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