Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 1

Chia sẻ: Nguyệt Nguyệt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:474

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 1 gồm có 7 chương như sau: Chương 1 mô hình hóa thủy văn lưu vực nhỏ; chương 2 các mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn; chương 3 giáng thủy; chương 4 quá trình thấm; chương 5 dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển; chương 6 quá trình bốc thoát hơi nước; chương 7 dòng chảy sát mặt và hệ thống nước ngầm. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 1

§¹i häc quèc gia hµ néi C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek M« h×nh to¸n thñy v¨n l−u vùc nhá Ng−êi dÞch: NguyÔn Thanh S¬n hiÖu ®Ýnh: TrÇn Ngäc Anh Hµ néi – 2003
Môc lôc Lêi ng−êi dÞch .......................................................................................... 7 Lêi giíi thiÖu ........................................................................................... 9 CÊu tróc cuèn s¸ch .............................................................................. 11 Lêi c¸m ¬n ................................................................................................. 13 Ch−¬ng 1: M« h×nh ho¸ thuû v¨n l−u vùc nhá ...................... 15 1.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 17 1.2 Vßng tuÇn hoµn thñy v¨n vµ c¸c 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 nh− 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 Ch−¬ng 2: C¸c m« h×nh ngÉu nhiªn trong thuû v¨n ........... 39 2.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 41 2.2 Vai trß cña c¸c m« h×nh ngÉu nhiªn trong m« h×nh ho¸ l−u vùc ............ 43 2.3 C¸c ®Æc tr−ng thèng kª cña chuçi thuû v¨n thêi gian............................. 44 2.4 C¸c m« h×nh ngÉu nhiªn........................................................................... 59 2.5 C¸c m« h×nh bé nhí ng¾n ......................................................................... 60 2.6 C¸c m« h×nh bé nhí dµi ............................................................................ 74 2.7 So s¸nh c¸c m« h×nh bé nhí ng¾n vµ bé nhí dµi ..................................... 82 2.8 C¸c qu¸ tr×nh h×nh thµnh sè liÖu ngµy .................................................... 83 2.9 C¸c qu¸ tr×nh ph©n r·............................................................................... 89 2.10 C¸c m« h×nh hçn hîp .............................................................................. 92 2.11 Nh÷ng vÊn ®Ò th−êng gÆp víi c¸c m« h×nh thñy v¨n ngÉu nhiªn ........ 97 2.12 Lùa chän m« h×nh ................................................................................... 100 2.13 ¦íc l−îng c¸c tham sè ............................................................................ 102 2.14 Tãm t¾t .................................................................................................... 124 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 125
