Giáo trình Mô hình toán thủy văn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN TÍNH TOÁN THỦY VĂN GIÁO TRÌNH MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN RAINFALL POTENTIAL EVAPORATION MODEL PARAMETERS RUNOFF COMPONENTS EVAPORATION RECHARGE Chủ biên: Tham gia biên soạn: PGS. TS. Lê Văn Nghinh PGS. TS. Bùi Công Quang ThS. Hoàng Thanh Tùng Hà nội - 2005 MỤC LỤC CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN.........................................5 1.1 Kh¸i niÖm vÒ m« h×nh to¸n.........................................................................6 1.2 Ph©n lo¹i m« h×nh to¸n ..............................................................................7 1.2.1 M« h×nh to¸n thñy v¨n ngÉu nhiªn ..........................................................7 1.2.2 M« h×nh to¸n thñy v¨n tÊt ®Þnh............................................................10 1.3 qu¸ tr×nh thùc hiÖn m« h×nh to¸n ...........................................................14 1.3.1 Chän m« h×nh øng dông........................................................................14 1.3.2 Thu thËp vµ chØnh lý c¸c sè liÖu ®Çu vµo cña m« h×nh..........................15 1.3.3 HiÖu chØnh - x¸c ®Þnh th«ng sè m« h×nh...............................................16 1.3.4 KiÓm ®Þnh m« h×nh................................................................................20 1.3.5 §¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c m« pháng cña m« h×nh....................................21 1.4 Mét sè ph−¬ng ph¸p tèi −u ho¸ th«ng sè m« h×nh.................................23 1.4.1 T×m gi¸ trÞ tèi −u th«ng sè theo ph−¬ng ph¸p « vu«ng..........................26 1.4.2 T×m gi¸ trÞ tèi −u th«ng sè theo ph−¬ng ph¸p mÆt c¾t vµng..................27 1.4.3 T×m gi¸ trÞ tèi −u th«ng sè theo ph−¬ng ph¸p ®é dèc............................28 1.4.4 T×m gi¸ trÞ tèi −u th«ng sè theo ph−¬ng ph¸p Rosenbroc......................29 CHƯƠNG II: MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY........................................................34 2.1. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh dßng ch¶y..............................................................34 2.2. C¸c lo¹i m« h×nh m−a dßng ch¶y............................................................35 2.2.1. M« h×nh quan hÖ (Rational model).......................................................36 2.2.2. M« h×nh c¨n nguyªn dßng ch¶y (Time/Area method)...........................40 2.2.3. M« h×nh sãng ®éng lùc..........................................................................43 2.2.4. M« h×nh lò ®¬n vÞ..................................................................................45 2.2.5. M« h×nh nhËn thøc...............................................................................56 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN ...................................................................62 3.1. Các quá trình ngẫu nhiên trong thủy văn...............................................62 3.2. Tổng hợp và phân tích các chuỗi dữ liệu................................................63 3.2.1. Phân tích hồi quy nhiều biến ................................................................63 3.2.2. Mô h×nh tù håi quy bËc p AR(p)............................................................65 2 3.2.3. M« h×nh trung b×nh tr−ît bËc q MA(q).................................................69 3.2.4. M« h×nh ARMA(p,q)..............................................................................71 3.3. Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN)..................................................................73 3.3.1. Giới thiệu chung....................................................................................73 3.3.2. So sánh mô hình ANN với ARMA .........................................................73 3.3.3. Cấu trúc mạng ANN..............................................................................74 3.3.4. Giới thiệu phần mềm WinNN32............................................................78 3.3.5. Hướng dẫn thực hành...........................................................................88 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TOÁN MẠNG LƯỚI SÔNG...............................................90 4.1. Më ®Çu......................................................................................................90 4.2. Dßng ch¶y æn ®Þnh vµ kh«ng æn ®Þnh trong s«ng..................................90 4.3. HÖ ph−¬ng tr×nh saint vernant................................................................92 4.3.1 HÖ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng trong s«ng............................................92 4.3.2 ChuyÓn ph−¬ng tr×nh vi ph©n thµnh ph−¬ng tr×nh sai ph©n.................93 4.3.3 ChuyÓn hÖ ph−¬ng tr×nh Saint Venant thµnh hÖ ph−¬ng tr×nh ®¹i sè...95 4.3.4 TÝnh to¸n thñy lùc cho m¹ng l−íi s«ng theo s¬ ®å Èn..........................98 4.3.5 TÝnh to¸n thñy lùc cho m¹ng l−íi