng l−îng n−íc ®èi víi mét thÓ tÝch ®Êt nµo ®ã. H×nh 1.1 tr×nh bµy mét c¸ch ®Þnh tÝnh vßng tuÇn hoµn Thuû v¨n, nã giíi thiÖu c¸c thµnh phÇn thuû v¨n vµ biÓu diÔn kh¸i niÖm cho r»ng tæng l−îng n−íc trªn tr¸i ®Êt cã thÓ xem lµ kh«ng thay ®æi. Trong thñy v¨n häc l−u vùc nhá chóng ta quan t©m ®Õn phÇn sÉm trong vßng tuÇn hoµn trong h×nh 1.1. NÕu chóng ta xem xÐt thµnh phÇn mang tªn “Sù s¾p xÕp bÒ mÆt cña tÊt c¶ c¸c d¹ng gi¸ng thñy” øng dông cho thÓ tÝch ®Êt bÊt kú víi diÖn tÝch bÒ mÆt lµ A vµ ®é s©u d, nh− trong h×nh 1.2, ta cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn tÝch ph©n cña tÝnh b¶o toµn khèi l−îng, trong mét kho¶ng thêi gian bÊt kú lµ ∆t, khi l−îng n−íc vµo b»ng l−îng n−íc ra céng ®¹i sè víi sù thay ®æi cña kho n−íc. P + W = QS + QB + ∆D + ∆S + EA (1.1) ë ®©y: P = l−îng gi¸ng thñy nhËn ®−îc trªn diÖn tÝch A. W = n−íc vµo (hay ra) bëi ho¹t ®éng cña con ng−êi. QS = dßng ch¶y bÒ mÆt. QB = dßng ch¶y vµo s¸t mÆt khi ch¶y qua ®Êt xèp ch−a b·o hßa hay ®· b·o hßa. ∆D = sù thay ®æi cña l−îng tr÷ n−íc bÒ mÆt (Sù tÝch tr÷ n−íc suy yÕu hay gi÷ l¹i) 19
∆S = sù thay ®æi cña l−îng tr÷ n−íc trong ®Êt. E = l−îng bèc h¬i, trªn 1 ®¬n vÞ diÖn tÝch (bao gåm c¶ l−îng bèc h¬i tõ thùc vËt). H×nh 1.2 ThÓ tÝch ®èi víi c©n b»ng n−íc. MÆc dï mäi kÝch th−íc ®Òu cã thÓ ®−îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ cña khèi l−îng, nh−ng th«ng th−êng ng−êi ta ®−a vµo trong m« h×nh ®¬n vÞ cña thÓ tÝch hoÆc thÓ tÝch trªn 1 ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt. Trong thêi gian dµi, c¸c sè h¹ng cña kho n−íc cã thÓ kh¸c nhau t−¬ng ®èi nhá vµ dßng n−íc ch¶y tõ thÓ tÝch kiÓm so¸t nµy hoÆc tõ l−u vùc nhá lµ sù kh¸c nhau gi÷a tæng l−îng gi¸ng thñy, n−íc nhËp vµo l−u vùc vµ l−îng bèc h¬i. Tæng l−îng bèc h¬i bÞ ®iÒu khiÓn bëi tæng l−îng n¨ng l−îng s½n cã ë tÇng ®Êt vµ kh«ng khÝ trong th¶m thùc vËt. TÝnh b¶o toµn cña ph−¬ng tr×nh n¨ng l−îng ®−îc viÕt cho bÒ mÆt l−u vùc khi tèc ®é thùc cña n¨ng l−îng vµo trªn 1 ®¬n vÞ diÖn tÝch b»ng tèc ®é n¨ng l−îng ra, hay: RS(1-ρ) = RL + G + H + LE (1.2) trong ®ã: RS = mËt ®é th«ng l−îng cña tæng l−îng bøc x¹ sãng ng¾n trªn bÒ mÆt ®Êt. 20
ρ = abledo cña bÒ mÆt (phÇn nhá cña sù ra nhËp bøc x¹ sãng ng¾n ®· ®−îc bøc x¹) RL = mËt ®é th«ng l−îng thùc cña bøc x¹ sãng dµi G = mËt ®é th«ng l−îng nhiÖt trong ®Êt. H = nhiÖt chuyÓn vµo trong khÝ quyÓn L = Èn nhiÖt cña sù bèc h¬i n−íc E = tèc ®é bèc h¬i. §¬n vÞ cho tÊt c¶ c¸c sè h¹ng lµ n¨ng l−îng nhiÖt trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Nh÷ng sù thay ®æi trong tÝch lòy nhiÖt cña thùc vËt vµ nhiÖt sö dông cho quang hîp ®−îc bá qua trong ph−¬ng tr×nh (1.2) bëi v× chóng chØ kho¶ng 1% cña RS. C¸c ph−¬ng tr×nh (1.1) vµ (1.2) ®−îc liªn kÕt víi nhau bëi sè h¹ng bèc h¬i E. §é lín cña E trong ph−¬ng tr×nh (1.1) giíi h¹n b»ng tæng n¨ng l−îng nhiÖt chuyÓn ®Õn bÒ mÆt A, mÆc dï ®iÒu ®ã còng cã thÓ bÞ h¹n chÕ bëi sù gi÷ l¹i cña c©y cèi hay bëi sù di chuyÓn cña n−íc trong ®Êt ®Õn rÔ c©y. Trong kho¶ng thêi gian ng¾n, mÆc dï tÝnh b¶o toµn cña ph−¬ng tr×nh lµ cÇn thiÕt, nh−ng ®iÒu ®ã kh«ng ®ñ ®Ó m« t¶ 1 c¸ch chÝnh x¸c nh÷ng hiÖn t−îng ®éng lùc thñy v¨n nh− lµ dßng ch¶y mÆt. VÝ dô, trong dßng ch¶y trªn ®Êt, h¹t m−a r¬i trªn bÒ mÆt ®−îc t¸c ®éng bëi dßng n−íc, lùc träng tr−êng vµ lùc c¶n t¨ng tèc dßng ch¶y. Ph−¬ng tr×nh thø hai ph¶i dùa vµo nguyªn lý b¶o toµn n¨ng l−îng hay ®éng l−îng. C¶ hai ph−¬ng tr×nh cïng víi ®iÒu kiÖn biªn vµ ®iÒu kiÖn ban ®Çu, sÏ m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc cña dßng ch¶y. Nh÷ng ch−¬ng sau sÏ nghiªn cøu viÖc m« h×nh nh÷ng thµnh phÇn chi tiÕt h¬n vµ còng sÏ xem xÐt ®Õn tËp hîp c¸c m« h×nh thµnh phÇn trong m« h×nh l−u vùc. 1.3 ph©n lo¹i m« h×nh B»ng c¸ch sö dông m« h×nh, ta cã thÓ hiÓu hoÆc gi¶i thÝch hiÖn t−îng tù nhiªn ®−îc tèt h¬n, vµ cïng víi mét vµi ®iÒu kiÖn chóng ta cã thÓ ®−a ra nh÷ng dù b¸o trong kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n x¸c ®Þnh hay ngÉu nhiªn. Chóng ta hiÓu g× khi nãi chóng ta hiÓu mét biÕn cè hoÆc mét vµi khÝa c¹nh nµo ®ã cña m«i 21