Ch−¬ng 3: Gi¸ng thuû .......................................................................... 135 3.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 137 3.2 L−îng m−a ................................................................................................ 138 3.3 M« h×nh l−îng m−a ................................................................................... 149 3.4 L−îng m−a - mét phÇn cña c¸c m« h×nh thñy v¨n .................................. 161 3.5 TuyÕt trong m« h×nh ho¸ l−u vùc nhá...................................................... 171 3.6 M« h×nh tuyÕt tan ..................................................................................... 176 3.7 L−îng tuyÕt tan trong c¸c m« h×nh thñy v¨n .......................................... 186 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 190 Ch−¬ng 4: Qu¸ tr×nh thÊm ................................................................ 205 4.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 207 4.2 M« t¶ chung............................................................................................... 208 4.3 Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n.................................................................................. 211 4.4 Nh÷ng c¸ch gi¶i ph−¬ng tr×nh Richard.................................................... 216 4.5 C¸c nh©n tè ¶nh h−ëng tíi thÊm.............................................................. 218 4.6 C¸c m« h×nh thÊm gÇn ®óng .................................................................... 234 4.7 C¸c ph−¬ng ph¸p sè trÞ ............................................................................. 258 4.8 Tæng kÕt..................................................................................................... 269 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 270 Ch−¬ng 5: Dßng ch¶y mÆt, tÝch tr÷ vµ vËn chuyÓn ............. 281 5.1 C¸c tiÕp cËn m« h×nh l−u vùc s«ng........................................................... 284 5.2 Kh¸i niÖm ho¸ c¸c thµnh phÇn................................................................. 286 5.3 Sù ph¸t triÓn ®−êng qu¸ tr×nh n−íc......................................................... 292 5.4 ThuyÕt dßng ch¶y trµn.............................................................................. 301 5.5 Dßng ch¶y trµn tr¹ng th¸i æn ®Þnh........................................................... 315 5.6 M« pháng dßng ch¶y mÆt víi c¸c m« h×nh th«ng sè tËp trung................ 330 5.7 C¸c m« h×nh liªn kÕt ................................................................................ 349 5.8 M« h×nh l−u vùc dßng ch¶y mÆt th«ng sè ph©n phèi............................... 357 5.9 Lùa chän m« h×nh vµ mèi quan hÖ gi÷a c¸c thµnh phÇn ........................ 360 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 364 Ch−¬ng 6: Qu¸ tr×nh bèc tho¸t h¬i n−íc .................................. 369 6.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 371 6.2 TriÓn väng ................................................................................................. 