1. Trang Chủ
  2. Môi trường
  3. Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 4

Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 4

Dự báo thủy đồ sử dụng các mô hình dựa trên số liệu Một số chuyên gia cho rằng phương pháp đơn giản nhất là phương pháp hiệu quả nhất. Điều này thực sự gây nhiều tranh cãi. Với một số mô hình thì điều này là đúng. Không may, một số khác lại không phải như vậy. Tiêu chuẩn đầu tiên phải là độ chính xác và cho tới khi độ chính xác tương đương được chấp nhận thì đơn giản sẽ là tiêu chuẩn thứ hai. Ray.K.Linsley 1986 4.1. số liệu sẵn có và mô hình kinh nghiệm... Ch­¬ng 4 Dù b¸o thñy ®å sö dông c¸c m«

Thể loại Tài liệu miễn phí Môi trường

Số trang 29

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:01 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.12 M

Tên tệp

Tải Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Ch­¬ng 4 Dù b¸o thñy ®å sö dông c¸c m« h×nh dùa trªn sè liÖu Mét sè chuyªn gia cho r»ng ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt lµ ph­¬ng ph¸p hiÖu qu¶ nhÊt. §iÒu nµy thùc sù g©y nhiÒu tranh c·i. Víi mét sè m« h×nh th× ®iÒu nµy lµ ®óng. Kh«ng may, mét sè kh¸c l¹i kh«ng ph¶i nh­ vËy. Tiªu chuÈn ®Çu tiªn ph¶i lµ ®é chÝnh x¸c vµ cho tíi khi ®é chÝnh x¸c t­¬ng ®­¬ng ®­îc chÊp nhËn th× ®¬n gi¶n sÏ lµ tiªu chuÈn thø hai. Ray.K.Linsley 1986 4.1. sè liÖu s½n cã vµ m« h×nh kinh nghiÖm Cã 2 quan ®iÓm m« h×nh ho¸ rÊt kh¸c nhau nh­ng ®Òu thu hót sù chó ý. Thø nhÊt lµ tÊt c¶ c¸c m« h×nh dï cã c¬ së vËt lý thÕ nµo, còng lµ c«ng cô c¬ b¶n ®Ó ngo¹i suy sè liÖu s½n cã theo thêi gian (thêi kú kh¸c nhau) vµ kh«ng gian (l­u vùc kh¸c nhau). Quan ®iÓm nµy cña m« h×nh nh­ mét phÐp quy n¹p sÏ lµ ®èi t­îng cña ch­¬ng nµy. Quan ®iÓm thø 2 lµ c¸c m« h×nh cßn xa míi cã thÓ ph¶n ¸nh hiÓu biÕt vËt lý cña chóng ta vÒ qu¸ tr×nh xem xÐt. ChØ b»ng c¸ch nµy, nã gîi ý lµ chóng ta cã kh¶ n¨ng tin cËy vµo c¸c dù b¸o n»m ngoµi ph¹m vi sè liÖu cã s½n trong thêi gian (vÝ dô trong t­¬ng lai) vµ kh«ng gian (vÝ dô trong c¸c l­u vùc kh¸c nhau). Quan ®iÓm nµy coi m« h×nh hÇu hÕt nh­ lµ suy luËn, sÏ lµ ®èi t­îng cña ch­¬ng sau. Cho r»ng viÖc m« h×nh ho¸ nh­ lµ suy luËn, bëi v× kh«ng may lµ chóng ta ch­a thÓ tho¸t khái chñ nghÜa kinh nghÜa kinh nghiÖm nµo ®ã trong viÖc m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n vµ ®¸nh gi¸ c¸c tham sè m« h×nh, vµ trªn thùc tÕ cã thÓ lµ kh«ng bao giê lµm ®­îc viÖc nh­ vËy. Trong quan ®iÓm thø nhÊt, tiÕp cËn ®­¬ng nhiªn lµ kinh nghiÖm. Bµi to¸n m« h×nh ho¸ trë thµnh mét cè g¾ng ph©n tÝch c¸c tµi liÖu s½n cã ®Ó häc tõ sè liÖu vÒ hÖ thèng lµm viÖc nh­ thÕ nµo b»ng c¸ch thiÕt lËp quan hÖ gi÷a chuçi ®Çu vµo vµ ®Çu ra. §©y lµ m« h×nh ho¸ dùa vµo sè liÖu th­êng ë qui m« l­u vùc mµ kh«ng ®i nhiÒu vµo suy luËn vËt lý hoÆc lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh. Mét tªn kh¸c ®­îc dïng lµ m« h×nh hép ®en. NÕu chóng ta cã quan hÖ hoµn h¶o cña ®Çu vµo vµ ®Çu ra th× t¹i sao l¹i lo l¾ng vÒ cã g× ®ã ®ang diÔn ra bªn trong l­u vùc. Dï sao tiÕp cËn hép ®en kh«ng nhÊt thiÕt lµ tèt. Mét ph­¬ng ph¸p dùa trªn ph©n tÝch ®Çu vµo-®Çu ra trong mét sè hoµn c¶nh cã thÓ ®­a ®Õn c¸c quyÕt ®Þnh rÊt kh¸c nhau vÒ hµnh ®éng trªn hÖ thèng h¬n lµ gîi ý c¸c ph©n tÝch lý thuyÕt ®· chÊp nhËn. Sè liÖu sau ®ã gîi ra r»ng ph©n tÝch lý thuyÕt cã thÓ sai lÇm vµ mét sè gi¶i thÝch lý thuyÕt kh¸c lµ cÇn thiÕt. Young vµ Beven (1994, còng xem Young vµ nnk 1997) ®· ®­a ra mét tiÕp cËn kinh nghiÖm, hä gäi lµ m« h×nh c¬ häc dùa vµo sè liÖu, nghÜa lµ cho phÐp sè liÖu gîi ý mét 93
  2. cÊu tróc m« h×nh thÝch hîp nh­ng sau ®ã ®¸nh gi¸ m« h×nh kÕt qu¶ ®Ó xÐt liÖu cã mét gi¶i thÝch c¬ häc cã thÓ hiÓu râ m« h×nh cÇn ®Õn nh÷ng thu nhËn tõ m« h×nh dùa trªn suy luËn lý thuyÕt. Hä ®­a ra vÝ dô tõ m« h×nh m­a-dßng ch¶y dùa trªn hµm chuyÓn ®æi ®­îc th¶o luËn trong môc 4.5 d­íi ®©y. D¹ng m« h×nh ho¸ nµy dùa vµo sè liÖu kinh nghiÖm cÇn thiÕt phô thuéc vµo sù cã s½n cña sè liÖu. Trong tr­êng hîp m­a- dßng ch¶y, kh«ng thÓ sö dông m« h×nh nh­ vËy vµo l­u vùc kh«ng cã ®o ®¹c trõ khi c¸c th«ng sè cho l­u vùc ®ã cã thÓ ­íc l­îng tr­íc. Còng cÇn l­u ý r»ng tiÕp cËn quy n¹p hoÆc kinh nghiÖm lµ rÊt cò, qu¶ thùc lµ l©u ®êi nhÊt trong m« h×nh thñy v¨n. Ph­¬ng ph¸p tû lÖ Malvaney th¶o luËn ë ®Çu ch­¬ng 2 vµ t­¬ng quan hîp trôc hoÆc kü thuËt ®å thÞ cña h×nh 2.1 lµ vÝ dô c¬ b¶n cña m« h×nh kinh nghiÖm dùa trªn sè liÖu: cè g¾ng ®Ó t×m mét t­¬ng tù tû lÖ nµo ®Êy vÒ d¸ng ®iÖu gi÷a c¸c trËn m­a vµ c¸c l­u vùc kh¸c nhau. T«i nghi ngê r»ng trong thiªn niªn kû míi sÏ cã sù quay trë l¹i d¹ng x©y dùng m« h×nh kinh nghiÖm vµ quy n¹p trong thñy v¨n v× c¸c h¹n chÕ cña nhiÒu tiÕp cËn lý thuyÕt, khi ¸p dông cho l­u vùc víi c¸c ®Æc tr­ng duy nhÊt cña nã trë nªn t¨ng gi¸ trÞ (chi tiÕt h¬n xem Beven 2000). 4.2. c¸c Ph­¬ng ph¸p håi quy kinh nghiÖm Håi quy kinh nghiÖm lµ kü thuËt thèng kª c¬ b¶n ®Ó ngo¹i suy cña bé sè liÖu cho t×nh h×nh kh¸c vµ trong kh«ng gian thêi gian. Sè liÖu ®­îc ®èi chiÕu cho biÕn phô thuéc vµ mét hoÆc nhiÒu biÕn ®éc lËp hoÆc biÕn gi¶i thÝch vµ c¸c tÝnh to¸n thèng kª ®­îc dïng ®Ó rót ra mét ph­¬ng tr×nh liªn hÖ sù thay ®æi cña biÕn phô thuéc vµo c¸c gi¸ trÞ cña c¸c biÕn ®éc lËp. Mét vÝ dô mÉu gÇn ®©y, lÊy tõ Sefton vµ Howarth (19980), lµ quan hÖ gi÷a c¸c th«ng sè cña m« h×nh IHACRES (xem phÇn 4.3.1) vµ c¸c biÕn m« t¶ l­u vùc vËt lý kh¸c. Quan hÖ, x¸c ®Þnh bëi håi quy tuyÕn tÝnh béi cã d¹ng: 1  7,7 UPLAND  12,9 DECID  7,4TILLED  9,0 URBAN  7,3OTHER  (4.1) C  0,4CLASSB  0,8REHPMN trong ®ã C lµ tû lÖ ®ãng gãp m­a cho l­îng tr÷ l­u vùc. UPLAND lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt hoang, träc vµ d­¬ng xØ. DECID lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña rõng rông l¸ vµ hçn hîp. TILLED lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt mïa canh t¸c. OTHER lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ba d¹ng sö dông ®Êt cßn l¹i. CLASSB lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt kho¸ng b¸n thÊm (kh«ng lµ n­íc ngÇm) vµ REHPMN lµ ®é Èm t­¬ng ®èi trung b×nh trong thêi kú 1961-1991. Quan hÖ ®­îc ph¸t triÓn tõ hiÖu chØnh m« h×nh cho 60 l­u vùc kh¸c nhau ë n­íc Anh vµ xø Wales. HÖ sè t­¬ng quan cho quan hÖ lµ 0,61 (chiÕm chØ 37% ph­¬ng sai cña sè liÖu) chøa mét sù bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ trong ­íc l­îng gi¸ trÞ 1/C cho mét l­u vùc riªng biÖt bÊt kú. Ph­¬ng tr×nh t­¬ng tù cho nh÷ng th«ng sè kh¸c cña m« h×nh cã c¶ sù phï hîp tèt h¬n vµ xÊu h¬n víi sè liÖu. C¸c biÕn ®éc lËp trong ph­¬ng tr×nh (4.1) ®­îc chän tõ danh s¸ch 10 biÕn h×nh th¸i, 5 biÕn m« t¶ ®Êt, 8 biÕn d¹ng sö dông ®Êt, 7 biÕn khÝ hËu. Kü thuËt lµm tr¬n thèng kª sö dông cho phÐp x¸c ®Þnh c¸c biÕn ®éc lËp cña nã céng víi mét ®ãng gãp cã ý nghÜa ®Ó gi¶i thÝch sù biÕn ®æi quan tr¾c trong biÕn phô thuéc. BiÕn kh«ng cung cÊp mét ®ãng gãp ®¸ng kÓ th× kh«ng ®­îc chøa trong ph­¬ng tr×nh. Kü thuËt ®­îc dïng ®Ó 94