tr−êng sèng? Hempel (1963) cho r»ng, nÕu nãi chóng ta hiÓu mét biÕn cè hoÆc mét chu kú tøc lµ chóng ta cã thÓ ®−a ra mét gi¶i thÝch khoa häc cho ®iÒu ®ã. Thùc chÊt ®Þnh nghÜa cña Hempel trong gi¶i thÝch khoa häc lµ: gi¶ sö chóng ta cã mét ph¸t triÓn E mµ nã m« t¶ mét sè hiÖn t−îng nµo ®ã ®· ®−îc gi¶i thÝch. Sau ®ã, nÕu E cã thÓ ®−îc suy ra tõ tËp hîp L1, L1, ..., Ln cña quy luËt chung hoÆc nh÷ng nguyªn t¾c lý thuyÕt, vµ tËp hîp C1, C2, ..., Cn cña nh÷ng ph¸t biÓu ®· ®−îc thùc nghiÖm, chóng ta cã thÓ nãi r»ng hiÖn t−îng ®· ®−îc gi¶i thÝch. Tõ ®Þnh nghÜa nµy, víi nã lµ c¸c m« h×nh h×nh thøc ®−îc ®¸p øng cho gi¶i thÝch khoa häc. Mét vµi tiªu chuÈn kh¸c nhau ®· ®−îc sö dông ®Ó ph¸t triÓn hÖ thèng ph©n lo¹i cho m« h×nh. Trong nhiÒu tr−êng hîp, nh÷ng tiªu chuÈn ®ã ph¶n ¸nh nh÷ng quan t©m ®Æc biÖt hoÆc c¸c nhu cÇu cña ngµnh häc ®Æc biÖt. Tuy vËy, nh÷ng m« h×nh sö dông trong bÊt cø m«n häc nµo ®Òu cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i thµnh m« h×nh h×nh thøc vµ m« h×nh vËt chÊt. M« h×nh h×nh thøc hay “trÝ tuÖ” lµ sù biÓu diÔn cã tÝnh t−îng tr−ng vµ th−êng lµ biÓu diÔn mang tÝnh to¸n häc cña sù kiÖn ®· ®−îc lý t−ëng hãa, cã ®Æc tÝnh cÊu tróc quan träng trong hÖ thèng thùc. M« h×nh vËt chÊt lµ biÓu diÔn vËt lý trong mét hÖ thèng phøc t¹p mµ ®−îc gi¶ sö r»ng ®¬n gi¶n h¬n hÖ thèng thùc vµ còng gi¶ sö lµ cã c¸c ®Æc tÝnh t−¬ng tù nh− trong hÖ thèng thùc. H×nh1.3 lµ s¬ ®å ph©n lo¹i c¸c m« h×nh. Nh÷ng m« h×nh vËt chÊt bao gåm c¸c m« h×nh cã tÝnh chÊt "h×nh t−îng" hoÆc “m« pháng” vµ nh÷ng m« h×nh t−¬ng tù. Mét m« h×nh h×nh t−îng lµ mét phiªn b¶n ®¬n gi¶n hãa cña hÖ thèng thÕ giíi thùc. Nã ®ßi hái nh÷ng vËt liÖu gièng nh− trong hÖ thèng thùc (VD: m« h×nh cña chÊt láng th× vËt liÖu còng ph¶i lµ chÊt láng). Thïng ®o thÊm, c¸c dông cô ®o l−îng m−a, m¸ng thñy lùc vµ nh÷ng hÖ thèng thùc nghiÖm l−u vùc lµ c¸c vÝ dô cña m« h×nh biÓu t−îng. B»ng c¸ch ®o ®Þnh kú thÓ tÝch cña l−îng n−íc rót tõ thïng ®o thÊm vµ x¸c ®Þnh träng l−îng cña nã chóng ta cã thªm ®−îc mét sè hiÓu biÕt vÒ nh÷ng tèc ®é t−¬ng ®èi cña sù thÊm ë d−íi s©u vµ sù bèc to¸t h¬i ë tõ s−ên, diÖn tÝch kh«ng bÞ x¸o trén víi thùc vËt vµ ®Êt. Chóng ta kh«ng quan t©m ®Õn kÝch th−íc cña m« h×nh nh−ng chóng ta quan t©m ®Õn sù hiÓu biÕt c¸c khÝa c¹nh s©u s¾c ë viÖc xuÊt hiÖn c¸c qu¸ tr×nh cña hÖ thèng tù nhiªn phøc t¹p h¬n mµ chóng ®−a ®Õn cho ta trong qu¸ tr×nh m« pháng. 22
Nguyªn tè x¸c ®Þnh l−îng m−a, m¸ng thñy lùc vµ nh÷ng hÖ thèng thùc nghiÖm thñy v¨n cã thÓ gióp ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng nh©n tè quan träng nhÊt nªn ®−îc biÓu diÔn trong m« h×nh to¸n cña dßng ch¶y trªn ®Êt vµ c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn. §Ó sö dông ®−îc, nh÷ng m« h×nh biÓu t−îng cÇn ph¶i dÔ h¬n so víi cïng víi hÖ thèng thùc, vµ ph¶i cung cÊp thªm mét vµi d÷ liÖu mµ chóng kh«ng ph¶i lµ hÖ qu¶ trùc tiÕp cña sù suy luËn vµ ®−îc m« h×nh to¸n c«ng nhËn. Thay ®æi ®é lín hay quy m« thêi gian (hoÆc c¶ hai) ®−îc ®ßi hái th−êng xuyªn ®Ó x©y dùng m« h×nh h÷u dông. V× nh÷ng thay ®æi quy m« nµy vµ nh÷ng sù ®¬n gi¶n hãa cÇn thiÕt kh¸c, c¸c m« h×nh biÓu t−îng th−êng kÐo theo nh÷ng sù sai kh¸c vµ ®é lín cña sù sai kh¸c nµy ph¶i ®−îc xem xÐt mét c¸ch cÈn thËn vµ ph¶i cã trong nh÷ng ph−¬ng tr×nh dù b¸o. HÖ thèng thùc C¸c m« h×nh vËt chÊt C¸c m« h×nh