372 6.3 Nguyªn lý cña bèc tho¸t h¬i ..................................................................... 374 6.4 C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu qu¸ tr×nh bèc tho¸t h¬i n−íc tiÒm n¨ng .. 378 6.5 Qu¸ tr×nh bèc tho¸t h¬i n−íc cña c©y....................................................... 403 6.6 Qu¸ tr×nh bèc h¬i n−íc trong ®Êt ............................................................. 414 6.7 C¸c ph−¬ng ph¸p bèc tho¸t h¬i thùc tÕ.................................................... 415 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 426
Ch−¬ng 7: Dßng ch¶y s¸t mÆt vµ hÖ thèng n−íc ngÇm....... 443 7.1 Giíi thiÖu c¸c kh¸i niÖm ........................................................................... 445 7.2 Lý thuyÕt dßng ch¶y s¸t mÆt .................................................................... 450 7.3 Lý thuyÕt dßng ch¶y s¸t mÆt vµ c¸c nç lùc m« h×nh hãa l−u vùc ........... 458 7.4 X©y dùng m« h×nh kinh nghiÖm cña n−íc s¸t mÆt .................................. 461 7.5 C¸c ph−¬ng ph¸p tiÕp cËn ngÉu nhiªn..................................................... 463 7.6 N−íc s¸t mÆt vµ m« h×nh hãa l−u vùc nhá .............................................. 466 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 468 Ch−¬ng 8: M« h×nh ho¸ c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn ...................... 479 8.1 Giíi thiÖu vÒ hÖ thèng xãi mßn – båi l¾ng cña c¸c l−u vùc nhá .............. 481 8.2 M« h×nh ho¸ xãi mßn vïng ®Êt cao........................................................... 493 8.3 ¦íc l−îng xãi mßn b»ng ph−¬ng tr×nh mÊt ®Êt th«ng dông ................... 505 8.4 ¦íc l−îng s¶n l−îng bïn c¸t víi ph−¬ng tr×nh mÊt ®Êt biÕn ®æi ............ 510 8.5 C¸c m« h×nh c¬ b¶n ................................................................................... 512 8.6 C¸c qu¸ tr×nh liªn r·nh ............................................................................ 514 8.7 C¸c qu¸ tr×nh xãi mßn r·nh...................................................................... 529 8.8 C¸c qu¸ tr×nh lßng dÉn ............................................................................. 568 8.9 C¸c qu¸ tr×nh ®Ëp d©ng ............................................................................ 583 8.10 T−¬ng t¸c gi÷a m« h×nh xãi mßn vµ m« h×nh thñy v¨n......................... 587 8.11 Mét sè vÝ dô m« h×nh xãi mßn ................................................................ 594 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 599 C¸c ký hiÖu ................................................................................................... 610 Ch−¬ng 9: M« h×nh chÊt l−îng n−íc ®Êt n«ng nghiÖp .. 621 9.1 Giíi thiÖu................................................................................................... 623 9.2 M« h×nh ho¸ .............................................................................................. 625 9.3. C¸c qu¸ tr×nh vËn chuyÓn........................................................................ 