  3. rót ra d¹ng nµy cña ph­¬ng tr×nh lµ ph©n tÝch håi quy tuyÕn tÝnh. Quan hÖ phi tuyÕn bÊt kú ph¶i ®¹t ®­îc b»ng sù biÕn ®æi c¸c biÕn ®éc lËp hoÆc phô thuéc. ë mét trong sè c¸c ph­¬ng tr×nh dù b¸o kh¸c trong tµi liÖu cña Syton vµ Howath, sö dông biÕn ®æi logarit cho tÊt c¶ c¸c biÕn ®­îc tr­íc khi thùc hiÖn ph©n tÝch. D¹ng ph©n tÝch nµy ®­îc dïng réng r·i trong ­íc l­îng th«ng sè m« h×nh hoÆc c¸c ®Æc tr­ng l­u l­îng bªn trong mét vïng cña l­u vùc kh«ng ®o ®¹c. Nh÷ng ®iÒu kh«ng ®­îc ghi nhËn th­êng lµ nh÷ng biÕn ®æi kh¸c hoÆc biÕn ®éc lËp kh¸c ®­îc thö vµ lo¹i bá ®Ó hç trî cho ph­¬ng tr×nh c«ng bè cuèi cïng. ThËt thó vÞ nÕu nh÷ng quan hÖ nh­ thÕ th­êng lµm cho hiÓu biÕt thñy v¨n tèt h¬n. §iÒu nµy ®«i khi khã rót ra tõ ph­¬ng tr×nh håi quy. Trong ph­¬ng tr×nh (4.1) ®iÒu ®­a ®Õn ng¹c nhiªn lµ hµm tuyÕn tÝnh thªm vµo cña biÕn ®é Èm t­¬ng ®èi trung b×nh hµnh ®éng nh­ mét thay thÕ cho qu¸ tr×nh nµo? Mét sè ®iÓm ®¸ng ®­îc l­u ý vÒ d¹ng nµy cña ph©n tÝch håi quy. Mét lµ trong ph­¬ng tr×nh nh­ ph­¬ng tr×nh (4.1) nh»m môc ®Ých dù b¸o c¸c th«ng sè cña m« h×nh, ph©n tÝch ®­îc lo¹i bá tõng b­íc tõ sè liÖu l­u vùc gèc. Nh­ vËy gi¸ trÞ ®­a vµo håi quy sÏ phô thuéc vµo m« h×nh phï hîp nh­ thÕ nµo cho sè liÖu l­u vùc gèc. Cã thÓ cã vÊn ®Ò ®Æc biÖt trong nghiªn cøu nµy v× 2 trong c¸c th«ng sè chØ ra cã t­¬ng quan rÊt m¹nh qua 60 l­u vùc kh¸c nhau. Thø 2 lµ tÊt c¶ c¸c dù b¸o nh­ vËy liªn kÕt víi sai sè chuÈn cña ­íc l­îng cho phÐp diÔn ®¹t sù bÊt ®Þnh liªn quan víi dù b¸o. §iÒu nµy th­êng kh«ng ®­îc lµm. §iÒu thø ba lµ sai sè chuÈn cña ­íc l­îng sÏ lín h¬n v× dù b¸o trë nªn cùc trÞ h¬n trong liªn hÖ víi bé sè liÖu trong ®ã håi quy dùa vµo. CÇn thËn träng khi sö dông ­íc l­îng kÕt qu¶, ®Æc biÖt ë n¬i mµ t­¬ng quan cña ph­¬ng tr×nh dù b¸o t­¬ng ®èi thÊp nh­ ph­¬ng tr×nh (4.1). C¸c l­u vùc c¸ biÖt khi ®ã cã thÓ lÖch ®¸ng kÓ khái ­íc l­îng håi quy. C¸c ph­¬ng tr×nh håi quy t­¬ng tù cã ®Çy ®ñ trong c¸c tµi liÖu thñy v¨n. C¸c nghiªn cøu nh­ “B¸o c¸o nghiªn cøu lò ë V­¬ng quèc Anh (NERC 1975)” cung cÊp nhiÒu vÝ dô liªn quan ®Õn m« h×nh m­a-dßng ch¶y bao gåm c¶ c¸c ph­¬ng tr×nh cho ®Ønh lò víi thêi gian lò lªn cña ®­êng ®¬n vÞ vµ cho tÝnh to¸n phÇn tr¨m dßng ch¶y trong ­íc l­îng l­îng m­a hiÖu qu¶ ®Ó sö dông víi ®­êng ®¬n vÞ. Ph©n tÝch t­¬ng tù sÏ lµ mét phÇn cña Sæ tay ­íc l­îng lò míi (IH 1999) vµ ®· ®­îc rót ra trong c¸c phÇn kh¸c cña thÕ giíi (vÝ dô ViÖn kü thuËt Australia 1977). Trong bÊt kú mét ph­¬ng ph¸p håi quy kinh nghiÖm nµo nh­ vËy c¸c biÕn gi¶i thÝch kh«ng ®­îc chän ngÉu nhiªn. Chóng sÏ ph¶n ¸nh nhËn thøc vµ nh÷ng suy luËn vËt lý cña nhµ ph©n tÝch. Nghiªn cøu dµnh cho c¸c biÕn cã søc gi¶i thÝch trong t×nh huèng thèng kª ®Æc biÖt nµy, do vËy sÏ nh¹y c¶m khi thö c¸c biÕn dù kiÕn liªn quan ®Õn biÕn ®éc lËp. Mét sè kÕt qu¶ cã thÓ lµ bÊt ngê. Hewlett vµ nnk (1984), ch¼ng h¹n, biÓu diÔn ph©n tÝch cña 4094 thuû ®å lò tõ 15 l­u vùc dÉn n­íc nhá trªn mét ph¹m vi khÝ hËu vµ ®Þa h×nh ®· ®­a ra r»ng biÕn c­êng ®é m­a chØ ®ãng gãp nhá cho ph­¬ng tr×nh håi quy cña ®Ønh lò vµ thÓ tÝch dßng ch¶y m­a. HÖ sè biªn cña tÝnh to¸n cho c­êng ®é m­a giê lín nhÊt lµ cì mét phÇn tr¨m cho thÓ tÝch m­a vµ 10 phÇn tr¨m cho ®Ønh lò. KÕt luËn cña hä cñng cè c¸c nghiªn cøu sím h¬n cña Hewlett vµ nnk (1977). Tæng l­îng m­a cã ¶nh h­ëng ®¸ng kÓ nhiÒu h¬n trªn c¶ 2 biÕn phô thuéc. Hewlett vµ nnk kÕt luËn r»ng c¸c kÕt qu¶ nµy kh«ng t­¬ng thÝch víi c¬ së cña nhiÒu m« h×nh s¶n 95
  4. sinh dßng ch¶y trong ®ã thêi kú m­a giê hoÆc ng¾n h¬n, c­êng ®é m­a ®ãng mét vai trß quan träng, ®Æc biÖt lµ c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ chÕ s¶n sinh dßng ch¶y v­ît thÊm Horton. KÕt luËn b©y giê ®ang b¾t ®Çu ®­îc hç trî bëi c¸c nghiªn cøu m« h×nh chi tiÕt (xem tr­êng hîp l­u vùc R5 nghiªn cøu trong môc 5.6) 4.3.C¸c m« h×nh hµm chuyÓn ®æi D¹ng håi quy kinh nghiÖm miªu t¶ ë trªn lµ môc tiªu ban ®Çu ®Ó ngo¹i suy th«ng tin ®o ®¹c tõ vÞ trÝ nµy cho vÞ trÝ kh¸c, n¬i mµ ®o ®¹c thñy v¨n yªu cÇu kh«ng s½n cã nh­ng ë ®ã c¸c biÕn kh¸c yªu cÇu cho ph­¬ng tr×nh håi quy cã thÓ dÔ ®o h¬n. Trong mét sè t×nh huèng chóng ta cã s½n ®o ®¹c thuû v¨n t¹i mét vÝ trÝ vµ vÊn ®Ò lµ sö dông nhiÒu h¬n mét m« h×nh ®Ó ngo¹i suy c¸c th«ng tin nµy cho vÞ trÝ ®ã nh­ng ë ®iÒu kiÖn kh¸c. Trong môc nµy chóng ta sÏ xÐt tr­êng hîp cã mét sè chuçi thêi gian m­a-dßng ch¶y cho l­u vùc vµ sö dông c¸c th«ng tin ®ã ®Ó m« h×nh ho¸ ph¶n øng cña l­u vùc. TiÕp cËn kinh nghiÖm hiÖn ®¹i cho vÊn ®Ò nµy lµ dïng hµm chuyÓn ®æi liªn hÖ ®Çu vµo víi ®Çu ra. Kü thuËt thñy ®å ®¬n vÞ truyÒn thèng lµ mét d¹ng hµm chuyÓn ®æi nh­ lµ biÓu thÞ bÓ chøa bËc thang Nash vµ h×nh tam gi¸c biÓu diÔn cña ®­êng ®¬n vÞ chØ ra trªn h×nh 2.6. TiÕp cËn hiÖn ®¹i xuÊt ph¸t tõ ph©n tÝch hÖ thèng tuyÕn tÝnh, trong ®ã m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t ®­îc dïng ®Ó ®­a ra mét cÊu tróc m« h×nh phï hîp t­¬ng thÝch víi sè liÖu ®Çu vµo-®Çu ra s½n cã (xem hép 4.1). Dï sao, m« h×nh kÕt qu¶ cã thÓ cã sù gi¶i thÝch c¬ häc cã Ých. VÝ dô, x¸c ®Þnh hµm chuyÓn ®æi l­u vùc cã d¹ng m« t¶ trong hép 4.1 gîi ý r»ng cÊu tróc m« h×nh song song lµ phï hîp víi mét tû lÖ dßng ch¶y diÔn to¸n qua ®­êng dÉn nhanh vµ cßn l¹i qua ®­êng dÉn chËm (h×nh 4.1). §iÒu nµy kh«ng cho phÐp nh÷ng kÕt luËn cøng nh¾c ®Ó kÕt luËn liÖu qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt hoÆc dßng ch¶y s¸t mÆt cã ®­îc bao hµm: nã cho phÐp mét sè h»ng sè thêi gian ®Æc tr­ng cho l­u vùc ®­îc x¸c trong d¹ng trung b×nh thêi gian cho ®­êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ chËm. H×nh 4.1. C Êu tróc hµm chuyÓn ®æi song song vµ ph©n chia thuû ®å dù b¸o thµnh ph¶n øng nhanh vµ chËm VÊn ®Ò ¸p dông c¸c ph­¬ng ph¸p nh­ vËy cho hÖ thèng m­a-dßng ch¶y lµ m­a cã liªn hÖ víi l­u l­îng dßng ch¶y trong d¹ng hoµn toµn phi tuyÕn. Thùc nghiÖm nhiÒu 96