to¸n T−¬ng tù Thùc nghiÖm Lý thuyÕt MÉu H×nh 1.3. Ph©n lo¹i m« h×nh Trong m« h×nh t−¬ng tù, c¸c ®¹i l−îng ®−îc ®o ®¹c trong m« h×nh lµ c¸c thÝ nghiÖm vËt lý lµ kh¸c so víi trong hÖ thèng thùc ban ®Çu. VÝ dô, dßng ®iÖn cã thÓ miªu t¶ thay thÕ cho dßng n−íc, hoÆc mét mµng máng còng cã thÓ miªu t¶ thay cho mùc n−íc ngÇm. TÝnh logic cña m« h×nh t−¬ng tù phô thuéc vµo sù tån t¹i cña mèi quan hÖ to¸n häc cña viÖc m« t¶ c¶ hÖ thèng thùc vµ c¸i t−¬ng tù cña nã, vµ nã còng phô thuéc vµo nh÷ng d¹ng kh¸c nhau cña c¸c m« h×nh h×nh thøc. Trong thñy v¨n häc, tÊt c¶ c¸c m« h×nh h×nh thøc l−u vùc lµ to¸n häc; do ®ã tíi ®©y chóng ta sÏ sö dông thuËt ng÷ “m« 23
h×nh to¸n” hay ®¬n gi¶n h¬n lµ “m« h×nh”. Trong tµi liÖu nµy chóng ta sÏ tËp trung toµn bé sù chó ý vµo m« h×nh to¸n. Nh÷ng m« h×nh to¸n cã thÓ chia nhá h¬n thµnh c¸c m« h×nh lý thuyÕt vµ c¸c m« h×nh thùc nghiÖm. Mét m« h×nh lý thuyÕt bao gåm tÊt c¶ tËp hîp nh÷ng quy luËt chung, nh÷ng nguyªn t¾c lý thuyÕt vµ tËp hîp nh÷ng thÓ hiÖn cña c¸c tr−êng hîp thùc nghiÖm. M« h×nh thùc nghiÖm bá qua quy luËt chung vµ tiªu biÓu cho sù ph¶n ¸nh d÷ liÖu. Sù ®Æc biÖt nµy mÊt ®i khi chóng ta xem xÐt m« h×nh bao gåm mét vµi nh−ng kh«ng ph¶i tÊt c¶ nh÷ng quy luËt chung cÇn thiÕt. TÊt c¶ c¸c m« h×nh lý thuyÕt lµ ®¬n gi¶n ho¸ hÖ thèng vËt lý vµ bëi vËy, nã Ýt nhiÒu lµ kh«ng chÝnh x¸c. H¬n n÷a, c¸i gäi lµ m« h×nh lý thuyÕt th−êng hiÓn nhiªn bao gåm nh÷ng thµnh phÇn thùc nghiÖm. Mäi mèi quan hÖ thùc nghiÖm cã mét vµi thay ®æi ngÉu nhiªn, ®ã lµ, bëi ngÉu nhiªn hai biÕn xuÊt hiÖn cã thÓ l¹i t−¬ng quan víi nhau mµ trong khi ë thùc tÕ chóng kh«ng cã liªn quan víi nhau. VÒ nguyªn t¾c nh÷ng mèi quan hÖ nh− vËy kh«ng nªn øng dông ngoµi kho¶ng cña d÷ liÖu mµ ng−êi ta ®· thu ®−îc chóng. Trong viÖc x©y dùng m« h×nh l−u vùc nhá, cã rÊt nhiÒu c¸c vÝ dô vÒ sù ®¬n gi¶n hãa trong m« h×nh lý thuyÕt. Dßng ch¶y mÆt trong l−u vùc nhá ®−îc m« t¶ chung b»ng ph−¬ng tr×nh b¶o toµn ®éng l−îng mµ nã thÓ hiÖn trong sè h¹ng søc c¶n thñy lùc thùc nghiÖm. D−íi c¸c ®iÒu kiÖn nµo ®ã, ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng ®· ®−îc ®¬n gi¶n hãa nhiÒu vµ gäi lµ ph−¬ng tr×nh ®éng häc. Nh÷ng bµi to¸n dßng ch¶y s¸t mÆt sö dông ph−¬ng tr×nh Darcy, ph−¬ng tr×nh thùc nghiÖm. ViÖc x©y dùng m« h×nh sù thÊm hiÖn ®¹i dùa vµo ph−¬ng tr×nh Green vµ Ampt lµ sù ®¬n gi¶n hãa toµn bé hÖ thèng dßng ch¶y. Lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm nãi chung ®ång hµnh víi nhau tíi møc trong thùc tÕ hÇu hÕt c¸c m« h×nh thñy v¨n l−u vùc lµ lai t¹p bao gåm c¶ nh÷ng thµnh phÇn lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm. Nh÷ng m« h×nh to¸n thñy v¨n nh− chóng ta ®· biÕt ngµy nay cã thÓ ph©n lo¹i theo 6 tiªu chuÈn (Ofga - Zielinska, 1976): (a) cÊu tróc vµ ®èi t−îng cña m« h×nh, (b) vai trß cña nh©n tè thêi gian, (c) gi¸ trÞ nhËn thøc cña m« h×nh, 24
(d) ®Æc tÝnh cña kÕt qu¶ thu ®−îc, (e) ph−¬ng ph¸p gi¶i vµ c¸c øng dông thùc tÕ (f) nh÷ng ®Æc tÝnh cña hµm to¸n tö. 1.3.1 CÊu tróc vµ ®èi t−îng cña m« h×nh CÊu tróc vµ ®èi t−îng cña m« h×nh lµ tiªu chuÈn ®Çu tiªn, liªn quan ®Õn mét hay nhiÒu phÇn nµo ®ã cña vßng tuÇn hoµn thñy v¨n, chóng ®−îc tæng hîp trong m« h×nh vÒ møc ®é trõu t−îng. Theo møc ®é cã thÓ chia ra thµnh bèn: (a) tõng qu¸ tr×nh riªng biÖt, (b) nh÷ng m« h×nh thµnh phÇn, (c) nh÷ng m« h×nh l−u vùc hîp nhÊt, (d) nh÷ng m« h×nh l−u vùc toµn cÇu. Bèn møc ®é nµy ®−îc m« t¶ trong s¬ ®å h×nh 1.4. M« h×nh cña qu¸ tr×nh riªng biÖt lµ m« t¶ to¸n häc cña mét trong nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý cã trong vßng tuÇn hoµn thñy v¨n. VÝ dô, m« h×nh cña sù bèc h¬i tõ mÆt n−íc tho¸ng sÏ ®−îc ph©n lo¹i nh÷ng m« h×nh qu¸ tr×nh riªng