633 9.4. C¸c thµnh phÇn hãa häc .......................................................................... 635 9.5. C¸c m« h×nh kÕt hîp ................................................................................ 648 9.6. Ph¸t triÓn m« h×nh................................................................................... 651 9.7. Tæng kÕt.................................................................................................... 652 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 653 Ch−¬ng 10: Mét sè m« h×nh l−u vùc s«ng ®iÓn h×nh ........... 667 10.1 CÊu tróc m« h×nh .................................................................................... 669 10.2 C¸c ®Æc ®iÓm m« h×nh l−u vùc s«ng ....................................................... 671 10.3 M« h×nh l−u vùc s«ng Stanford .............................................................. 674 10.4 M« h×nh l−u vùc s«ng USDA HL-74 ...................................................... 680 10.4 M« h×nh l−u vùc s«ng SCS TR-20........................................................... 685 10.5 M« h×nh SSARR ...................................................................................... 690 10.6 So s¸nh c¸c m« h×nh ............................................................................... 696
10.7 C¸c m« h×nh tham sè ph©n phèi............................................................. 697 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 703 Ch−¬ng 11: Lùa chän, hiÖu chØnh vµ kiÓm chøng c¸c m« h×nh thuû v¨n .......................................................... 709 11.1 Giíi thiÖu................................................................................................. 711 11.2 Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña lùa chän m« h×nh............................................... 712 11.3 C¸c b−íc so s¸nh c¸c m« h×nh sè ............................................................ 714 11.4 Nh÷ng vÊn ®Ò trong chiÕn l−îc m« h×nh hãa ......................................... 716 11.5 C¸c vÊn ®Ò kh¸i qu¸t hãa m« h×nh......................................................... 720 11.6 C¸c vÊn ®Ò cÊu tróc m« h×nh .................................................................. 724 11.7 C¸c vÊn ®Ò hiÖu chØnh m« h×nh .............................................................. 725 11.8 C¸c vÊn ®Ò thö nghiÖm vµ kiÓm chøng m« h×nh ................................... 731 11.9 C¸c vÊn ®Ò ph¸t triÓn m« h×nh ............................................................... 733 11.10 Tr×nh diÔn vµ kÕt nèi kÕt qu¶ m« h×nh ................................................ 735 11.11 Tæ chøc hiÖu chØnh m« h×nh ................................................................. 736 11.12 Nh÷ng hç trî hiÖu chØnh b»ng ®å gi¶i.................................................. 744 11.13 Nh÷ng hç trî hiÖu chØnh b»ng sè trÞ .................................................... 746 11.14 C¸ch tiÖm cËn hÖ thèng ®èi víi hiÖu chØnh vµ kiÓm chøng ................. 755 11.15 Minh häa c¸c thñ tôc hiÖu chØnh .......................................................... 