  5. n¨m víi ph­¬ng ph¸p ®­êng ®¬n vÞ trong dù b¸o thuû v¨n ®· chØ ra r»ng dßng ch¶y m­a rµo cã liªn hÖ tuyÕn tÝnh nhiÒu h¬n víi l­îng m­a hiÖu qu¶, nh­ng ë ®©y chóng ta hy väng tr¸nh ®­îc sù ph©n chia tr­íc chuçi thêi gian m­a vµ dßng ch¶y v× nh­ th¶o luËn trong phÇn 2.2 ph©n chia thñy ®å lµ kü thuËt ph©n tÝch t­¬ng ®èi nguy hiÓm. Dï sao chóng ta cã thÓ lÊy nh÷ng thÝ nghiÖm nµy ®Ó suy ra r»ng cã kh¶ n¨ng sö dông mét m« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh cho tÝnh to¸n ph©n bè thêi gian cña tæng dßng ch¶y nÕu chóng ta cã thÓ t×m thÊy mét bé läc phi tuyÕn thÝch hîp cho m­a ®Ó diÔn ®¹t qu¸ tr×nh s¶n sinh dßng ch¶y. C©u hái b©y giê lµ nh­ thÕ nµo ®Ó t×m ®­îc d¹ng gÇn ®óng cña bé läc. Mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ gi¶ thiÕt r»ng d¹ng ®óng ®¾n lµ cã nguån gèc vËt lý vµ c¸c gi¸ trÞ th«ng sè kh«ng ®æi cã thÓ t×m ®­îc ®­a ®Õn sù phï hîp tèt víi sè liÖu qua thêi kú hiÖu chØnh. C«ng tr×nh ®­îc Dooge (1959) giíi thiÖu kh¸ sím trong d¹ng hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh. NÕu thùc sù cã quan hÖ tuyÕn tÝnh gi÷a ®Çu vµo chuyÓn ®æi vµ sè liÖu ®Çu ra ®o ®¹c th× ®iÒu nµy lµ mét tr­êng hîp thùc tÕ. Ph­¬ng ph¸p truyÒn thèng dïng víi lý thuyÕt ®­êng ®¬n vÞ ë n¬i mµ sù chuyÓn ®æi tõ tæng l­îng m­a thµnh l­îng m­a hiÖu qu¶ dùa trªn ph­¬ng tr×nh thÊm, hoÆc ph­¬ng ph¸p nh­ chØ sè  (xem môc 2.2). Hµm chuyÓn ®æi dùa vµo m« h×nh IHACRES m« t¶ d­íi ®©y còng chÊp nhËn chiÕn l­îc nµy. Dï sao, nÕu mét ­íc l­îng cña ®­êng ®¬n vÞ lµ s½n cã cho l­u vùc, nã cã thÓ dïng trong nghÜa nghÞch ®¶o ®Ó ­íc l­îng cÊu tróc cña l­îng m­a hiÖu qu¶ ®­a ra mét thñy ®å dßng ch¶y m­a rµo (®· ph©n chia tr­íc) (xem hép 4.2). Young vµ Beven (1994) më réng ý t­ëng nµy cho tr­êng hîp ph©n tÝch biÕn thêi gian cña c¸c th«ng sè hµm chuyÓn ®æi ®Ó cho phÐp sè liÖu gîi ra d¹ng cña m« h×nh (xem môc 4.5.vµ hép 4.3) 4.3.1. M« h×nh IHACRES M« h×nh IHACRES (x¸c ®Þnh ®­êng ®¬n vÞ vµ dßng ch¶y thµnh phÇn tõ sè liÖu m­a, bèc h¬i vµ dßng ch¶y s«ng ngßi) cña Jakeman vµ nnk (1996) rót ra tõ c«ng tr×nh cña Young (1975) vµ Whitehead vµ nnk (1979), ng­êi ®· cè g¾ng tr¸nh vÊn ®Ò t¸ch thuû ®å trong m« h×nh ®­êng ®¬n vÞ cæ ®iÓn b»ng sù liªn hÖ m­a tæng céng víi l­u l­îng tæng céng. Sù ph¸t triÓn gÇn ®©y ®· lµ kÕt qu¶ cña sù hîp t¸c gi÷a ViÖn thñy v¨n Anh quèc (IH) ë Wallingford vµ trung t©m nghiªn cøu tµi nguyªn vµ m«i tr­êng (CRES) ë Canbera, Australia mµ s¶n phÈm cña nã lµ phÇn mÒm IHACRES cho m¸y tÝnh PC. M« h×nh sö dông mét bé hµm ®Æc biÖt läc l­îng m­a ®Ó sinh ra l­îng m­a hiÖu qu¶ sau ®ã liªn hÖ víi tæng l­u l­îng sö dông hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh tæng qu¸t. Läc m­a giíi thiÖu mét biÕn l­îng tr÷ ®Êt vµ còng cho m« pháng thêi kú dµi h¬n sö dông nhiÖt ®é nh­ chØ sè cña bèc h¬i. Mét sè d¹ng kh¸c cña läc m­a ®· ®­îc sö dông trong c¸c ¸p dông kh¸c cña IHACRES (xem Jakeman vµ nnk 1993, Jakeman vµ Horlerger 1993, Post vµ Jakeman 1996, Sefton vµ Howarth 1998). Mét d¹ng dïng trong nghiªn cøu cña Sefton vµ Howarth th¶o luËn trong môc 4.2 ë trªn nh­ sau. NÕu ®Çu vµo trong b­íc thêi gian t ®­îc biÓu thÞ nh­ Rt , khi l­îng m­a hiÖu qu¶ ®­îc biÓu thÞ qua Ut th×: 97
  6. Ut  Rt St  St1  / 2 (4.1)  1 (4.2) S t  cRt  1   S t 1   (Ti )   (Ti )   W ¦ exp(10 f  Ti f ) (4.3) trong ®ã: St lµ biÕn l­îng tr÷ t¹i thêi ®iÓm t, (Ti) lµ thêi gian l­u gi÷ trung b×nh cña l­îng tr÷ ®Êt phô thuéc vµo nhiÖt ®é trung b×nh ngµy Ti , C ®iÒu khiÓn tû lÖ ®ãng gãp cña m­a cho l­îng tr÷ l­u vùc, W l µ thêi gian l­u gi÷ trung b×nh cña l­îng tr÷ ®Êt ë 10C vµ f lµ th«ng sè thang ®é tÝnh to¸n cho phÐp cã quan hÖ cña ¶nh h­ëng bèc h¬i víi hiÖu sè nhiÖt ®é nµy. Trong nhiÒu ph­¬ng diÖn, phÇn nµy cña IHACRES biÓu diÔn d¹ng ®¬n gi¶n cña m« h×nh ESMA (tÝnh to¸n ®é Èm ®Êt hiÖn) (xem môc 2.4). L­îng m­a hiÖu qu¶ Ut sau ®ã h×nh thµnh ®Çu vµo cho ph©n tÝch hµm chuyÓn ®æi dùa vµo m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t cña hép 4.1 víi ®Çu ra lµ l­u l­îng tæng céng. C¸c th«ng sè cña m« h×nh hoµn toµn ®­îc hiÖu chØnh bëi bé läc hµm chuyÓn ®æi cho c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña C, W vµ f cho tíi khi ®¹t ®­îc kÕt qu¶ tèt nhÊt. Sai sè chuÈn vµ ph­¬ng sai cho c¸c th«ng sè m« h×nh hµm chuyÓn ®æi cã thÓ ®­îc ­íc l­îng nh­ng ®é bÊt ®Þnh cña c¸c th«ng sè C, W vµ f ®· kh«ng ®­îc xÐt ®Õn. M« h×nh IHACRES hiÖn nay ®­îc ¸p dông cho nhiÒu d¹ng l­u vùc kh¸c nhau (Jakeman vµ nnk 1990, 1993a; Jakeman vµ Hornberger 1993 xem vÝ dô ë h×nh 4.2), bao gåm c¸c l­u vùc cã ®Çu vµo tuyÕt tan ®¸ng kÓ (Schreider vµ nnk 1997, Steel vµ nnk 1999) vµ trong dù b¸o t¸c ®éng cña biÕn ®æi khÝ hËu ®Õn thuû v¨n l­u vùc (Jakeman vµ nnk 1993b; Schreider vµ nnk 1996). M« h×nh còng liªn kÕt víi c¸c thµnh phÇn chÊt l­îng n­íc vµ xãi mßn (Jakeman 1999). C¸c kÕt qu¶ nãi chung chØ ra r»ng hµm chuyÓn ®æi song song trªn h×nh 4.1 lµ cÊu tróc æn ®Þnh cho m« pháng m­a-dßng ch¶y ë quy m« l­u vùc víi mét ®­êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ mét ®­êng dÉn dßng ch¶y chËm h¬n (xem hép 4.1). §­êng dÉn dßng ch¶y nhanh sÏ cung cÊp phÇn chÝnh cña thñy ®å m­a dù b¸o. §­êng dÉn dßng ch¶y chËm h¬n lµ phÇn chÝnh cña l­u l­îng rót n­íc gi÷a c¸c trËn m­a. L¹i l­u ý r»ng ®iÒu nµy kh«ng bao hµm bÊt cø ®iÒu g× vÒ liÖu dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt, n­íc cò hoËc míi, dßng ch¶y trùc tiÕp hay dÞch chuyÓn cã ®­îc tr¸nh trong ph¶n øng dßng ch¶y nhanh hay chËm. §­êng dÉn dßng ch¶y nhanh kh«ng bÞ l­u gi÷ nh­ ®­êng dÉn dßng ch¶y mÆt, nã cã thÓ b»ng ph¶n øng ®iÒu khiÓn bëi thang thêi gian cña dÞch chuyÓn n­íc cò tõ l­îng tr÷ s¸t mÆt. D¹ng diÔn to¸n ®­êng dÉn song song nµy còng ®­îc dïng trong c¸c m« h×nh kh¸c (nh­ m« h×nh Xinanjang/Arno/Vic m« t¶ trong hép 2.2 vµ m« h×nh PDM ViÖn thñy v¨n m« t¶ ë môc 6.2). ¦u ®iÓm cña IHACRES lµ sè liÖu cho phÐp gîi ý d¹ng cña m« h×nh hµm chuyÓn ®æi sö dông thay v× x¸c ®Þnh mét cÊu tróc cè ®Þnh tr­íc ®ã. M« h×nh IHACRES cã lo¹i chøc n¨ng tèt ®Ó t¸i s¶n sinh ph¶n øng thñy v¨n ë quy m« l­u vùc víi sè ®óng cña c¸c th«ng sè ®Ó ®­a ®Õn mét thêi kú sè liÖu hiÖu chØnh ®ång nhÊt, Ýt nhÊt cho mét sè m«i tr­êng. C¸c th«ng sè yªu cÇu ®Ó ¸p dông cho m« h×nh c¬ b¶n lµ 2 h»ng sè thêi gian cña ®­êng dÉn nhanh vµ chËm trong hµm chuyÓn ®æi song song, tû lÖ víi l­îng m­a hiÖu qu¶ theo mçi ®­êng dÉn vµ c¸c th«ng sè C, W 98
  7. vµ f cña läc m­a hiÖu qu¶. Jakeman vµ Hornberger (1993) cho r»ng c¸c th«ng sè nµy cã thÓ ®­îc coi nh­ c¸c ®Æc tr­ng ph¶n øng ®éng lùc (DRC) cña l­u vùc vµ nã cã kh¶ n¨ng liªn hÖ c¸c DRC nµy víi m« t¶ vËt lý l­u vùc. §©y lµ thµnh c«ng mét phÇn trong nghiªn cøu cña Post vµ Jakeman (1996); nh÷ng ng­êi ®· rót ra th«ng sè DRC cho 16 l­u vùc ë Victoria, Australia. Hä t×m thÊy r»ng 5 trong sè 6 th«ng sè yªu cÇu cña m« h×nh cã liªn hÖ tèt víi ®Æc ®iÓm vËt lý cña l­u vùc. H»ng sè thêi gian cña thµnh phÇn dßng ch¶y nhanh liªn hÖ víi mËt ®é l­íi s«ng vµ diÖn tÝch l­u vùc, cßn thµnh phÇn dßng ch¶y chËm liªn hÖ víi ®é dèc vµ h×nh d¹ng l­u vùc. Th«ng sè m«®un nhiÖt ®é f liªn hÖ víi gradient vµ d¹ng thùc vËt, c¸c th«ng sè C vµ W liªn hÖ víi mËt ®é l­íi s«ng vµ gradient. Mét th«ng sè chØ ra mèi liªn hÖ kh«ng râ rµng víi ®Æc tÝnh l­u vùc lµ tû lÖ cña l­îng m­a hiÖu qu¶ ®i ®Õn ®­êng dÉn nhanh. Trong nghiªn cøu riªng biÖt cña hä, trong tr­êng hîp bÊt kú cã mét ph¹m vi giíi h¹n cña c¸c gi¸ trÞ tèi ­u ho¸. H×nh 4.2. VÝ dô cña l­u l­îng quan tr¾c vµ dù b¸o sö dông m« h×nh IHACRES. T¸i t¹o tõ Jakeman vµ Hornberger (1993). Nghiªn cøu tµi nguyªn n­íc 30,3567,1994.XuÊt b¶n bëi Héi ®Þa vËt lý Mü Sefton vµ Howarth (1998) sö dông nh÷ng m« t¶ l­u vùc kh¸c nhau vµ t¹o ra c¸c quan hÖ håi quy kh¸c nhau cho c¸c th«ng sè IHACRES cho c¸c l­u vùc ë Anh vµ xø Wales (bao gåm ph­¬ng tr×nh 4.1 ë trªn). Trong tµi liÖu cña hä, ®ã lµ thêi gian l­u gi÷ trung b×nh cña ®­êng dÉn dßng ch¶y chËm ®­îc x¸c ®Þnh kÐm nhÊt b»ng c¸c biÕn 99