s«ng theo s¬ ®å hiÖn.....................103 4.4 tæng quan vÒ c¸c ch−¬ng tr×nh tÝnh toan thñy lùc...............................106 CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC .....................................................108 5.1 Më ®Çu.......................................................................................................108 5.2 Kh¸i qu¸t chung vÒ chÊt l−îng n−íc.......................................................109 5.2.1 §Æc tÝnh cña thÓ n−íc..........................................................................109 5.3 ph−¬ng tr×nh truyÒn chÊt c¬ b¶n.............................................................110 5.4 M« h×nh chÊt l−îng n−íc ®¬n gi¶n nhÊt.................................................112 5.5 C¸c m« h×nh ph¶n øng song ®«i..............................................................114 5.6 M« h×nh Streeter-Phelp............................................................................114 5.7 M« h×nh QUAL2E ....................................................................................117 5.7.1 Giíi thiÖu m« h×nh QUAL2E...............................................................117 5.7.2 C¸c c«ng thøc tæng qu¸t dïng trong m« h×nh......................................118 5.7.3 C¸c ph¶n øng vµ quan hÖ t−¬ng t¸c.....................................................125 5.7.4 BiÓu thÞ nhiÖt ®é d−íi d¹ng hµm sè......................................................129 5.7.5 Giíi thiÖu vÒ ch−¬ng tr×nh tÝnh mÉu....................................................132 5.8 m« h×nh CORMIX....................................................................................133 5.8.1 Giíi thiÖu chung vÒ m« h×nh CORMIX.................................................133 3 5.8.2. Sè liÖu ®Çu vµo cña m« h×nh CORMIX................................................134 5.8.3 C¸c ®Æc tr−ng ®Çu ra cña m« h×nh.....................................................139 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................142 Phô lôc 1.................................................................................................145 Phô lôc 2.................................................................................................155 4 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Trong vµi chôc n¨m gÇn ®©y, nh÷ng thµnh tùu khoa häc, kü thuËt ®Æc biÖt lµ c¸c lÜnh vùc vËt lý, to¸n häc tÝnh to¸n cïng víi sù cã mÆt cña m¸y tÝnh ®iÖn tö ®· cã ¶nh h−ëng s©u s¾c ®Õn khoa häc thñy v¨n. Cã thÓ nãi viÖc øng dông nh÷ng thµnh tùu nµy ®· lµm thay ®æi c¶ vÒ chÊt vµ l−îng bé m«n khoa häc thñy v¨n. Ph−¬ng ph¸p m« h×nh to¸n ®· cho phÐp c¸c nhµ thñy v¨n m« pháng c¸c qu¸ tr×nh, hiÖn t−îng thñy v¨n – sù vËn ®éng rÊt phøc t¹p cña n−íc trong tù nhiªn d−íi d¹ng c¸c ph−¬ng tr×nh to¸n häc, l«gÝc vµ gi¶i chóng trªn c¸c m¸y tÝnh ®iÖn tö. Ph−¬ng ph¸p m« h×nh to¸n cã nhiÒu kh¶ n¨ng xem xÐt nh÷ng diÔn biÕn cña hiÖn t−îng thñy v¨n tõ vi m« ®Õn vÜ m«. §©y lµ mét trong nh÷ng h−íng nghiªn cøu thñy v¨n hiÖn ®¹i. Nã ®· vµ ®ang cho phÐp cung cÊp nh÷ng th«ng tin cÇn thiÕt cho c¸c ®èi t−îng sö dông nguån n−íc kh¸c nhau trong quy ho¹ch, thiÕt kÕ vµ khai th¸c tèi −u tµi nguyªn n−íc. ë ViÖt Nam, viÖc øng dông ph−¬ng ph¸p m« h×nh to¸n vµo nghiªn cøu, tÝnh to¸n trong thñy v¨n cã thÓ xem nh− ®−îc b¾t ®Çu tõ cuèi nh÷ng n¨m 60, qua viÖc ñy ban s«ng Mªk«ng øng dông c¸c m« h×nh nh− SSARR (Rokwood D.M. Vol.1 -1968)[1] cña Mü, m« h×nh DELTA cña Ph¸p (Ban th− ký s«ng Mª C«ng 1980) [2] vµ m« h×nh to¸n triÒu cña Hµ Lan vµo tÝnh to¸n, dù b¸o dßng ch¶y s«ng Mªk«ng. Song, chØ sau ngµy miÒn Nam ®−îc hoµn toµn gi¶i phãng (1975), ®Êt n−íc thèng nhÊt th× ph−¬ng ph¸p nµy míi ngµy cµng thùc sù trë thµnh c«ng cô quan träng trong tÝnh to¸n, dù b¸o thñy v¨n ë n−íc ta. Ngµy nay, ngoµi c¸c m« h×nh trªn, mét sè m« h×nh kh¸c nh− m« h×nh TANK (NhËt), m« h×nh ARIMA còng ®ang ®−îc nhiÒu c¬ quan nghiªn cøu øng dông (Sugawra M., Ozaki E. , Wtanabe I., Katsuyama Y., Tokyo -1974)[3]. Víi kÕt qu¶ nghiªn cøu b−íc ®Çu cña nhiÒu t¸c gi¶ ViÖt Nam ®· cho thÊy c¸c m« h×nh trªn cã nhiÒu kh¶ n¨ng øng dông tèt trong nhiÒu bµi to¸n khac nhau phôc vô cho quy ho¹ch, thiÕt kÕ vµ ®iÒu hµnh kh¸i th¸c nguån n−íc. Song, ®Ó n©ng cao h¬n n÷a kh¶ n¨ng øng dông cña c¸c m« h×nh, cÇn cã nh÷ng nghiªn cøu bæ sung hoµn thiÖn (c¶ vÒ cÊu tróc còng nh− ph−¬ng ph¸p hiÖu chØnh tham sè m« h×nh) cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn tù nhiªn, kinh tÕ c· héi c¶ n−íc ta. Ngµy nay, c«ng cuéc ph¸t triÓn kinh tÕ cña ®Êt n−íc ®ang ®ßi hái ph¶i cã nh÷ng chiÕn l−îc khai th¸c tµi nguyªn (trong ®ã cã tµi nguyªn n−íc) mét c¸ch hîp lý ®em l¹i nh÷ng hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. Nh−ng trong thùc tÕ, ®é dµi c¸c chuçi sè liÖu thùc ®o vÒ c¸c yÕu tè khÝ t−îng thñy v¨n trªn c¸c l−u vùc võa vµ nhá ë n−íc ta ch−a ®¸p øng yªu cÇu. Tõ ®ã, nh÷ng bµi to¸n ®ang cÇn ®−îc nghiªn cøu gi¶i quyÕt lµ tÝnh to¸n dßng ch¶y tõ m−a, tÝnh to¸n kh«i phôc c¸c chuçi sè liÖu dßng ch¶y, dù b¸o t×nh 5 ... - tailieumienphi.vn