761 11.16 Tãm t¾t .................................................................................................. 766 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 766 Ch−¬ng 12: øng dông vµ lùa chän c¸c m« h×nh thuû v¨n 771 12.1 Giíi thiÖu................................................................................................. 773 12.2 C¸c øng dông cña m« h×nh ..................................................................... 780 12.3 C¸c ph−¬ng ph¸p lùa chän m« h×nh ....................................................... 802 Tµi liÖu tham kh¶o ...................................................................................... 813 Ch−¬ng 13: C¸c m« h×nh hiÖn cã ..................................................... 825
Giíi thiÖu N¨m 1974 Howard P. Johnson gîi ý r»ng cÇn ph¶i cã mét cuèn s¸ch dµnh cho m« h×nh ho¸ thuû v¨n thÝch hîp cho viÖc sö dông trong c¸c kho¸ ®µo t¹o sau ®¹i häc. Nh÷ng tranh luËn theo ý t−ëng vÒ mét chuyªn kh¶o theo chñ ®Ò nµy sau ®ã ®· ®−îc ph¸t triÓn. Héi th¶o thuû v¨n ASAE SW-217, c¸c qu¸ tr×nh thuû lùc l−u vùc vµ vËn chuyÓn lµ nh÷ng nÐt chÝnh cho sù ph¸t triÓn mét chuyªn kh¶o mµ ®· ®−îc h×nh thµnh s¬ bé b¾t ®Çu tõ n¨m 1975 d−íi sù l·nh ®¹o cña Howard P. Johnson. §Ò c−¬ng cña chuyªn kh¶o ®−îc ASAE chÊp thuËn vµ b¾t ®Çu ph¸c ho¹ nh÷ng nÐt chÝnh, lùa chän c¸c t¸c gi¶ cho c¸c ch−¬ng vµ sau ®ã h×nh thµnh nªn cuèn s¸ch. Ngoµi t«i ra tham gia biªn tËp cuèn s¸ch cßn cã Howard P. Johnson vµ Don Brakensiek. ViÖc lùa chän t¸c gi¶ cho c¸c ch−¬ng vµ thèng nhÊt gi÷a chóng thùc ra lµ c«ng viÖc ®¬n gi¶n h¬n dù ®o¸n. Chóng t«i ®· cùc kú may m¾n khi nh÷ng t¸c gi¶ cña c¸c ch−¬ng ®Òu ®−îc xem nh− lµ nh÷ng chuyªn gia cù ph¸ch trong m« h×nh ho¸ thuû v¨n l−u vùc nhá. Mçi mét ch−¬ng cña cuèn s¸ch ®Òu ®−îc so¹n th¶o bëi nh÷ng nhµ thñy v¨n häc hµng ®Çu ®· tõng cã rÊt nhiÒu n¨m nghiªn cøu vÒ lÜnh vùc mµ hä biªn so¹n. Môc ®Ých cña cuèn s¸ch nµy lµ tËp hîp l¹i trong mét chuyªn kh¶o nh÷ng suy nghÜ míi nhÊt vÒ m« h×nh ho¸ c¸c khÝa c¹nh kh¸c nhau cña chu tr×nh thuû v¨n trªn l−u vùc nhá. Mét l−u vùc nhá lµ mét l−u vùc mµ chu tr×nh thuû v¨n diÔn ra trªn ®Êt (pha ®Êt) chiÕm −u thÕ h¬n so víi qu¸ tr×nh x¶y ra trong kªnh dÉn (pha s«ng ngßi). V× vËy m« h×nh ho¸ c¸c l−u vùc n«ng nghiÖp vµ ®Êt hoang ®−îc nhÊn m¹nh h¬n. C¸c vÊn ®Ò nµy ®· ®−îc nh¾c ®Õn mét c¸ch t¶n m¹n trong nhiÒu cuèn s¸ch, b¸o c¸o vµ t¹p chÝ tr−íc ®©y. Vµ ng−êi ta mong muèn tr×nh bµy vµi møc ®é phøc t¹p cña viÖc m« h×nh ho¸ cho mçi thµnh phÇn cña 9
chu tr×nh thñy v¨n. ë ®©y tr×nh bµy c¸c xö lý lý thuyÕt kÌm theo mét sè møc ®é kh¸c nhau cña viÖc ®¬n gi¶n ho¸ nã. Cuèn s¸ch nµy cã thÓ xem lµ mét gi¸o tr×nh cho c¸c sinh viªn ®¹i häc vµ còng lµ tµi liÖu tham kh¶o cho c¸c nhµ nghiªn cøu muèn n©ng cao tr×nh ®é vÒ m« h×nh ho¸ thñy v¨n. Nã còng cã thÓ lµ tµi liÖu tham kh¶o gi¸ trÞ vµ lµ s¸ch nguån cho c¸c nhµ t− vÊn vµ nh÷ng ai sö dông c¸c m« h×nh thñy v¨n ®Ó gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò tµi nguyªn n−íc. 10