  8. DRC khi f vµ tû lÖ cña l­îng m­a hiÖu qu¶ di chuyÓn ®Õn ®­êng dÉn dßng ch¶y chËm ®­îc x¸c ®Þnh tèt nhÊt. H×nh nh­ kh¸i qu¸t nh÷ng quan hÖ nh­ thÕ lµ khã kh¨n. Trong môc 4.2 mét sù phô thuéc cña hiÖu chØnh gèc cña c¸c th«ng sè víi sè liÖu thñy ®å còng ®· ®­îc l­u ý vµ nã còng cã thÓ cã t­¬ng t¸c ®Çy ®ñ trong hiÖu chØnh c¸c gi¸ trÞ th«ng sè DRC kh¸c nhau ®Ó giíi h¹n sù më réng ®Õn ph¹m vi mµ chóng cã thÓ ®­îc coi nh­ m« t¶ cã ý nghÜa thñy v¨n duy nhÊt cña l­u vùc. Còng cã c©u hái lµ liÖu bé läc m­a phi tuyÕn sö dông, trong thùc tÕ cã lµ sù phï hîp vÒ mÆt thñy v¨n, ®Æc biÖt tõ khi Jakeman vµ c¸c céng sù cña «ng ®· sö dông nhiÒu h¬n 1 lÇn trong mét lo¹t bµi b¸o vÒ ph­¬ng ph¸p IHACRES cña hä. Cã lÏ tèt h¬n lµ h·y ®Ó cho sè liÖu ®­a ra mét d¹ng gÇn ®óng phi tuyÕn nh­ ®­îc th¶o luËn trong môc sau. 4.3.2. M« h×nh c¬ häc dùa vµo sè liÖu sö dông hµm chuyÓn ®æi TiÕp cËn c¬ häc dùa vµo sè liÖu (DBM) cña Young vµ Beven ë møc cã thÓ, kh«ng ®­a ra nh÷ng gi¶ thiÕt tr­íc vÒ d¹ng cña m« h×nh, kh¸c víi viÖc mét ph­¬ng ph¸p hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh chung cã thÓ dïng ®Ó lËp quan hÖ ®Çu vµo m­a hiÖu qu¶ víi l­u l­îng tæng céng. Trong tinh thÇn ®ã cho phÐp sè liÖu x¸c ®Þnh cÊu tróc nµo cña m« h×nh thay v× quyÕt ®Þnh tr­íc vÒ cÊu tróc m« h×nh, hä sö dông ­íc l­îng th«ng sè biÕn thêi gian ®Ó x¸c ®Þnh d¹ng phi tuyÕn m­a hiÖu qu¶. C¸c kÕt qu¶ cña hä gîi ý mét bé läc phi tuyÕn cã d¹ng: n (4.4) U t  Qt Rt trong ®ã Ut lµ l­îng m­a hiÖu qu¶, Rt lµ ®Çu vµo m­a, Qt lµ l­u l­îng, n lµ th«ng sè vµ t lµ thêi gian. ë ®©y l­u l­îng ®­îc sö dông rÊt nhiÒu nh­ mét biÕn thay thÕ cho tr¹ng th¸i Èm tr­íc ®ã cña l­u vùc. Nãi chung l­u l­îng ®o ®¹c lµ chØ sè s½n cã tèt nhÊt cña ®iÒu kiÖn kú tr­íc trong l­u vùc, nh­ng sö dông nã trong ph­¬ng ph¸p nµy cã nghÜa r»ng l­u l­îng ®­îc sö dông ®Ó dù b¸o l­u l­îng. §©y kh«ng lµ vÊn ®Ò trong viÖc hiÖu chØnh m« h×nh t¹i vÞ trÝ cã ®o ®¹c, mµ lµ vÊn ®Ò trong dù b¸o hoÆc dù b¸o thêi gian thùc nh­ng trong thùc tÕ nã kh«ng t¹o ra vÊn ®Ò khã kh¨n ®Ó v­ît qua (xem d­íi ®©y). Trong ¸p dông gèc cña Young vµ Beven (1991) m« h×nh song tuyÕn tÝnh (n=1) ®· ®­îc sö dông nh­ng c¸c kÕt qu¶ gÇn ®©y h¬n khi sö dông ­íc l­îng th«ng sè biÕn thêi gian (xem hép 4.3) ®· gîi ý gi¸ trÞ n gi÷a 0 vµ 1 (mét m« h×nh luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh). ¸p dông cña ph­¬ng ph¸p DBM ®­îc gi¶i thÝch trong tr­êng hîp nghiªn cøu ë phÇn sau. Trong ¸p dông cña c¸c kü thuËt nµy sau ®ã cho mét thêi kú sè liÖu dµi ë l­u vùc vïng ®«ng nam n­íc Mü, Young vµ Beven (1994) ®· gi¶i thÝch r»ng cã mét cÊu tróc mïa trong ­íc l­îng biÕn thêi gian cña th«ng sè a hµm chuyÓn ®æi (vµ do ®ã thêi gian l­u gi÷ trung b×nh) còng nh­ t­¬ng quan t­¬ng tù cña ­íc l­îng biÕn thêi gian cña th«ng sè b víi l­u l­îng. §· ph¸t hiÖn ra r»ng cÊu tróc mïa trong a cã t­¬ng quan víi nhiÖt ®é trung b×nh ngµy. Dï sao, t­¬ng quan cho vÞ trÝ nµy ®­îc quan t©m, trong ®ã nã gîi ý r»ng th«ng sè a biÕn ®æi theo quan hÖ nghÞch ®¶o víi nhiÖt ®é. §iÒu nµy gi¶i thÝch r»ng nhiÖt ®é cao h¬n th× thêi gian l­u gi÷ trung b×nh dµi h¬n. §©y còng lµ lÝ do vËt lý lµ nÕu nhiÖt ®é cao h¬n th× bèc h¬i mïa hÌ cao h¬n vµ do ®ã møc tr÷ Èm thÊp h¬n vµ thêi gian ph¶n øng chËm h¬n. 100
  9. C¸c kÕt qu¶ gÇn ®óng nµy trong m« h×nh tèi thiÓu liªn hÖ tæng l­îng m­a víi tæng l­u l­îng víi th«ng sè luü thõa vµ lîi Ých cho bé läc phi tuyÕn vµ mét hoÆc 2 h»ng sè thêi gian cho hµm chuyÓn ®æi. C¸c th«ng sè nµy cã thÓ coi lµ ®Æc ®iÓm vËt lý quan träng ë quy m« l­u vùc, nh­ng nh­ trong nghiªn cøu c¸c ®Æc ®iÓm ph¶n øng ®éng lùc cña m« h×nh IHACRES cña Post vµ Jakeman (1996), ®iÒu kh«ng thùc sù râ rµng lµ c¸c th«ng sè nµy cã thÓ liªn hÖ tèt nh­ thÕ nµo víi ®Æc ®iÓm l­u vùc hoÆc quy m« l­u vùc ®Ó mét m« h×nh ®¬n gi¶n cã thÓ xÊp xØ. Dï sao, cã ®iÒu râ rµng lµ ­íc l­îng tèt cña c¸c th«ng sè sÏ cã thÓ thu ®­îc chØ tõ mét thêi kú ng¾n cña sè liÖu m­a-dßng ch¶y sao cho thêi kú ®o ®¹c thùc ®Þa cña m­a vµ dßng ch¶y ë mét vÞ trÝ quan t©m cã thÓ lµ ph­¬ng ph¸p tèt nhÊt cho hiÖu chØnh th«ng sè. CÇn l­u ý mét trong c¸c ®Æc ®iÓm cña ph©n tÝch chuçi thêi gian tuyÕn tÝnh sö dông ®Ó rót ra hµm chuyÓn ®æi lµ sai sè chuÈn cã thÓ ­íc l­îng cho c¸c th«ng sè. C¸c sai sè chuÈn nµy cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ gi¶i thÝch vËt lý cña m« h×nh. Young (1992) ch¼ng h¹n ®· kh¶o s¸t ®é nh¹y cña tû lÖ l­îng m­a hiÖu qu¶ chuyÓn qua ®­êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ chËm ®èi víi sai sè trong c¸c th«ng sè ­íc l­îng. C¸c kÕt qu¶ cña «ng chØ ra r»ng sÏ cã ®é bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ trong c¸c tû lÖ nµy lµm h¹n chÕ sù gi¶i thÝch bÊt kú diÖn tÝch ®ãng gãp nµo cña dßng ch¶y nhanh, Ýt nhÊt trong d¹ng nµy cña m« h×nh ®é bÊt ®Þnh nh­ thÕ cã thÓ lµm râ, cã nh÷ng ngô ý t­¬ng tù trong c¸c m« h×nh phøc t¹p h¬n, sÏ ®­îc th¶o luËn trong ch­¬ng 5 vµ 6 nh­ng ®é nh¹y nh­ thÕ khi ®ã Ýt khi ®­îc x¸c ®Þnh. 4.4.Tr­êng hîp nghiªn cøu: M« h×nh DBM cña l­u vùc C16 ë Llym Briane, Wales Ph­¬ng ph¸p m« h×nh c¬ häc dùa trªn sè liÖu ®­îc m« t¶ trong mèi liªn hÖ víi mét ¸p dông x¸c ®Þnh cho l­u vùc C16 ë Llyn Briane, Wales (Young vµ Beven 1994) C¸c b­íc nh­ sau: 1. Lµm phï hîp s¬ bé hµm chuyÓn ®æi víi sè liÖu ®Çu vµo- ®Çu ra b»ng kü thuËt m« t¶ trong hép 4.1. Mét hay nhiÒu m« h×nh läc m­a cã thÓ thö ë giai ®o¹n nµy, ®iÒu quan träng lµ suy ra ­íc l­îng c¸c th«ng sè cña hµm chuyÓn ®æi bËc thÊp. 2.¦íc l­îng phÇn d­, bao gåm kiÓm tra cho hµm phi tuyÕn. NÕu cã d¸ng ®iÖu phi tuyÕn, khi ®ã m« h×nh phï hîp cã thÓ ®­îc thõa nhËn. Ngoµi ra chuyÓn sang b­íc tiÕp theo. 3. HiÖu chØnh hµm chuyÓn ®æi bËc thÊp (bËc 1 hoÆc 2 th­êng lµ tho¶ m·n cho m« h×nh m­a- dßng ch¶y) sö dông kü thuËt ­íc l­îng th«ng sè biÕn thêi gian, còng nh­ lµm tr¬n kho¶ng cè ®Þnh (FIS) m« t¶ trong hép 4.3. X¸c ®Þnh biÕn ®æi cña c¸c gi¸ trÞ th«ng sè, bao gåm cã sai sè chuÈn qua thêi kú hiÖu chØnh (vÝ dô h×nh B.4.3.1 cho l­u vùc C16). 4. Kh¶o s¸t b¶n chÊt cña biÕn ®æi theo thêi gian cña c¸c th«ng sè, x¸c ®Þnh ®é chÝnh x¸c c¸c th«ng sè ®­îc uíc l­îng. Cho ¸p dông C16 râ rµng chØ cã th«ng tin bæ sung vÒ ­íc l­îng th«ng sè b khi cã m­a. Sai sè chuÈn trong ­íc l­îng c¸c th«ng sè nµy t¨ng nhanh suèt thêi kú rót n­íc. 101