biÖt. Khi nh×n vµo h×nh 1.4 (a) chóng cã d¹ng: Y(t) = Q[X(t)] (1.3) ë ®©y: Y(t) = ®Çu ra X(t) = ®Çu vµo Q = to¸n tö cña qu¸ tr×nh ë trong m« h×nh bèc h¬i th× ®Çu ra Y(t) sÏ lµ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn h¬i n−íc tõ mÆt n−íc, vµ nh÷ng biÕn ®Çu vµo X(t) sÏ bao gåm bøc x¹ thùc, vËn tèc giã, sù thiÕu hôt cña ¸p suÊt h¬i n−íc vµ cã thÓ cã nh÷ng sè h¹ng kh¸c. C¸c m« h×nh cña nh÷ng thµnh phÇn, nh− ®· ®−îc minh häa trong h×nh 1.4 (b), bao gåm sù kÕt nèi c¸c m« h×nh cña nh÷ng qu¸ tr×nh riªng biÖt víi mét to¸n tö thµnh phÇn mµ chia dßng ch¶y thµnh nh÷ng qu¸ tr×nh riªng biÖt trong mét trËt tù thÝch hîp. Chóng m« t¶ nh÷ng qu¸ tr×nh ®ang diÔn ra trong kh«ng gian ngÇm 25
®Æc biÖt cña hÖ thèng l−u vùc. Nh÷ng vÝ dô cña c¸c m« h×nh thµnh phÇn bao gåm: sù tho¸t h¬i thùc vËt, dßng ch¶y mÆt trùc tiÕp, sù xãi mßn, vµ dßng s¸t mÆt. VÝ dô, mét m« h×nh bèc tho¸t h¬i sÏ bao gåm nh÷ng m« h×nh cña c¸c qu¸ tr×nh riªng biÖt m« t¶: sù chÆn gi÷, sù bèc h¬i tõ ®Êt vµ tõ l¸ c©y, n−íc trong ®Êt di chuyÓn vµ sù t¸c ®éng trë l¹i cña c©y cèi. M« h×nh hîp nhÊt lµ mét vÝ dô cña m« h×nh l−u vùc toµn diÖn. Nh− ®· minh häa ë h×nh 1.4 (c), m« h×nh hîp nhÊt gåm cã tËp hîp cña sù liªn kÕt gi÷a c¸c m« h×nh thµnh phÇn víi to¸n tö mµ ®· chia dßng ch¶y thµnh nh÷ng thµnh phÇn riªng biÖt trong trËt tù chÝnh x¸c. Th−êng c¸c m« h×nh hîp nhÊt bao gåm nh÷ng phÇn víi nh÷ng ®é trõu t−îng kh¸c nhau hay sù ®¬n gi¶n hãa. C¸c m« h×nh hîp nhÊt ®−îc ph¸t triÓn bëi qu¸ tr×nh tæng hîp nh÷ng thµnh phÇn vµ cã cÊu tróc ®−îc x¸c ®Þnh râ, cÊu tróc nµy th−êng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng nh÷ng kh¸i niÖm cña ng−êi x©y dùng m« h×nh theo b¶n chÊt vËt lý cña l−u vùc. C¸c m« h×nh toµn cÇu lµ sù lùa chän cho c¸c m« h×nh hîp nhÊt. CÊu tróc cña chóng ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu - chóng thõa nhËn mèi quan hÖ hµm sè gi÷a tËp hîp c¸c biÕn ®Çu vµo vµ ®Çu ra h¬n lµ mèi liªn kÕt c¸c thµnh phÇn riªng biÖt. (H×nh 1.4 (d)). B¶n chÊt cña m« h×nh ®−îc ®Þnh râ chØ trong mét h×nh thøc rÊt ®¬n gi¶n nh− “hÖ thèng lµ tuyÕn tÝnh, thêi gian kh«ng ®æi” vµ to¸n tö ®−îc ®ång nhÊt hãa b»ng ph©n tÝch chuçi quan tr¾c cña ®Çu vµo vµ ®Çu ra. Trong tµi liÖu nµy nhÊn m¹nh c¸c m« h×nh thµnh phÇn vµ m« h×nh hîp nhÊt. Theo tiªu chuÈn ph©n lo¹i thø hai lµ vai trß cña nh©n tè thêi gian th× nh÷ng m« h×nh ®−îc ph©n lo¹i thµnh m« h×nh tÜnh häc vµ m« h×nh ®éng häc. C¸c m« h×nh tÜnh häc bao gåm c¸c ph−¬ng tr×nh to¸n thùc nghiÖm kh¸c nhau vµ nh÷ng m« h×nh håi quy víi thêi gian lµ biÕn phô thuéc. M« h×nh håi quy liªn quan ®Õn l−u l−îng trung b×nh h»ng n¨m cña dßng ch¶y theo thêi tiÕt vµ nh÷ng nh©n tè cña c¸c hiÖn t−îng tù nhiªn lµ m« h×nh tÜnh häc. Nh÷ng m« h×nh to¸n trong ®ã thêi gian kh«ng ph¶i lµ mét nh©n tè, cã nghÜa lµ c¸c ®iÒu kiÖn ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh th× nh÷ng m« h×nh to¸n ®ã còng lµ nh÷ng m« h×nh tÜnh häc. Nh÷ng m« h×nh ®éng häc ®ßi hái nh÷ng ph−¬ng tr×nh to¸n kh¸c nhau víi thêi gian lµ mét biÕn ®éc lËp vµ thùc vËy cã thÓ cho thÊy tÝnh biÕn thiªn thêi gian cña ®Çu ra. Trong tµi liÖu nµy nhÊn m¹nh c¸c m« h×nh ®éng häc. 26
BiÕn ®Çu vµo BiÕn ®Çu ra §iÒu khiÓn ch−¬ng tr×nh ®¬n §iÒu khiÓn ch−¬ng tr×nh ®¬n §iÒu khiÓn §Çu vµo vµ BiÕn ®Çu vµo c¸c §iÒu khiÓn ®Çu ra cña thµnh ch−¬ng tr×nh ®¬n c¸c thµnh phÇn phÇn kh¸c §iÒu khiÓn ch−¬ng tr×nh ®¬n BiÕn ®Çu ra M« h×nh mét M« h×nh mét thµnh phÇn thµnh phÇn M« h×nh mét thµnh phÇn BiÕn ®Çu vµo M« h×nh mét thµnh phÇn BiÕn ®Çu ra M« h×nh mét M« h×nh mét thµnh phÇn thµnh phÇn BiÕn ®Çu vµo BiÕn ®Çu ra §iÒu khiÓn toµn cÇu cña ®−êng dÉn n−íc H×nh 1.4 S¬ ®å cÊu tróc c¸c m« h×nh thuû v¨n (theo Ozga - Zielinska, 1976) Khi chóng ta xem xÐt tiªu chuÈn ph©n lo¹i thø ba lµ gi¸ trÞ nhËn thøc cña m« h×nh th× cã 3 lo¹i kÕt qu¶: 27