CÊu tróc cuèn s¸ch Cuèn s¸ch nµy bao gåm 13 ch−¬ng, ®−îc b¾t ®Çu víi ch−¬ng giíi thiÖu vÒ luËn thuyÕt m« h×nh hãa vµ ph©n tÝch hÖ thèng. TiÕp theo lµ ch−¬ng vÒ m« h×nh ngÉu nhiªn trong thñy v¨n. B¶y ch−¬ng sau ®ã m« t¶ c¸c m« h×nh vÒ c¸c thµnh phÇn cña chu tr×nh thñy v¨n trªn c¸c l−u vùc nhá. Chóng bao gåm gi¸ng thñy; thÊm vµ ng¨n gi÷ bëi thùc vËt; dßng ch¶y mÆt, tÝch tr÷ vµ vËn chuyÓn; bèc tho¸t h¬i; dßng ch¶y s¸t mÆt vµ c¸c hÖ thèng n−íc ngÇm; xãi lë; vµ c¸c qu¸ tr×nh vËn chuyÓn hãa häc. B¶y ch−¬ng nµy tr×nh bµy c¸c mèi quan hÖ vËt lý c¬ b¶n ¶nh h−ëng ®Õn dßng ch¶y vµ c¸c qu¸ tr×nh tÝch tr÷, vµ trªn c¬ së ®ã bµn luËn vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó m« h×nh hãa c¸c qu¸ tr×nh nµy. Nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy cã thÓ lµ c¸c ph−¬ng ph¸p lý thuyÕt hoµn chØnh hoÆc lµ c¸c ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm gÇn ®óng ®¬n gi¶n h¬n. C¸c −u ®iÓm vµ nh−îc ®iÓm, yªu cÇu vÒ sè liÖu ®Çu vµo vµ c¸c xÊp xØ trong mçi ph−¬ng ph¸p m« h×nh hãa còng ®−îc th¶o luËn kü l−ìng trong tõng ch−¬ng. Mét ch−¬ng m« t¶ c¸ch cÊu tróc cña vµi lo¹i m« h×nh l−u vùc b»ng viÖc kÕt hîp c¸c yÕu tè tõ c¸c m« h×nh thµnh phÇn. C¸c m« h×nh tiªu biÓu ®¹i diÖn cho mét sè lín c¸c m« h×nh t−¬ng tù nã sÏ ®−îc m« t¶ chi tiÕt h¬n. Mét vµi cÊp ®é m« h×nh hãa còng ®−îc tr×nh bµy ë ®©y. Hai ch−¬ng ®−îc dµnh cho viÖc lùa chän, hiÖu chØnh vµ sö dông c¸c m« h×nh l−u vùc. C¸c c¸ch tiÕp cËn ®Ó lùa chän vµ hiÖu chØnh m« h×nh còng ®−îc ®−a ra trong c¸c ch−¬ng nµy. Sö dông c¸ch tiÕp cËn nµo sÏ phô thuéc vµo øng dông cña m« h×nh còng nh− yªu cÇu vÒ ®é chÝnh x¸c. Ch−¬ng cuèi cïng lµ mét b¶n liÖt kª c¸c m« h×nh ®ang ®−îc sö dông, bao gåm mét danh s¸ch c¸c m« h×nh s½n cã, kh¶ n¨ng cña chóng, c¸c yªu cÇu vÒ sè liÖu, vµ c¸c nguån th«ng tin liªn quan. 11
Ban ®Çu chóng t«i dù dÞnh sö dông mét hÖ ký hiÖu thèng nhÊt trong toµn bé cuèn s¸ch, vµ ban biªn tËp còng ®· cè g¾ng ®−a vÒ mét danh s¸ch ký hiÖu chung, nh−ng sau ®ã chóng t«i ®· nhanh chãng nhËn ra r»ng ®iÒu ®ã chØ g©y thªm nhiÒu sù x¸o trén vµ hiÓu nhÇm h¬n lµ nhËn ®−îc sù râ rµng nh− mong muèn. V× vËy ý t−ëng vÒ bé ký hiÖu thèng nhÊt ®· ®−îc bá qua vµ cho phÐp sö dông c¸c ký hiÖu Ýt tiªu chuÈn h¬n nh−ng phï hîp víi c¸c chuyªn ®Ò nghiªn cøu. HÖ ®¬n vÞ SI ®−îc sö dông ë ®©y. 12
Lêi c¶m ¬n §Ó hoµn thµnh cuèn s¸ch nµy nhÊt thiÕt ph¶i cã sù nç lùc céng t¸c cña rÊt nhiÒu ng−êi. Howard P. Johnson xøng ®¸ng víi sù tr©n träng cña tÊt c¶ chóng ta cho viÖc x©y dùng ý t−ëng cuèn s¸ch, gióp ®ì ®Ó nhËn ®−îc sù x¸c nhËn cña ASAE, hç trî viÖc h×nh thµnh cuèn s¸ch vµ ®ång thêi còng lµ mét trong c¸c chñ biªn. Don Brakensiek còng ®· cèng hiÕn rÊt nhiÒu gian ®Ó ph¶n biÖn c¸c ch−¬ng víi vai trß nhµ biªn tËp vµ còng lµ ®ång t¸c gi¶ cña ch−¬ng ®Çu tiªn. Charles Onstad vµ Héi th¶o ASAE SW-217 lµ nh÷ng ®ãng gãp ®Çu tiªn cho cuèn s¸ch. Mét vµi chuyªn ®Ò trong héi th¶o ®−îc dµnh cho viÖc cung cÊp c¸c h−íng dÉn vµ khuyÕn khÝch sö dông m« h×nh. Héi th¶o thñy v¨n SW-212 vµ SW-215 lµ nh÷ng ®ãng gãp tiÕp theo vµo chuyªn kh¶o nµy. Chóng t«i tr©n träng ghi nhËn sù hç trî cña héi ®ång chuyªn kh¶o ASAE vµ cña James Basselman. NhiÒu