  10. H×nh 4.3. (a). ¦íc l­îng biÕn thêi gian cña hÖ sè lîi Ých trong m« h×nh song tuyÕn tÝnh cho l­u vùc C16 vÏ ®èi chiÕu víi l­u l­îng ë cïng b­íc thêi gian. (b). Tèi ­u ho¸ cña hÖ sè luËt luü thõa trong sù phï hîp víi l­u l­îng quan tr¾c (Young vµ Beven 1994). In l¹i víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited 5. X¸c ®Þnh b¶n chÊt sù biÕn ®æi trong mèi liªn hÖ víi c¸c biÕn kh¸c. Trong tr­êng hîp nµy, quan hÖ gi÷a th«ng sè nµy vµ l­u l­îng cã thÓ t×m ®­îc nÕu chØ cã gi¸ trÞ cã ý nghÜa nhÊt cña ­íc l­îng th«ng sè b ®­îc sö dông (h×nh 4.3). §©y lµ lÝ do vËt lý v× víi bé läc song tuyÕn tÝnh ®¬n gi¶n sö dông tr­íc ®©y bëi Young vµ Beven (1991) trong ®ã chóng ta mong ®îi l­u l­îng cao h¬n ®­a ra ®iÒu kiÖn kú tr­íc Èm ­ít, kÕt qu¶ ®­îc tû lÖ lín h¬n cña m­a trë thµnh l­u l­îng. Dï sao ph©n tÝch nµy gîi ý r»ng bé läc m­a sö dông kh«ng ph¶i lµ sù nh©n ®¬n gi¶n víi l­u l­îng sö dông trong Young vµ Beven (1991) mµ lµ nh©n víi l­u l­îng t¨ng theo bËc luü thõa, ë ®©y lµ bËc 0,65. Mét s¬ ®å khèi cña m« h×nh cuèi cïng chØ ra trong h×nh 4.4. 6. Tèi ­u ho¸ m« h×nh kÕt qu¶ cuèi cïng, kÕt qu¶ ®­îc biÓu diÔn trong h×nh 4.5 nh­ ®Çu ra tõ ch­¬ng tr×nh TFM (xem phÇn 4.5). Sù phï hîp tèt nhÊt cho l­u vùc nµy thu ®­îc víi luü thõa bËc 0,63. §©y lµ m« h×nh tèt h¬n kh«ng ®¸ng kÓ víi c¸c h»ng sè thêi gian kh¸c nhau (3,95h vµ 80,2h) cña mét m« h×nh song tuyÕn tÝnh sím h¬n (luü thõa bËc 1,0) ®· lµm phï hîp cho l­u vùc nµy. 7. X¸c ®Þnh phÇn d­ cho dÊu hiÖu cña cÊu tróc t­¬ng lai hoÆc phi tuyÕn. ë ®©y Young vµ Beven (1994) chØ ra r»ng mÆc dï bé läc phi tuyÕn cuèi cïng vµ hµm chuyÓn ®æi gi¶i thÝch h¬n 98% ph­¬ng sai cña l­u l­îng quan tr¾c cho thêi kú nµy, mét m« h×nh tù håi quy bËc 3 cña phÇn d­ cã thÓ sö dông ®Ó gi¶i thÝch h¬n mét nöa cña ph­¬ng sai sai sè cßn l¹i, nh­ng kh«ng cã dÊu hiÖu cña sù phi tuyÕn tiÕp sau. Nh­ thÕ 102
  11. mét m« h×nh cña phÇn d­ cã thÓ dïng trong dù b¸o lò (xem ch­¬ng 8). LuËt luü thõa song tuyÕn tÝnh víi m« h×nh hµm chuyÓn ®æi song song cã mét sù gi¶i thÝch thó vÞ. Víi m« h×nh nµy tû lÖ cña l­îng m­a hiÖu qu¶ chuyÓn qua ®­êng dÉn dßng ch¶y nhanh lµ b'Qn. Kh«ng gi¶i thÝch qu¸ nhiÒu vÒ qu¸ tr×nh liªn quan, ®iÒu nµy cã thÓ suy ra nh­ mét biÓu diÔn cña hµm diÖn tÝch ®ãng gãp cho ph¶n øng nhanh trong l­u vùc, liÖu ph¶n øng nhanh cã ph¶i do qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt hoÆc s¸t mÆt kh«ng. DiÖn tÝch ®ãng gãp t¨ng víi l­u l­îng cho tÊt c¶ n>0. H×nh 4.4. S¬ ®å khèi cuèi cïng cña m« h×nh luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh C16 sö dông trong dù b¸o cña h×nh 4.3. (Young vµ Beven 1994). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited H×nh 4.5. VÝ dô cña l­u l­îng quan tr¾c vµ dù b¸o cho l­u vùc C16 ë Llyn Briane sö dông m« h×nh luËt luü thõa víi n=0.628. (Young vµ Beven 1994). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited MÆc dï cã mét sè l­u ý, ph­¬ng ph¸p nµy cßn yªu cÇu ®¸nh gi¸ tiÕp theo v× nã kh«ng cã tÝnh râ rµng cña ph¶n øng mïa ngo¹i trõ ®Õn khi nã ®­îc ph¶n ¸nh trong läc diÖn tÝch ®ãng gãp dùa trªn l­u l­îng. Trong ¸p dông kh¸c cña m« h×nh song tuyÕn tÝnh cho s«ng Conning ë Austrlia Young vµ nnk (997) ®· chØ ra r»ng ph­¬ng ph¸p nµy cã thÓ gi¶i thÝch 95,8% cña ph­¬ng sai l­u l­îng ngµy trong thêi kú 2 n¨m, bao gåm c¶ mïa hÌ kh« h¹n. Mét phÊn sè liÖu ®­îc t¸ch ra ®Ó kiÓm tra tÝnh phï hîp m« h×nh cho 2 n¨m sè liÖu tiÕp theo ®· ®­a ®Õn hÇu hÕt lµ phï hîp tèt (88,9 vµ 92,4%). M« h×nh IHACRES ®· tÝnh to¸n ®é kh« vµ ­ít mïa b»ng c¸ch ®­a vµo biÕn nhiÖt ®é nh­ lµ ®Çu vµo cho thµnh phÇn läc m­a hiÖu qu¶ phi tuyÕn. Young vµ Beven (1994) trong vÝ dô thø 2 cña m« h×nh ho¸ l­u l­îng ngµy cho 1 trong c¸c l­u vùc Coweeta còng chØ ra r»ng nhiÖt ®é cã thÓ dïng nh­ lµ biÕn ®¹i diÖn ®Ó c¶i thiÖn ®é chÝnh x¸c cña m« h×nh thêi kú dµi h¬n. 4.5. PhÇn mÒm TFM 103
  12. Mét trong c¸c phÇn mÒm giíi thiÖu ë phô lôc A lµ TFM cung cÊp mét thùc hµnh cña ph­¬ng ph¸p m« h×nh hµm chuyÓn ®æi m« t¶ ë trªn. Nã ®­îc thiÕt lËp riªng cho m« h×nh m­a-dßng ch¶y trong thêi kú sè liÖu ng¾n vµ bao gåm 2 d¹ng kh¸c nhau cña läc m­a hiÖu qu¶ còng nh­ mét thuËt to¸n cho cÊu tróc hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh vi ph©n phï hîp. 2 ph­¬ng ph¸p läc lµ xÊp xØ l­îng tr÷ trong ®Êt t­¬ng tù nh­ m« h×nh IHACRES nh­ng kh«ng cã sù bæ sung nhiÖt ®é vµ xÊp xØ quy luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh cña ph­¬ng ph¸p c¬ häc, dùa trªn sè liÖu cña Young vµ Beven. Bé sè liÖu kiÓm tra cung cÊp lµ sè liÖu cña tr­êng hîp nghiªn cøu l­u vùc C16. 4.6. C¸c hµm phi tuyÕn vµ chuyÓn ®æi nhiÒu ®Çu vµo M« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh ®Çu vµo ®¬n gi¶n m« t¶ ë trªn nãi chung lµm viÖc tèt nÕu sè liÖu s½n cã cho viÖc hiÖu chØnh, mÆc dï nÕu d¹ng cña hµm chuyÓn ®æi kh«ng ®­îc phÐp phøc t¹p cho viÖc hiÖu chØnh, m« h×nh ®· x¸c ®Þnh th­êng kh«ng cã d¹ng song song l­u ý ë trªn. Còng râ rµng lµ ®é bÊt ®Þnh nµo ®ã vÒ d¹ng xÊp xØ cña läc phi tuyÕn ®­îc dïng ®Ó khëi t¹o l­îng m­a hiÖu qu¶ ®­îc diÔn to¸n qua hµm chuyÓn ®æi. Quan t©m sím h¬n vÒ tÝnh tuyÕn tÝnh cña ph¶n øng thuû v¨n rót ra tõ mét sè nç lùc ®Ó t¹o ra mét hµm chuyÓn ®æi phi tuyÕn (vÝ dô Amorocho vµ Brandstetter, 1971; Diskin vµ Bonch, 1973). C¸c nç lùc sím nµy dùa trªn viÖc sö dông chuçi Voltera (còng xem c¸c nghiªn cøu gÇn ®©y cña Ahsan vµ O’connor 1994, G.C.Liang vµ nnk 1994). GÇn ®©y h¬n, mét ph­¬ng ph¸p luËn míi dùa vµo viÖc më réng ph©n lo¹i c¸c m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t thµnh tr­êng hîp phi tuyÕn b»ng sö dông m« h×nh NARMAX (trung b×nh tr­ît tù håi quy phi tuyÕn víi c¸c ®Çu vµo ngo¹i sinh) ®· ®­îc ¸p dông cho c¸c bµi to¸n thuû v¨n. Tabrizi vµ nnk (1998) giíi thiÖu m« h×nh NARMAX cã thÓ ¸p dông nh­ thÕ nµo cho c¶ tr­êng hîp ®Çu vµo ®¬n vµ ®Çu vµo béi. Mét c¸ch kh¸c cña sù bæ sung bµi to¸n phi tuyÕn d­íi d¹ng c¸c th«ng sè hµm chuyÓn ®æi biÕn thêi gian hoÆc kh«ng dõng (xem hép 4.3). §©y lµ ph­¬ng ph¸p cÇn thiÕt øng dông trong chiÕn l­îc m« h×nh DBM m« t¶ ë trªn, ë ®ã hµm luü thõa ®­îc dïng ®Ó gãi gän sù biÕn ®æi th«ng sè ®· kh¶o s¸t b»ng ph©n tÝch biÕn thêi gian. T¸c phÈm kh«ng c«ng bè gÇn ®©y cña Peter Young dùa trªn ¸p dông lµm tr¬n kho¶ng cè ®Þnh cho c¸c tung ®é l­u l­îng lùa chän gîi ý r»ng cã kh¶ n¨ng ®Ó läc phi tuyÕn cña c¸c trËn m­a phøc t¹p h¬n trong t­¬ng lai. Mét vÊn ®Ò kh¸c ®ang tiÕp tôc trong m« h×nh TFM lµ sö dông chuçi ®Çu vµo m­a béi trong m« h×nh ho¸ l­u l­îng, rót ra tõ nhiÒu tr¹m ®o m­a trªn l­u vùc hoÆc tõ sè liÖu m­a ra®a. C¸c hµm chuyÓn ®æi ®Çu vµo m­a béi ®· ®­îc ®Ò nghÞ, ch¼ng h¹n, bëi G.C.Liang vµ nnk (1994). Mét vÊn ®Ò chÝnh víi c¸c ph­¬ng ph¸p nµy lµ t­¬ng quan mong ®îi trong sè c¸c ®Çu vµo béi. Trong tr­êng hîp chung cã thÓ kh«ng cã phÐp gi¶i duy nhÊt cho bµi to¸n ®Çu vµo béi - ®Çu ra ®¬n (Cooper vµ Wood 1982) vµ x¸c ®Þnh th« c¸c gi¸ trÞ th«ng sè lµ khã kh¨n. Mét c¸ch gi¶i cho bµi to¸n nµy ®­îc ®Ò nghÞ bëi Cooper vµ Wood 1982) sö dông t­¬ng quan chÝnh t¾c ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc m« h×nh thÝch hîp vµ ­íc l­îng ®é h÷u hiÖu ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè yªu cÇu. 4.7. Suy diÔn vËt lý cña hµm chuyÓn ®æi 104