(a) nh÷ng m« h×nh dùa trªn c¬ së vËt lý, (b) nh÷ng m« h×nh kh¸i niÖm, (c) nh÷ng m« h×nh xu thÕ. C¸c m« h×nh dùa trªn c¬ së vËt lý mµ trong ®ã nh÷ng quy luËt vËt lý cã tÝnh chñ ®¹o vµ cÊu tróc cña m« h×nh lµ ®−îc nhiÒu ng−êi biÕt ®Õn, vµ ®−îc m« t¶ b»ng c¸c ph−¬ng tr×nh cña vËt lý, to¸n. C¸c m« h×nh kh¸i niÖm ®−îc sö dông khi cÊu tróc cña m« h×nh vµ c¸c quy luËt vËt lý kh«ng ®−îc biÕt hoÆc m« h×nh dùa trªn c¬ së vËt lý qu¸ phøc t¹p ®Õn møc mµ nã thÝch hîp ®Ó ®¬n gi¶n hãa m« h×nh tr¹ng th¸i. C¸c m« h×nh cña sù tÝch tr÷ tuyÕn tÝnh hay kh«ng tuyÕn tÝnh cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i thµnh nh÷ng m« h×nh kh¸i niÖm. §Æc tÝnh cña kÕt qu¶ thu ®−îc hay ®Çu ra cña m« h×nh cã thÓ ph©n lo¹i thµnh ngÉu nhiªn vµ tÊt ®Þnh. NÕu mét vµi biÕn trong m« h×nh to¸n ®−îc xem nh− lµ biÕn ngÉu nhiªn cã ph©n bè x¸c suÊt, ta cã m« h×nh lµ ngÉu nhiªn. NÕu tÊt c¶ c¸c biÕn ®−îc xem nh− lµ kh«ng bÞ biÕn ®æi ngÉu nhiªn khi ®ã m« h×nh lµ tÊt ®Þnh (Clarke, 1973). Tiªu chuÈn ph©n lo¹i thø n¨m “Sù tiÕp cËn ®Ó øng dông vµ nh÷ng ph−¬ng ph¸p gi¶i” trïng lÆp mét phÇn nµo ®ã víi tiªu chuÈn “gi¸ trÞ hiÓu biÕt cña m« h×nh” nh−ng nã giíi thiÖu d−íi mét ng«n ng÷ kh¸c. C¸c hÖ thèng cã thÓ còng ®−îc tham kh¶o nh− nh÷ng hÖ thèng “hép ®en” hoÆc nh÷ng hÖ thèng “hép tr¾ng”, phô thuéc vµo mét trong hai mèi quan hÖ n»m ngang hoÆc th¼ng ®øng nh− trong h×nh 1.5. Mèi quan hÖ n»m ngang hay “lèi vµo hép ®en” nghiªn cøu hÖ thèng nh− mét to¸n tö hÖ thèng mµ nã biÕn ®æi ®Çu vµo thµnh ®Çu ra. “Lèi vµo hép tr¾ng” nh− ®· biÓu thÞ b»ng mèi quan hÖ th¼ng ®øng ý nãi lµ nh÷ng quy luËt vËt lý vµ tù nhiªn cña hÖ thèng ®−îc hiÓu tèt vµ cã thÓ ®−îc tæng hîp vµo trong “phÐp tÝnh hÖ thèng" mµ kh«ng nhê vµo nh÷ng sù quan s¸t cña ®Çu vµo vµ ®Çu ra. Tiªu chuÈn ph©n lo¹i cuèi cïng liªn quan tíi nh÷ng ®Æc tÝnh to¸n häc cña hµm to¸n tö. C¸c m« h×nh cã thÓ ph©n tÝch thµnh tuyÕn tÝnh hay phi tuyÕn, gép l¹i hay ph©n bè vµ cè ®Þnh hay kh«ng cè ®Þnh. Theo Clark (1973), c¸ch dïng th«ng th−êng cña thuËt ng÷ tuyÕn tÝnh cã hai ý nghÜa. M« h×nh lµ tuyÕn tÝnh trong kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n lý thuyÕt cña hÖ thèng, nÕu nguyªn lý 28
cña sù trïng lÆp lµ cã ý nghÜa. Nguyªn lý cña sù trïng lÆp ph¸t triÓn r»ng; nÕu y1(t) vµ y2(t) lµ nh÷ng ®Çu ra cña hÖ thèng t−¬ng øng víi nh÷ng ®Çu vµo x1(t) vµ x2(t) th× t−¬ng øng víi ®Çu vµo lµ x1(t) + x2(t) ta cã ®Çu ra lµ y1(t) + y2(t). §©y lµ c¸ch dïng phæ biÕn nhÊt trong thñy v¨n (Dooge, 1973) ý nghÜa sù thay ®æi trong kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n thèng kª trong c¸ch dïng th«ng th−êng nµy m« h×nh cÇn ph¶i tuyÕn tÝnh trong −íc l−îng nh÷ng tham sè. VÝ dô, nÕu ®Çu ra y cã quan hÖ víi ®Çu vµo x b»ng ph−¬ng tr×nh y + a + bx, m« h×nh lµ tuyÕn tÝnh trong kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n thèng kª nh−ng nguyªn lý cña sù kh«ng trïng lÆp kh«ng kÐo dµi, (nãi c¸ch kh¸c lµ, y1 + y2 ≠ a + b(x1 +x2). Sù phi tuyÕn cña cña chi tiÕt nµy lµ bëi v× b−íc ®Çu ®ã lµ nÐt ®Æc tr−ng chung cña nh÷ng qu¸ tr×nh thñy v¨n vµ lo¹i trõ “nh÷ng hÖ thèng” tuyÕn tÝnh trong nh÷ng m« h×nh thñy v¨n. Nh÷ng m« h×nh toµn thÓ kh«ng ®−a vµo sù tÝnh to¸n tÝnh biÕn thiªn theo kh«ng gian cña nh÷ng ®Çu vµo, ®Çu ra hay tham sè mét c¸ch t−êng minh vµ th−êng ®−îc miªu t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh vi ph©n th−êng hoÆc lµ hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n th−êng. C¸c m« h×nh ph©n bè bao hµm nh÷ng sù biÕn ®æi kh«ng gian trong c¸c gian ®Çu vµo, ®Çu ra vµ c¸c tham sè vµ th−êng gåm cã tËp hîp