thµnh viªn trong vµ ngoµi ASAE còng ®· tham gia vµo cuèn s¸ch nh− lµ nh÷ng nhµ ph¶n biÖn cña rÊt nhiÒu ch−¬ng. Nh÷ng b×nh luËn cña hä ®· cã c«ng rÊt lín trong viÖc n©ng cao chÊt l−îng cña cuèn s¸ch vµ gióp chóng t«i lo¹i bá ®−îc rÊt nhiÒu nh÷ng phÇn mµ cã thÓ g©y ra sù hiÓu sai ý ®å thÓ hiÖn. Chóng t«i tr©n träng c¸m ¬n c¸c lêi b×nh vµ gîi ý “sau hËu tr−êng” cña hä. TÊt nhiªn, khèi l−îng lín c«ng viÖc nµy lµ cã sù gãp c«ng søc cña 13 céng t¸c viªn c¸c ch−¬ng, vµ 15 ®ång t¸c gi¶, nh÷ng ng−êi ®· dµnh rÊt nhiÒu thêi gian ®Ó cho ra ®êi mét cuèn s¸ch cã chÊt l−îng. T«i kh«ng thÓ bµy tá hÕt sù kÝnh träng cña m×nh b»ng lêi ®èi víi nh÷ng ®ãng gãp cña hä. Nh÷ng ng−êi nµy ®· nhËn ®−îc sù ®Òn ®¸p kh«ng tÝnh b»ng tiÒn cho nh÷ng c«ng viÖc mµ hä ®· lµm. PhÇn th−ëng cña hä chÝnh lµ thùc tÕ r»ng hä ®· t¹o nªn mét s¶n phÈm cã Ých, vµ ®ãng gãp m·i cho lÜnh vùc m« h×nh hãa thñy v¨n. C. T. Haan 13
Lêi ng−êi dÞch Trong nghiªn cøu thñy v¨n häc nãi chung viÖc nghiªn cøu, khai th¸c c¸c m« h×nh to¸n ngµy cµng ®ãng mét vai trß v« cïng quan träng. §Æc biÖt hiÖn nay, khi mµ c¸c ho¹t ®éng d©n sinh kinh tÕ ®ang cã nh÷ng t¸c ®éng m¹nh mÏ ®Õn c¸c l−u vùc ®Çu nguån th× viÖc nghiªn cøu sù h×nh thµnh dßng ch¶y, m« pháng nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý diÔn ra trªn c¸c l−u vùc trong ®iÒu kiÖn thiÕu sè liÖu quan tr¾c sÏ cung cÊp cho c¸c nhµ qu¶n lý, c¸c nhµ ho¹ch ®Þnh chÝnh s¸ch nh÷ng th«ng tin v« cïng bæ Ých nh»m ®¸nh gi¸, quy ho¹ch, kiÓm so¸t vµ h¹n chÕ c¸c thiÖt h¹i do c¸c tai biÕn thiªn nhiªn nh− lò lôt, xãi lë - tr−ît ®Êt, « nhiÔm nguån n−íc… g©y ra. Trong bèi c¶nh c«ng nghÖ th«ng tin ph¸t triÓn vò b·o, c¸c m« h×nh to¸n thñy v¨n v× thÕ còng ®ang h×nh thµnh nªn nhiÒu h−íng ph¸t triÓn, khai th¸c tèi ®a c¸c kh¶ n¨ng to lín cña m¸y tÝnh ®iÖn tö vµ x©m nhËp vµo mäi lÜnh vùc nghiªn cøu b»ng nhiÒu con ®−êng kh¸c nhau. ë n−íc ta hiÖn ch−a cã mét tµi liÖu chuyªn kh¶o nµo cã kh¶ n¨ng hÖ thèng hãa l¹i toµn bé c¸c c¸ch tiÕp cËn m« h×nh hãa theo b¶n chÊt vËt lý cña c¸c hiÖn t−îng thñy v¨n, v× thÕ kh«ng chØ ng−êi sö dông ®· gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n khi lùa chän m« h×nh cho c¸c øng dông cô thÓ còng nh− viÖc nghiªn cøu, mµ c¶ c¸c nhµ nghiªn cøu thñy v¨n khi ph¸t triÓn vµ hoµn thiÖn m« h×nh, nhÊt lµ c¸c m« h×nh thñy v¨n trªn l−u vùc nhá. §Ó ®¸p øng nh÷ng ®ßi hái trªn, chóng t«i xin tr©n träng giíi thiÖu ®Õn c¸c b¹n ®äc cuèn s¸ch M« h×nh to¸n thñy v¨n l−u vùc nhá do C. T. Haan lµm chñ biªn ®−îc HiÖp héi c¸c kü s− N«ng nghiÖp Hoa kú xuÊt b¶n n¨m 1982. Cuèn s¸ch thÝch hîp cho nhiÒu ®èi t−îng lµ c¸c sinh viªn ®¹i häc vµ sau ®¹i häc chuyªn ngµnh Thñy v¨n, N«ng nghiÖp, L©m nghiÖp, Thñy lîi…, c¸c nhµ 7
nghiªn cøu ph¸t triÓn m« h×nh, c¸c nhµ quy ho¹ch vµ qu¶n lý l−u vùc còng nh− c¸c nhµ ho¹ch ®Þnh chÝnh s¸ch. Trong qu¸ tr×nh biªn dÞch kh«ng tr¸nh khái ®−îc nh÷ng thiÕu sãt, rÊt mong nhËn ®−îc sù ®ãng gãp cña tÊt c¶ c¸c b¹n ®Ó cuèn s¸ch nµy hoµn thiÖn vµ thùc sù trë thµnh mét cuèn chuyªn kh¶o cã gi¸ trÞ. Hµ néi, th¸ng 8 n¨m 2003. 8
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