  13. Trong 2 môc tr­íc hµm chuyÓn ®æi ®­îc lµm phï hîp víi sè liÖu b»ng m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t ph¸t triÓn trong hép 4.1. Dï sao, cã thÓ ph¸t triÓn hµm chuyÓn ®æi dùa trªn d¹ng cña l­u vùc trong c¸ch t­¬ng tù nh­ gi¶i thÝch ®å thÞ thêi gian- diÖn tÝch cña Clack (1945) cña ®­êng ®¬n vÞ. Chóng ta sÏ xem xÐt 2 d¹ng gÇn ®©y nhÊt cña hµm chuyÓn ®æi dùa trªn d¹ng l­u vùc, mét dùa trªn hµm ®é réng l­íi s«ng, d¹ng kh¸c lµ ®­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o. Dï sao, l­u ý r»ng c¶ 2 ph­¬ng ph¸p nµy chØ viÕt vÒ vÊn ®Ò diÔn to¸n mµ kh«ng nãi bao nhiªu l­îng m­a ®Ó diÔn to¸n. Nh­ vËy, c¶ 2 yªu cÇu ­íc l­îng tr­íc cña l­îng m­a hiÖu qu¶ nh­ng cã thÓ sö dông sù ®a d¹ng cña m« h×nh m­a hiÖu qu¶ ®­a ra trong ch­¬ng 2 vµ bé läc phi tuyÕn m« t¶ ë phÇn tr­íc ch­¬ng nµy. Trong khÝa c¹nh nµy chóng lµ ®­êng ®¬n vÞ cæ ®iÓn theo truyÒn thèng. 4.7.1. Sö dông hµm ®é réng l­íi s«ng DiÔn biÕn dßng ch¶y trªn l­u vùc lµ hµm cña c¶ ph¶n øng s­ên dèc vµ lßng s«ng. C«ng tr×nh cña Kirtby (1976), Beven vµ Wood (1993) ®· giíi thiÖu thêi gian trÔ trong l­u vùc nhá cã ­u thÕ nh­ thÕ nµo ®Õn diÔn to¸n cña dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt trªn s­ên dèc, trong khi ë l­u vùc lín diÔn to¸n trong l­íi s«ng ®ãng vai trß ­u tiªn quan träng ®Õn h×nh d¹ng thñy ®å, ®Æc biÖt qua ®iÒu kiÖn trµn b·i. NÕu ®Çu vµo dßng ch¶y s­ên dèc cho l­íi s«ng ®­îc m« t¶ däc theo tõng ®o¹n cña l­íi s«ng th× Ýt nhÊt trong l­u vùc lín h×nh d¹ng thuû ®å sÏ ph¶n ¸nh d¹ng cña l­íi. §©y lµ hËu thuÉn lý t­ëng sö dông hµm ®é réng l­íi s«ng ®Ó suy ra hµm chuyÓn ®æi cho dßng ch¶y trong l­íi s«ng. Hµm ®é réng l­íi s«ng ®­îc h×nh thµnh bëi tÝnh sè ®o¹n s«ng ë kho¶ng c¸ch nhËn ®­îc tõ cöa ra l­u vùc (xem h×nh 4.6). H×nh d¹ng l­íi s«ng kh¸c nhau sÏ ®­a ®Õn hµm ®é réng kh¸c nhau. D­íi gi¶ thiÕt tèc ®é sãng kh«ng ®æi trong l­íi s«ng (kh«ng cã ý r»ng tèc ®é ph¶i kh«ng ®æi ë mäi n¬i, xem Beven 1979 vµ môc m« h×nh sãng ®éng häc cña dßng ch¶y s¸t mÆt trong ch­¬ng 5) hµm ®é réng cã thÓ dïng trùc tiÕp nh­ mét hµm chuyÓn ®æi ®Ó diÔn to¸n ®Çu vµo dßng ch¶y ®i vµo kªnh. D¹ng nµy cña thuËt to¸n diÔn to¸n ®· ®­îc sö dông, ch¼ng h¹n, trong phÇn mÒm TOPMODEL cña ch­¬ng 6. Nã cã ­u ®iÓm lµ nã yªu cÇu chØ hµm ®é réng l­íi s«ng cã thÓ suy ra trùc tiÕp tõ b¶n ®å hoÆc sè liÖu ®Þa h×nh sè vµ mét th«ng sè ®¬n gi¶n, tèc ®é sãng trong s«ng. Nh­îc ®iÓm cña nã lµ kh«ng xö lý t­êng minh diÔn to¸n trªn s­ên dèc vµ truyÒn h×nh d¹ng cña hµm ®é réng vµo trong diÔn to¸n dßng ch¶y ®Õn cöa ra l­u vùc v× cho mét ®¬n vÞ ®Çu vµo mäi chç däc theo kªnh, h×nh d¹ng cña thñy ®å kÕt qu¶ sÏ ph¶n ¸nh trùc tiÕp hµm ®é réng. §iÒu nµy dÜ nhiªn bÞ che khuÊt nÕu cÊu tróc kh¸c nhau cña dßng ch¶y ®­îc s¶n sinh tõ nh÷ng phÇn kh¸c nhau cña l­u vùc. C¶ 2 giíi h¹n nµy cã thÓ ®­îc gi¶m nhÑ. Kh«ng khã kh¨n trong ph©n tÝch sè liÖu ®Þa h×nh sè ho¸ ®Ó suy ra kho¶ng c¸ch ®Õn s«ng gÇn nhÊt cho mçi ®iÓm trªn s­ên dèc l­u vùc. §Ó d¹ng tiÕp cËn nµy cã thÓ më réng ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y mÆt (Ýt nhÊt) cho s«ng, cã lÏ ph¶i dïng tèc ®é kh¸c. Thø 2 lµ, Mesa vµ Miffin (1986) vµ Na®en (1992) ®· chØ ra r»ng thuËt to¸n diÔn to¸n khuÕch t¸n trong mçi ®o¹n cã thÓ thùc hiÖn t­¬ng ®èi dÔ dµng b»ng viÖc ®­a thªm vµo mét th«ng sè. 105
  14. H×nh 4.6. (a) L­íi vµ (b). Hµm ®é réng l­íi s«ng cña l­u vùc s«ng Hodder (250km2) V­¬ng quèc Anh (Beven vµ Wood 1993). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña cña John Wiley & Sons Limited ThuËt to¸n hµm ®é réng l­íi s«ng khuÕch t¸n còng ®¹t ®­îc mét sù phæ biÕn gÇn ®©y, bªn trong lÜnh vùc thñy v¨n quy m« lín cho phÐp diÔn to¸n dßng ch¶y ë quy m« ch©u lôc trong hiÖu qu¶ tÝnh to¸n. M« h×nh cña Naden (1993) ¸p dông cho c¸c l­u vùc Amazon vµ Arkansas-Red sö dông ®Çu vµo t¹o ra GCM bëi Naden vµ nnk (1999). Nã còng bao gåm nh­ mét thµnh phÇn cña m« h×nh quy m« lín th¶o luËn ë ch­¬ng 9. ë quy m« nµy nãi chung cÇn ph¶i ­íc l­îng th«ng sè diÔn to¸n yªu cÇu bëi m« h×nh. Cho mét kªnh ®Òu, tèc ®é sãng hiÖu qu¶ C vµ th«ng sè ph©n t¸n D, cã thÓ lËp quan hÖ gÇn ®óng víi c¸c ®Æc tr­ng dßng ch¶y t¹i 1 ®iÓm nh­ sau: 3 C v0 (4.5) 2  F02  q0 1   D (4.6)  4 2S 0   trong ®ã v0 lµ tèc ®é trung b×nh ë mét l­u l­îng tham chiÕu q0, trong kªnh ®é dèc ®¸y S0 vµ sè Frut F0. Trong l­u vùc lín, c¸c ®Æc tr­ng l­u l­îng vµ kÝch th­íc kªnh sÏ thay ®æi theo dßng ch¶y. C«ng tr×nh cña Snell vµ Sivapalan (1995) vµ Robinson vµ nnk (1995) chØ ra gi¸ trÞ hiÖu qu¶ cho c¸c th«ng sè nµy trªn hÇu hÕt l­íi s«ng cã thÓ liªn hÖ nh­ thÕ nµo t¹i mét vÞ trÝ vµ h×nh d¹ng thñy lùc h¹ l­u cña kªnh. ¦íc l­îng th«ng sè ®­îc coi lµ rÊt gÇn ®óng vµ c«ng tr×nh tiÕp theo cÇn ®¸nh gi¸ thñ tôc diÔn to¸n vµ c¶i 106