c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹o hµm riªng quan hÖ víi nhau. To¸n tö tÊt ®Þnh lµ æn ®Þnh nÕu d¹ng cña nã vµ c¸c tham sè lµ kh«ng ®æi theo thêi gian; nÕu ng−îc l¹i lµ kh«ng æn ®Þnh. M« h×nh ngÉu nhiªn lµ æn ®Þnh nÕu nh÷ng ®Æc tÝnh cña nã kh«ng thay ®æi theo thêi gian tuyÖt ®èi. Trong c¸c m« h×nh thñy v¨n, tÝnh kh«ng æn ®Þnh ®−îc t¹o ra bëi c¸c sù biÕn ®æi cã chu kú theo tõng mïa hoÆc bëi sù thay ®æi trong ®Êt sö dông mµ cã thÓ t¹o ra t¸c ®éng chuyÓn tiÕp cña nh÷ng thµnh phÇn thñy v¨n. 1.4 B¶n chÊt ngÉu nhiªn cña qu¸ tr×nh thñy v¨n TËp hîp cña tæng l−îng gi¸ng thñy hµng ngµy s¾p xÕp theo thø tù thêi gian lµ thÝ dô cña chuçi thêi gian. Nh÷ng vÝ dô kh¸c bao gåm: dßng ch¶y hµng ngµy tõ l−u vùc, tæng l−îng bèc tho¸t h¬i hµng ngµy, hay mét vµi sè h¹ng trong ph−¬ng tr×nh (1.1) hoÆc (1.2) cho kho¶ng thêi gian kh«ng ®æi. §Æc ®iÓm quan träng cña c¸c chuçi nµy lµ chóng kh«ng thÓ ®o¸n tr−íc ®−îc. §ã lµ, chóng ta kh«ng thÓ dù b¸o chÝnh x¸c ngµy mai l−îng m−a sÏ lµ bao nhiªu hay cã bao 29
nhiªu dßng ch¶y sÏ xuÊt hiÖn. Chóng ta chØ cã thÓ hy väng m« t¶ cÊu tróc cã thÓ x¶y ra gièng nh− cña qu¸ tr×nh. Nh÷ng chuçi nµy lµ vÝ dô cña c¸c qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn, hay viÖc ph¸t triÓn c¸c qu¸ tr×nh theo thêi gian trong c¸ch kiÓm so¸t b»ng c¸c quy luËt x¸c suÊt. B¶n chÊt ngÉu nhiªn cña c¸c hiÖn t−îng thñy v¨n ®ãng vai trß quan träng trong thñy v¨n øng dông. VÝ dô, trong nghiªn cøu lò lôt ph¶i −íc l−îng hµm ph©n bè cña l−u l−îng ®Ønh lò tr−íc vµ sau khi dù ®Þnh cho c¸c cÊu tróc ®iÒu khiÓn hoÆc viÖc qu¶n lý ®Êt. Nh− thÕ hµm ph©n bè lµ mét vÝ dô cña hµm qu¸ tr×nh dßng ch¶y ngÉu nhiªn. Cã 2 c¸ch ®Ó thu ®−îc nh÷ng hµm nµy: (a) C¸c m« h×nh ngÉu nhiªn dïng phÐp ph©n tÝch hay (b) Dùa theo m« pháng cña Monte Carlo. Trong nh÷ng m« h×nh ph©n tÝch ngÉu nhiªn, qu¸ tr×nh ®−îc xÊp xØ b»ng mét m« h×nh to¸n ®−îc hoµn toµn x¸c ®Þnh kh«ng kÓ nh÷ng gi¸ trÞ th«ng sè mµ cã thÓ ®−îc −íc l−îng tõ c¬ së mét mÉu quan tr¾c. Khi thu ®−îc c¸c gi¸ trÞ tham sè ®ã, biÓu thøc x¸c suÊt ®−îc x¸c ®Þnh ch¾c ch¾n vµ cã thÓ gióp ta dÔ dµng ®−a ra c¸c quyÕt ®Þnh b»ng c¸c kü thuËt ph©n tÝch. C¸c ph−¬ng ph¸p dïng phÐp ph©n tÝch th−êng rÊt ®Ñp, nh−ng ta ph¶i thõa nhËn mét sè gi¶ thiÕt vµ ®¬n gi¶n hãa ®Ó thu ®−îc d¹ng dÔ xö lý to¸n häc. NÕu ®iÒu quan t©m cña qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn lµ hµm phøc t¹p cña qu¸ tr×nh ®Çu vµo, th× sau ®ã hoÆc lµ sö dông sù m« pháng lÞch sö lµ sö dông c¸c sè liÖu quan tr¾c cña c¸c qu¸ tr×nh ®Çu vµo hoÆc lµ sö dông sù m« pháng cña Monte Carlo. Sù m« pháng lÞch sö th× thuËn tiÖn h¬n nh−ng nã cã h¹n chÕ lµ chØ mét chuçi sè liÖu quan tr¾c lµ ®−îc xem xÐt ®Õn, ®iÒu ®ã ch¾c ch¾n sÏ kh«ng ®−îc lÆp l¹i trong t−¬ng lai. Trong sù m« pháng cña Monte Carlo, nh÷ng d·y ®Çu vµo ®−îc m« pháng b»ng viÖc lÊy mÉu ngÉu nhiªn tõ nh÷ng qu¸ tr×nh ®Çu vµo. Chuçi ®Çu ra sau ®ã ®−îc tÝnh to¸n theo nh÷ng quy luËt x¸c ®Þnh thÝch hîp, vµ c¸c ®Æc tÝnh thèng kª cña nh÷ng ®Çu vµo cã thÓ t¹o thµnh mét mÆt b»ng nh− ®−îc yªu cÇu. Ba d¹ng kh«ng ch¾c ch¾n tån t¹i trong c¸c hµm ph©n bè hoÆc c¸c gi¸ trÞ thu ®−îc b»ng kü thuËt m« pháng: (a) Sù kh«ng ch¾c ch¾n cña m« h×nh; 30