  15. tiÕn chóng b»ng c¸ch tÝnh ®Çy ®ñ sù biÕn ®æi cña th«ng sè bªn trong c¸c l­íi s«ng lín nµy. 4.7.2. §­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o (GUH) H×nh 4.7. S¬ ®å ph©n cÊp cña m¹ng s«ng khi sö dông trong suy diÔn ®­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o Liªn quan ®Õn viÖc sö dông hµm ®é réng l­íi s«ng nh­ mét hµm chuyÓn ®æi lµ kh¸i niÖm ®­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o. ý t­ëng nµy ®­îc ®­a ra lÇn ®Çu bëi Iguacio Rodriguez-Iturbe trong mét lo¹t c¸c bµi b¸o (tãm t¾t trong Rodriguez-Iturbe 1993) kh¶o s¸t liªn kÕt nh©n - qu¶ gi÷a d¹ng s­ên dèc, s¶n sinh dßng ch¶y, ®é che phñ kªnh vµ ph¸t triÓn l­íi s«ng. L­íi lµ sù ph¶n ¸nh c¬ chÕ s¶n sinh dßng ch¶y cña s­ên dèc ho¹t ®éng trong mét thêi kú dµi nh­ng sù ph¸t triÓn l­íi s«ng cã ¶nh h­ëng båi d­ìng trë l¹i d¹ng s­ên dèc vµ s¶n sinh dßng ch¶y sau ®ã. C¸c liªn kÕt ®Þa m¹o nµy ®­a ®Õn sù ®Òu ®Æn cña cÊu tróc h×nh d¹ng l­u vùc vµ cã thÓ ®­a ­u ®iÓm cña sù ®Òu ®Æn nµy vµo dù b¸o dßng ch¶y. Sù ®Òu ®Æn ®· ®­îc nghiªn cøu bëi c¸c nhµ ®Þa m¹o cho mét thêi gian dµi vµ ®· ®­îc tãm t¾t trong quy luËt Horton diÔn t¶ c¸c quan hÖ mong ®îi gi÷a sè l­îng s«ng, diÖn tÝch th­îng l­u, ®é dµi vµ ®é dèc s«ng cho c¸c cÊp s«ng kh¸c nhau; trong hÖ th«ng ph©n cÊp Strahler, s«ng cÊp 1 lµ s«ng kh«ng cã ®iÓm hîp l­u th­îng l­u (mét liªn kÕt ngoµi trªn l­íi), s«ng cÊp 2 lµ s«ng h×nh thµnh bëi sù hîp l­u cña 2 s«ng cÊp 1 (t¹o ra mét liªn kÕt trong ) vµ v.v... (h×nh 4.7) §­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o khi ®ã ®­îc ph¸t triÓn bëi xem xÐt x¸c suÊt ®ãng gãp cña “h¹t m­a” vµo dßng s«ng ë cÊp ®­a ra vµ xem xÐt “ph©n bè thêi gian l­u gi÷” cho c¶ s­ên dèc vµ dßng s«ng ë mçi cÊp. PhÇn quan träng cña lý thuyÕt lµ c¸ch trong ®ã nã sö dông luËt Horton ®Ó x¸c ®Þnh x¸c suÊt cña h¹t ®ãng gãp vµo mçi cÊp cña dßng s«ng vµ liªn kÕt víi c¸c s«ng thuéc cÊp kh¸c nhau. VÝ dô, s«ng cÊp 3 sÏ cã mét ®ãng gãp trùc tiÕp nµo ®ã tõ s­ên dèc ®Þa ph­¬ng, mét ®ãng gãp tõ c¸c s«ng cÊp 2 cung cÊp cho nã tõ th­îng l­u vµ kh¶ n¨ng ®ãng gãp tõ c¸c s«ng cÊp 1 bæ sung. Hoµn thiÖn lý thuyÕt lµ phøc t¹p vµ phô thuéc vµo chÊp nhËn mét sè gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n vÒ sù ph©n bè thêi gian l­u gi÷ cho dÔ xö lý to¸n häc. Nh­ vËy, b¾t ®Çu tõ Rodriguez-Iturbe vµ Vandes (1979) cã nh÷ng nç lùc ®¬n gi¶n kÕt qu¶ dù b¸o trong d¹ng hµm cña ®­êng ®¬n vÞ. Hä 107
  16. rót ra biÓu thøc cho thêi gian lò lªn vµ ®Ønh lò cña ®­êng ®¬n vÞ tam gi¸c. Rosso (1984) lµm nh­ thÕ cho hµm mËt ®é x¸c suÊt Gama (nghÜa lµ d¹ng to¸n häc cña bÓ chøa bËc thang Nash th¶o luËn ë môc 2.3). Sau ®ã Chutha vµ Dooge (1990) chØ ra r»ng tÊt c¶ c¸c d¹ng cña GUH gi¶ thiÕt mét thêi gian l­u gi÷ d¹ng hµm mò cho mçi ®o¹n s«ng cña m¹ng ph¶i d­íi c¸c gi¶ thiÕt ®Þa m¹o sinh ra c¸c GUH kÕt thóc trong d¹ng ph©n bè Gama. Nh¾c l¹i r»ng ®­êng ®¬n vÞ ph©n bè Gama ®­îc x¸c ®Þnh b»ng 2 th«ng sè N vµ K (ph­¬ng tr×nh 2.2), ë ®©y trong bÓ chøa bËc thang Nash N lµ sè bÓ chøa tuyÕn tÝnh trong chuçi (nã kh«ng cÇn lµ mét sè nguyªn), mçi bÓ cã h»ng sè thêi gian K. Rosso (1984) chØ ra r»ng 2 th«ng sè N vµ K cã liªn hÖ víi cÊu t¹o ®Þa m¹o cña l­íi kªnh nh­: 0 , 78 R  RL ,07 0 N  3,29  A  (4.7)  RB  vµ 0, 48 R  L v 1 K  0.70 A  (4.8)  RB RL  trong ®ã RB lµ tû sè ph©n nh¸nh cña l­íi vµ b»ng tû sè cña sè s«ng cÊp  cho sè s«ng cÊp  +1, RA lµ tû sè diÖn tÝch cña l­íi vµ b»ng tû sè cña diÖn tÝch l­u vùc trung b×nh cña s«ng cÊp  vµ cÊp  +1, RL lµ tû sè ®é dµi cña l­íi vµ b»ng tû sè ®é dµi trung b×nh cña s«ng cÊp  vµ cÊp  +1, L lµ ®é dµi cña s«ng cÊp cao nhÊt vµ v lµ tèc ®é trung b×nh dßng s«ng. HiÖn nay cã nhiÒu nghiªn cøu sö dông GUH trong c¸c t×nh huèng dù b¸o kh¸c nhau tõ dù b¸o thñy ®å, dù b¸o tÇn suÊt lò, dù b¸o vËn chuyÓn chÊt « nhiÔm, dù b¸o t¸c ®éng cña biÕn ®æi khÝ hËu vµ dù b¸o hiÖu suÊt bïn c¸t l­u vùc (tãm t¾t cã Ých cã thÓ t×m ®­îc trong Rodriguez-Iturbe 1993, Rodriguez-Iturbeb vµ Rinando 1997). L­u ý r»ng còng nh­ tû sè diÖn tÝch vµ ®é dµi ph©n nh¸nh cña l­íi s«ng, cã 1 th«ng sè tèc ®é ®Ó hiÖu chØnh trong cïng mét ph­¬ng ph¸p mµ tiÕp cËn hµm ®é réng l­íi s«ng tèc ®é kh«ng ®æi cña phÇn tr­íc còng yªu cÇu mét th«ng sè tèc ®é ®­îc x¸c ®Þnh. §iÒu nµy nãi chung ®­îc hiÖu chØnh b»ng sè liÖu m­a hiÖu qu¶ vµ thñy ®å m­a nh­ng gi¸ trÞ ®­îc suy ra phô thuéc vµo c«ng thøc cña GUH sö dông. Al-Waglang vµ Rao (1998), ch¼ng h¹n, ®· chØ ra r»ng hiÖu chØnh cho 3 c«ng thøc kh¸c nhau cña GUH lµ kh¸c nhau nh­ng c¸c gi¸ trÞ tèc ®é cã t­¬ng quan. Thùc tÕ, l­íi s«ng ®Çy ®ñ b©y giê cã thÓ suy ra dÔ dµng tõ sè liÖu GIS hoÆc sè ho¸, h×nh nh­ nã kh«ng cã nhiÒu ­u thÕ biÓu thÞ l­íi trong tû sè ®Þa m¹o cña nã h¬n lµ sö dông cÊu tróc l­íi ®Çy ®ñ. Mét sè th«ng tin chi tiÕt vÒ l­íi sÏ bÞ mÊt trong tû sè GUH v× luËt Horton chØ lµ mét quan hÖ gÇn ®óng. Beven (1986a) ®· th¶o luËn sö dông ph­¬ng ph¸p hµm ®é réng l­íi nh­ mét thay thÕ cho ®­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o (còng xem Naden 1992, Naden vµ nnk 1999). Sau ®ã Gandolfi vµ nnk (1999) ®· sö dông ph­¬ng ph¸p tam gi¸c ®Ó ph©n bè diÖn tÝch ®ãng gãp cho l­íi s«ng nh­ lµ c¬ së cho m« h×nh diÔn to¸n. Nash vµ Shamseldin (1998) gÇn ®©y nhÊt ®· gîi ý r»ng gi¶ thiÕt thêi gian l­u gi÷ cña ph­¬ng ph¸p GUH cã thÓ thu hÑp qu¸ møc d¹ng cña ®­êng ®¬n vÞ vµ ®iÒu nµy ®­îc thªm vµo mét Ýt b»ng tû sè ®Þa m¹o cho ®­êng ®¬n vÞ hå chøa bËc thang Nash gèc. Hä gîi ý r»ng lý thuyÕt GUH ph¶i 108
  17. ®­îc xem xÐt nh­ gi¶ thiÕt kh«ng ®­îc kiÓm tra ®Çy ®ñ. 4.8. Sö dông m« h×nh hµm chuyÓn ®æi trong dù b¸o lò Dù b¸o lò lµ mét trong nh÷ng ¸p dông quan träng nhÊt cña m« h×nh m­a-dßng ch¶y. Dù b¸o lò yªu cÇu c¸c quyÕt ®Þnh ®­îc lµm lµ liÖu c¸c c¶nh b¸o lò cã ®­îc ph¸t ra trªn c¬ së sè liÖu thu nhËn tõ c¸c tr¹m m­a, h×nh ¶nh m­a ra®a vµ tr¹m dßng ch¶y, vµ dù b¸o m« h×nh nh­ sù kiÖn x¶y ra trong “thêi gian thùc” kh«ng. §iÒu yªu cÇu lµ c¸c dù b¸o vµ c¶nh b¸o nµy ®­îc lµm cµng chÝnh x¸c vµ cµng xa vÒ phÝa tr­íc hay thêi gian dù kiÕn lín nhÊt cã thÓ ®­îc. Chóng ta cã thÓ dïng m« h×nh cho c¸c dù b¸o ®· ®­îc hiÖu chØnh trªn bé sè liÖu lÞch sö nh­ng chóng ta th­êng thÊy r»ng suèt mét trËn lò c¸c dù b¸o m« h×nh cña mùc n­íc vµ l­u l­îng s«ng sÏ b¾t ®Çu lÖch khái c¸c gi¸ trÞ nhËn ®­îc trùc tiÕp ë c¬ quan dù b¸o lò tõ c¸c tr¹m ®o tõ xa. Nh­ vËy trong bÊt kú t×nh huèng dù b¸o lò nµo ®iÒu cã lîi lµ cã c¸c ph­¬ng ph¸p cho phÐp cËp nhËt thêi gian thùc cña dù b¸o nh­ sù tiÕn triÓn cña sù kiÖn, vµ ®­a ra mét chØ dÉn c¸c dù b¸o cã thÓ bÊt ®Þnh nh­ thÕ nµo? Ph­¬ng ph¸p dù b¸o dùa trªn m« h×nh hµm chuyÓn ®æi lµ thÝch hîp lý t­ëng cho c¸c yªu cÇu nµy vµ ®· ®­îc chÊp nhËn hoµn toµn réng r·i (vÝ dô Moore vµ nnk 1996, Sempere Torres vµ nnk (1992), Cluckie1993). Mét sè ¸p dông ®­îc ®­a ra bëi Lees vµ nnk (1994) ®· m« t¶ sù thùc hiÖn hÖ thèng dù b¸o lò cho thÞ trÊn Dumfries trªn s«ng Nith ë Scotland, ®­îc m« t¶ chi tiÕt h¬n nh­ tr­êng hîp nghiªn cøu trong ch­¬ng 8. 4.9. M« h×nh m­a-dßng ch¶y kinh nghiÖm dùa trªn kh¸i niÖm m¹ng thÇn kinh Mét sù thay thÕ vµ tiÕp cËn gÇn ®©y cho m« h×nh m­a-dßng ch¶y lµ sö dông m¹ng H×nh 4.8. CÊu tróc cña m¹ng thÇn kinh chØ ra c¸c nót ®Çu vµo ®Çu ra vµ líp ®¬n cña c¸c nót Èn. Mçi liªn kÕt liªn hÖ víi Ýt nhÊt mét hÖ sè (cã thÓ b»ng 0) 109