(b) sù kh«ng ch¾c ch¾n cña viÖc lÊy mÉu trong viÖc −íc l−îng tham sè, (c) sù m« pháng viÖc lÊy mÉu kh«ng ch¾c ch¾n. §Ó chøng minh nh÷ng d¹ng nµy th× ta xem m« h×nh ngÉu nhiªn cã d¹ng: Y t = Q( X t ; θ ) : t ∈ T , T = (0,1,2...) (1.4) ë ®©y Yt = (y1, ... , yn) lµ ®Çu ra Xt = (x1, ..., xn) lµ ®Çu vµo Q = biÓu thÞ sù biÕn ®æi cña to¸n häc θ = (θ1 θ2 ...) lµ tham sè cña m« h×nh Sù kh«ng ch¾c ch¾n cña m« h×nh ®Ò cËp ®Õn thùc tÕ lµ c¶ c¸c m« h×nh ®Òu lµ sù ®¬n gi¶n hãa cña thùc tÕ vµ nh− vËy nã giíi thiÖu sù bãp mÐo thùc tÕ. V× thÕ chóng ta cã thÓ nãi r»ng chóng ta th−êng xuyªn ph¶i lµm viÖc víi m« ˆ h×nh Q (.), lµ sù xÊp xØ cña mèi quan hÖ chÝnh x¸c Q (.). Nh÷ng tham sè trong m« h×nh ph¶i ®−îc ®¸nh gi¸ tõ sè liÖu vµ cã sù xö lý cña viÖc lÊy mÉu. NÕu chóng ®−îc tÝnh to¸n sö dông trong nh÷ng thêi k× kh¸c nhau cña sè liÖu quan tr¾c th× nh÷ng −íc l−îng sÏ ®¹t kÕt qu¶ kh¸c nhau. V× thÕ sù m« pháng ®−îc tiÕn hµnh viÖc sö dông c¸c tham sè θ 1 , θ 2 ... ®· ®−îc −íc l−îng. Sù biÕn ®æi ˆˆ tham sè nµy x¶y ra thËm chÝ nÕu ta biÕt m« h×nh “®óng”. Cuèi cïng, c¸c hµm ph©n bè thu ®−îc b»ng sù m« pháng cña Monte Carlo, lµ ®¹t ®−îc tõ mÉu h÷u h¹n vµ bëi vËy cã nh÷ng sai sè trong viÖc lÊy mÉu. VÝ dô, ®Ó cho: F(z) = P (Yt < z) (1.5) Trong sù m« pháng cña Monte Carlo, n gi¸ trÞ cña Yt sÏ ®−îc sinh ra vµ ˆ ˆ F(z ) sÏ ®−îc −íc l−îng b»ng nz/n, ë ®©y nz, lµ sè lÇn sao cho Y(t) < z, F(z ) cã sù thay ®æi trong viÖc lÊy mÉu phô thuéc n thËm chÝ nÕu Q vµ θ ®· biÕt ch¾c ch¾n. C¸c m« h×nh ngÉu nhiªn trong thñy v¨n sÏ ®−îc th¶o luËn chi tiÕt trong ch−¬ng 2. 31
1.5 C¸c m« h×nh thñy v¨n lµ nh÷ng thµnh phÇn cña c¸c m« h×nh hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. MÆc dï lµ nh÷ng m« h×nh rÊt cÇn thiÕt ®Ó hiÓu biÕt hiÖn t−îng thñy v¨n, nh−ng trong kü thuËt x©y dùng chóng ta quan t©m ®Õn c¸c m« h×nh nh− nh÷ng dông cô ®Ó sö dông trong nh÷ng xö lý tèi −u cña hÖ thèng, vÒ qu¶n lý n−íc, hay thiÕt kÕ vµ thi c«ng c«ng tr×nh l−u vùc nµo ®ã, hay trong viÖc ®Ò ra c¸c chÝnh s¸ch c«ng céng. Trong tr−êng hîp nµy, c¸c m« h×nh thñy v¨n cña c¸c l−u vùc nhá chØ lµ nh÷ng thµnh phÇn trong c¸c m« h×nh hîp nhÊt cña hÖ thèng tµi nguyªn n−íc. Kh¸i niÖm vÒ hÖ thèng tµi nguyªn n−íc rÊt bao qu¸t. Nã cã thÓ bao gåm mäi thø tõ nh÷ng tr−êng riªng biÖt ®Õn nh÷ng l−u vùc s«ng lín víi nhiÒu ®Ëp, vµ c¸c cÊu tróc kh¸c. HÖ thèng tµi nguyªn n−íc ®−îc ®Þnh nghÜa nh− mét vµi hÖ thèng, bao gåm: vËn chuyÓn, tÝch tr÷, vµ biÕn ®æi trong nh÷ng ®Æc tÝnh (nhiÖt ®é, hay c¸c yÕu tè l¬ löng vµ hßa tan) cña n−íc. §Çu vµo hÖ thèng bao gåm nh÷ng ®Çu vµo kiÓm so¸t ®−îc nh− bån thu vµ c¸c vËt chÊt bao gåm n−íc theo kh«ng gian vµ thêi gian, hoÆc chÊt l−îng cña n−íc th× cã gi¸ trÞ trong x· héi cao, ë trong tr¹ng th¸i tù nhiªn. Bëi v× nãi chung cã sù kÕt hîp mét l−îng v« h¹n nh÷ng biÕn ®Çu vµo vµ biÕn ®Çu ra, cÇn cã mét vµi tiªu chuÈn cÇn thiÕt ®Ó chän tËp hîp tèt nhÊt. C¸c tiªu chuÈn chung nhÊt ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: c¸c gi¸ trÞ ®Çu vµo sÏ ®−îc chän ®Ó cho tÝnh tréi cña chóng bÞ ¶nh h−ëng bëi hÖ thèng lµ lín nhÊt vµ nã ®−îc gäi lµ tiªu chuÈn phóc lîi x· héi. V× vËy, nh÷ng m« h×nh cña c¸c hÖ thèng tµi nguyªn n−íc kh«ng chØ ®ßi hái gåm nh÷ng m« h×nh thñy v¨n, sinh vËt vµ nh÷ng hÖ thèng vËt lý mµ cßn ®ßi hái c¸c m« h×nh m« t¶ tËp hîp hµnh vi vµ së thÝch cña con ng−êi. Khoa häc x· héi trong kinh tÕ cã liªn quan víi thµnh phÇn sau cïng vµ hiÓn nhiªn lµ ë ngoµi ph¹m vi cña tµi liÖu nµy. §éc gi¶ cã thÓ tham kh¶o nh÷ng tµi liÖu nh− Mass (1962), ®©y lµ nh÷ng tµi liÖu thÝch hîp ®Ó th¶o luËn chñ ®Ò vÒ m« h×nh l−u vùc nh−ng kh«ng thÓ xem xÐt trong tµi liÖu nµy. MÆc dï tiªu chuÈn b¶o vÖ x· héi d−êng nh− rÊt trõu t−îng, nh−ng nã lµ c¸i chung ®ñ ®Ó ¸p dông cho nh÷ng quyÕt ®Þnh ®−îc lµm ra bëi c¸c c¸ nh©n. VÝ dô, gi¶ sö r»ng mét hå chøa n−íc mÆt ®−îc x©y dùng cho mét n«ng tr¹i riªng biÖt. NÕu ng−êi n«ng d©n tr¶ hoµn toµn chi phÝ vµ nh÷ng ng−êi kh¸c kh«ng bÞ ¶nh h−ëng bÊt lîi, th× tiªu chuÈn phóc lîi x· héi ph¸t triÓn ®¬n gi¶n lµ hÖ 32