  18. H×nh 4.9. ¸p dông m¹ng thÇn kinh cho m« h×nh ho¸ m­a-dßng ch¶y cho dù b¸o lò l­u vùc s«ng Tgliamento, B¾c Italya (1950km2) Thêi gian dù kiÕn 1, 3, 5h dùa trªn sè liÖu ®Çu vµo cña m­a trÔ tõ 5 vÞ trÝ trªn 15 b­íc thêi gian tr­íc vµ l­u l­îng tõ 5 b­íc thêi gian tr­íc ®ã (Campolo vµ nnk 1999). T¸i t¹o tõ Nghiªn cøu tµi nguyªn n­íc 35: 1191-1197, XuÊt b¶n bëi Héi ®Þa vËt lý Mü thÇn kinh nh©n t¹o. M¹ng thÇn kinh b¾t nguån tõ nghiªn cøu trong trÝ tuÖ nh©n t¹o nh­ cè g¾ng ®¬n gi¶n ®Ó b¾t ch­íc sù lµm viÖc cña bé n·o trong d¹ng cña c¸c nót liªn kÕt bëi c¸c n¬ron. M¹ng thÇn kinh nh©n t¹o ®¬n gi¶n nhÊt liªn hÖ mét tÝn hiÖu ®Çu vµo (ë ®©y chóng ta quan t©m c¸c ®Çu vµo bao gåm ®o ®¹c m­a vµ dßng ch¶y qu¸ khø) víi mét tÝn hiÖu ®Çu ra (l­u l­îng hiÖn thêi hoÆc t­¬ng lai) b»ng trung b×nh cña chuçi hµm träng sè, cã thÓ chøa sè c¸c líp nót liªn kÕt bªn trong, bao gåm c¸c “líp Èn” trung gian (h×nh 4.8). Mét sè ¸p dông ®· sö dông hµm läc bæ sung (hµm chuyÓn ®æi ®¬n gi¶n c¬ b¶n) cho mçi nót trong líp Èn, sao cho ®Çu ra còng phô thuéc vµo d¹ng vµ th«ng sè ho¸ c¸c hµm nµy. Mét sù ®a d¹ng cña c¸c kü thuËt lµ s½n cã ®Ó x¸c ®Þnh mét cÊu tróc m« h×nh gÇn ®óng vµ c¸c träng sè trªn mét tËp hîp luyÖn cña sè liÖu ®Çu vµo vµ ®Çu ra. Cã mét sù t­¬ng tù gi÷a träng sè m¹ng thÇn kinh vµ c¸c th«ng sè cña c¸c tiÕp cËn m« h×nh kh¸c, gi÷a bé luyÖn vµ mét thêi kú chóng ta gäi tr­íc cña sè liÖu hiÖu chØnh. Lµm viÖc trong m¹ng thÇn kinh th­êng kh«ng thÊy sù t­¬ng tù nµy, nh­ng ®iÒu cã lîi lµ mét trong sè ®ã nh­ lµ sù t¨ng th«ng sè ®­a ®Õn nhiÒu bËc tù do h¬n trong hiÖu chØnh, nh­ng cã thÓ ®­a ®Õn mét sù v­ît th«ng sè ho¸ víi sù chó ý ®Õn th«ng tin trong bé sè liÖu cña m¹ng thÇn kinh. Mét sù t¨ng sè líp Èn, sè nót vµ liªn kÕt bªn trong còng sÏ dÉn ®Õn nhiÒu bËc tù do h¬n trong sù phï hîp cña tËp hîp luyÖn còng nh­ víi kh¶ n¨ng v­ît th«ng sè ho¸. Mét sè nghiªn cøu cña bµi to¸n m­a-dßng ch¶y sö dông m¹ng thÇn kinh ®· ®­îc c«ng bè (vÝ dô Lek vµ nnk 1996, Minn vµ Hall 1996, Dawson vµ Wilby 1998), Fernando vµ Jayawardena 1998, Tokar vµ Johnson1999). PhÇn lín c¸c m« h×nh nµy ®· ®­îc t¹o ra cho dù b¸o N b­íc vÒ phÝa tr­íc h¬n lµ m« pháng mét thêi kú dµi. Sù 110
  19. s½n cã cña sè liÖu l­u l­îng vµ mùc n­íc thêi kú tr­íc nh­ ®Çu vµo cho m¹ng thÇn kinh lµ quan träng nhÊt cho thµnh c«ng cña c¸c m« h×nh nµy v× nã cho phÐp mét sè qu¸ tr×nh m­a-dßng ch¶y phi tuyÕn ®­îc ph¶n ¸nh trong m¹ng cho mét dù b¸o h¹n ng¾n. Campolo vµ nnk (1999) sö dông m¹ng thÇn kinh dùa vµo ®Çu vµo m­a vµ l­u l­îng béi ®­a ra mét thùc hiÖn tèt víi thêi gian dù kiÕn 5h cho l­u vùc Tagliamento 2480km2 ë Italia (H×nh 4.9). Trong dù b¸o m« h×nh m¹ng thÇn kinh còng sö dông theo cïng mét c¸ch nh­ hµm chuyÓn ®æi ®Ó dù b¸o mùc n­íc hoÆc l­u l­îng h¹ l­u s«ng khi cho tr­íc sè liÖu th­îng l­u (vÝ dô Thirumalaiah vµ Deo 1998). Mét nghiªn cøu ®· dïng m¹ng thÇn kinh ®Ó dù b¸o ®Ønh lò víi thêi kú lÆp l¹i 2 n¨m cho l­u vùc kh«ng ®o ®¹c nh­ sù thay thÕ cho ph­¬ng ph¸p håi quy béi. V­ît th«ng sè ho¸ cña m« h×nh m¹ng thÇn kinh liªn quan ®Õn th«ng tin trong bé luyÖn lµ mét kh¼ng ®Þnh víi d¹ng m« h×nh nµy (nh­ mét m« h×nh kinh nghiÖm bÊt kú). Sù nguy hiÓm cña v­ît th«ng sè ho¸ lµ nãi chung nã sÏ ®­a ®Õn mét ®é bÊt ®Þnh lín trong dù b¸o hoÆc ngo¹i suy, ®Æc biÖt trong dù b¸o hoÆc ngo¹i suy bªn ngoµi ph¹m vi cña tËp hîp luyÖn hoÆc hiÖu chØnh. Mét sù phï hîp tèt cho bé luyÖn kh«ng ®¶m b¶o mét kÕt qu¶ tèt trong dù b¸o khi ®iÒu kiÖn ®i ra ngoµi ph¹m vi cña tËp hîp luyÖn. 4.10. C¸c ®iÓm kho¸ tõ ch­¬ng 4  Ch­¬ng nµy ®· ®Ò cËp ®Õn m« h×nh ho¸ cho qu¸ tr×nh m­a-dßng ch¶y trùc tiÕp suy ra tõ sè liÖu mµ kh«ng xem xÐt râ rµng cña qu¸ tr×nh liªn quan.  Quan hÖ kinh nghiÖm dùa trªn ph©n tÝch håi quy ®· ®­îc sö dông réng r·i trong nghiªn cøu dù b¸o thuû v¨n. Quan hÖ håi quy th­êng ®­îc kÕt hîp víi mét ­íc l­îng ®é bÊt ®Þnh liªn quan ®Õn c¸c dù b¸o cña c¸c biÕn phô thuéc.  Kü thuËt hµm chuyÓn ®æi hiÖn ®¹i, mét më réng cña ph­¬ng ph¸p ®­êng ®¬n vÞ cã thÓ sö dông ®Ó suy ra c¸c th«ng sè quy m« l­u vùc trùc tiÕp dùa trªn ph©n tÝch c¸c quan tr¾c. Kü thuËt hµm chuyÓn ®æi yªu cÇu sù biÕn ®æi phi tuyÕn cña m­a vµ kÕt qu¶ sÏ phô thuéc vµo d¹ng chuyÓn ®æi chÊp nhËn. Trong ph­¬ng ph¸p c¬ häc dùa trªn sè liÖu cña Young vµ Beven (1994) mét tiÕp cËn phøc t¹p cho cÊu tróc m« h×nh ®­îc chÊp nhËn trong ®ã ­íc l­îng th«ng sè biÕn thêi gian ®­îc sö dông ®Ó gîi ý mét d¹ng chuyÓn ®æi phi tuyÕn.  C¸c hµm chuyÓn ®æi kÕt qu¶ th­êng lµ trong d¹ng song song, víi mét ®­êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ mét ®­êng dÉn dßng ch¶y chËm. §iÒu nµy kh«ng bao hµm trùc tiÕp bÊt kú gi¶i thÝch nµo trong d¹ng qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµ ph©n tÝch ®é nh¹y chØ ra r»ng ­íc l­îng tû lÖ l­îng m­a hiÖu qu¶ ®i theo mçi ®­êng dÉn cã thÓ lµ ®èi t­îng cho ®é bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ.  Hµm chuyÓn ®æi cã thÓ trùc tiÕp suy ra tõ cÊu tróc l­íi s«ng trong l­u vùc. Sö dông hµm ®é réng l­íi s«ng vµ ®­êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o ®· ®­îc th¶o luËn. C¶ 2 chØ nãi ®Õn vÊn ®Ò diÔn to¸n vµ ­íc l­îng l­îng m­a hiÖu qu¶.  C¸c ph­¬ng ph¸p m« h×nh m­a-dßng ch¶y dùa trªn sè liÖu kh¸c bao gåm c¶ m¹ng thÇn kinh liªn hÖ ®Çu vµo víi ®Çu ra. M« h×nh m¹ng thÇn kinh ®«i khi cã thÓ coi nh­ hµm chuyÓn ®æi nh­ng v× kh¶ n¨ng cña mét sè lín c¸c träng sè (c¸c th«ng sè) 111
  20. ®­îc x¸c ®Þnh cho tÊt c¶ c¸c liªn kÕt m¹ng, ph­¬ng ph¸p nµy kh«ng cã thÓ ®¹t chÝnh x¸c khi dù b¸o ra ngoµi ph¹m vi mµ víi nã lý thuyÕt ®· ®­îc ph¸t triÓn. Hép 4.1. M« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh Khèi x©y dùng: BÓ chøa tuyÕn tÝnh bËc 1. Mét bÓ chøa tuyÕn tÝnh lµ mét phÇn tö m« h×nh mµ ®Çu ra ®· dù b¸o: Q(L3T-1), tû lÖ trùc tiÕp víi l­îng tr÷ S [L3] (xem h×nh B4.1.1). Nh­ vËy gi¶ thiÕt: (4.9) Q  S /T ë ®©y: T[T] lµ th«ng sè t­¬ng ®­¬ng víi thêi gian duy tr× trung b×nh cña bÓ chøa. Víi n­íc, bÓ chøa tuyÕn tÝnh lµ t­¬ng ®­¬ng vÒ vËt lý víi mét c¸i thïng ph¼ng mÆt cã mét lç ë ®¸y, cho phÐp l­îng tr÷ trong thïng tho¸t dÇn nh­ ®Çu ra Q. Ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi n­íc cho bÓ chøa (hoÆc thïng) tuyÕn tÝnh cã thÓ viÕt nh­ sau: dS (4.10) U Q st dS lµ tû sè biÕn ®æi l­îng tr÷ theo thêi gian vµ U(L3T-1) lµ mét c­êng ë ®©y, vi ph©n dt ®é ®Çu vµo (ë ®©y lµ m­a hiÖu qu¶). §Ó thu ®­îc ph­¬ng tr×nh cña ®Çu ra Q, v× dS  T ta cã thÓ biÕn ®æi ph­¬ng tr×nh nµy thµnh: dt dQ T U Q (4.11) dt H×nh B4.1.1. L­îng tr÷ tuyÕn tÝnh Chóng ta gi¶ thiÕt r»ng chuçi ®Çu vµo cã thÓ chuyÓn ®æi phï hîp thµnh ®Çu vµo hiÖu qu¶ cã liªn hÖ tuyÕn tÝnh víi ®Çu ra. Cho mét m« h×nh ®¬n gi¶n cña ®Çu vµo m­a hiÖu qu¶, ph­¬ng tr×nh nµy cã thÓ gi¶i b»ng gi¶i tÝch. VÝ dô cho mét ®Çu vµo tøc thêi cña l­îng m­a hiÖu qu¶ U vµo mét bÓ chøa ban ®Çu kh« h¹n t¹i thêi ®iÓm t0: U* exp t  t 0  / T  (4.12) Qt  T 112
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học