thèng nªn ®−îc thiÕt kÕ ®Ó mµ lµm t¨ng cao nhÊt lîi Ých thùc cho ng−êi n«ng d©n (gi¶ thiÕt thÞ tr−êng tù do ®Æt gi¸ cho ®Çu vµo vµ mïa mµng). NÕu c¶ gi¸ c¶ vµ lîi Ých cã thÓ ®−îc ph¸t biÓu trong mèi quan hÖ tiÒn tÖ, th× tiªu chuÈn nµy gi¶m ®Õn tiªu chuÈn t¨ng tuyÖt ®èi lîi nhuËn gia ®×nh. HÇu hÕt c¸c hÖ thèng tµi nguyªn n−íc cã sù t¸c ®éng tõ bªn ngoµi, nãi c¸ch kh¸c lµ nh÷ng hoµn c¶nh mµ nh÷ng ho¹t ®éng bëi mét quyÕt ®Þnh cña mét ng−êi cã lîi hay bÊt lîi ®èi víi ng−êi kh¸c. D−íi nh÷ng hoµn c¶nh nµy, viÖc thiÕt kÕ lµ khã h¬n, th−êng bao gåm qu¸ tr×nh qu¶n lý nhµ n−íc. C¸c m« h×nh cña hÖ thèng l−u vùc cã thÓ sau ®ã cã lîi cho nh÷ng ng−êi thµnh lËp chÝnh s¸ch cña chÝnh phñ. ThiÕt kÕ c¸c cÊp qu¶n lý. N«ng nghiÖp lµ mét vÝ dô quan träng trong ®ã viÖc lµm m« h×nh cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ hay so s¸nh ho¹t ®éng qu¶n lý tèt nhÊt. C¶ thiÕt kÕ cña c¸c dù ¸n n−íc c¸ nh©n lÉn sù x©y dùng chÝnh s¸ch cña chÝnh phñ gi¶i quyÕt vÊn ®Ò n−íc ®Òu cã thÓ sö dông mét c¸ch hiÖu qu¶ sù tiÕp cËn c¸c hÖ thèng nµy. 1.6 C¸ch tiÕp cËn c¸c hÖ thèng ThuËt ng÷ “C¸ch tiÕp cËn c¸c hÖ thèng” ®· lµ mét phÇn cña tµi liÖu nghiªn cøu vÒ tµi nguyªn n−íc vµ thñy v¨n cho thêi ®o¹n trªn 10 n¨m vµ nh÷ng gîi ý nµy, nãi chung ®−îc hiÓu tèt. C¸ch tiÕp cËn hÖ thèng cho mét vÊn ®Ò gåm 3 b−íc. 1. M« t¶ hÖ thèng 2. M« t¶ hµm môc ®Ých 3. Tèi −u ho¸ hÖ thèng B−íc ®Çu tiªn, nh− võa míi ®−îc th¶o luËn, hiÓn nhiªn lµ quan träng nhÊt. Nã bao gåm viÖc lµm m« h×nh hÖ thèng l−u vùc. NÕu nh÷ng m« h×nh to¸n m« t¶ hÖ thèng ch−a hoµn chØnh hay bÞ bãp mÐo mét c¸ch tåi tÖ th× viÖc thùc hiÖn c¸c ph−¬ng ¸n cã lÏ lµ hoµn toµn kh«ng ®óng. B−íc thø hai, chän hµm môc ®Ých, còng rÊt quan träng, sù lùa chän th« cã thÓ ®−a ®Õn kÕt qu¶ v« lý kÓ c¶ khi sù miªu t¶ hÖ thèng vµ nh÷ng kü thuËt tèi −u lµ ®ång nhÊt. 33
B−íc cuèi cïng, tèi −u ho¸ ®−îc ®ßi hái nÕu trong thùc tÕ hÖ thèng trë nªn “tèt nhÊt” trong mét vµi kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n. Trong khi sù hiÓu biÕt cña ng−êi x©y dùng m« h×nh cã thÓ ®−îc sö dông trong tèi −u ho¸, nã lµ cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh to¸n häc thuÇn tuý vµ kh«ng ®ãng gãp trùc tiÕp vµo c¸c lý thuyÕt thñy v¨n. B−íc ®Çu tiªn lµ sù m« t¶ hÖ thèng sÏ bao trïm trong suèt tµi liÖu nµy. Hai b−íc tiÕp theo sÏ kh«ng ®−îc xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt nh− vËy. 1.7 ThiÕt kÕ Nh÷ng ng−êi thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng tµi nguyªn n−íc lµ ng−êi sö dông chñ yÕu c¸c m« h×nh l−u vùc. C¸c bµi to¸n cña thiÕt kÕ cã thÓ ®−îc chia thµnh 3 nhãm: 1. Nh÷ng bµi to¸n thiÕt kÕ h¹n dµi 2. Nh÷ng bµi to¸n h¹n trung b×nh 3. Bµi to¸n h¹n ng¾n hay thñ tôc ®iÒu hµnh ThiÕt kÕ cña hÖ chøa nhiÒu môc ®Ých lµ bµi to¸n thiÕt kÕ h¹n dµi. Nguån ®Çu t− chÝnh ph¶i ®−îc lµm sím h¬n trong thêi gian tån t¹i cña dù ¸n vµ c¸c lîi Ých sÏ thu ®−îc trong mét thêi gian dµi cã thÓ 50 n¨m hoÆc h¬n thÕ. VÝ dô cña bµi to¸n h¹n trung b×nh lµ l−îng n−íc nµo ®ã trong kho n−íc cña hÖ thèng hå chøa, cÇn ®−a ra sù kÕt hîp nµo cña c©y trång cÇn t−íi vµ c©y trång ®Êt kh« nªn ®−îc trång vµo n¨m tíi? VÝ dô cña bµi to¸n h¹n ng¾n lµ cã bao nhiªu n−íc ®−îc gi¶i phãng tõ hå chøa kiÓm so¸t lò lôt vµo ngµy mai? Mçi bµi to¸n nµy ®ßi hái viÖc x©y dùng m« h×nh thñy v¨n. Nghiªn cøu h¹n dµi ®ßi hái th«ng tin dùa trªn nh÷ng dßng ch¶y vµo trong hå chøa vµ nh÷ng nhu cÇu sö dông n−íc. NÕu cã sè liÖu quan tr¾c, c¸c m« h×nh ngÉu nhiªn cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó t¹o ra tËp hîp cña ®Çu vµo, tõ ®ã cã thÓ ph¸t triÓn nh÷ng −íc l−îng sù tin cËy cña hiÖu suÊt hå chøa víi c¸c dung tÝch hå chøa kh¸c nhau. L−u vùc nhá th−êng kh«ng cã chuçi sè liÖu quan tr¾c dµi, tuy vËy nh÷ng m« h×nh l−u vùc hîp nhÊt cã thÓ ®−îc sö dông trong sù liªn kÕt gi÷a sè liÖu quan tr¾c gi¸ng thñy ®Ó −íc l−îng dßng ch¶y ®Çu vµo. 34