MÔ HÌNH TOÁN VỀ THUỶ VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN HỮU KHẢI NGUYỄN THANH SƠN MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 2 MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................................................3 LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................5 Chương 1. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN...........6 1.1. KHÁI NIỆM VỀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN.......................................................................................................................6 1.1.1 Khái niệm về phân tích hệ thống (Systematical analysis)........................6 1.1.2. Khái niệm mô hình toán thủy văn............................................................9 1.2. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN.............................................14 1.2.1. Mô hình tất định (Deterministic model) ................................................15 1.2.2. Mô hình ngẫu nhiên(Stochastic model).................................................18 1.3. SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN.23 Chương 2. MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH............................................................................26 2.1 NGUYÊN TẮC CẤU TRÚC MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH..................................26 2.1.1 Nguyên tắc mô phỏng .............................................................................26 2.1.2 Cấu trúc mô hình tất định.......................................................................28 2.2 NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MÔ HÌNH " HỘP ĐEN..........................................................................................................30 2.2.1. Một số cấu trúc mô hình tuyến tính cơ bản...........................................33 2.2.2 Hàm ảnh hưởng. Biểu thức toán học lớp mô hình tuyến tính................38 2.3. NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG MÔ HÌNH "QUAN NIỆM" DÒNG CHẢY. 41 2.3.1. Xây dựng cấu trúc mô hình....................................................................42 2.3.2 Xác định thông số mô hình ....................................................................44 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ MÔ HÌNH.....................47 2.4.1. Các tiêu chuẩn đánh giá mô hình..........................................................48 2.4.2. Lựa chọn thông số tối ưu.......................................................................49 2.5 GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH THÔNG DỤNG......................50 2.5.1. Mô hình Kalinhin - Miliukốp - Nash....................................................50 2.5.2 Mô hình TANK........................................................................................53 2.5.3 Mô hình SSARR.......................................................................................67 2.5.4. Mô hình diễn toán châu thổ...................................................................75 2.5.5 Một số kết quả ứng dụng mô hình tất định ở Việt Nam..........................79 Chương 3. MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN......................................................................80 3.1 CẤU TRÚC NGUYÊN TẮC CỦA MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN ..................80 3.1.1 Nguyên tắc mô phỏng .............................................................................80 3.1.2. Cấu trúc của mô hình ngẫu nhiên .........................................................94 3.2. CÁC LOẠI MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN .......................................................98 3.2.1. Mô hình ngẫu nhiên độc lập thời gian...................................................98 3.2.2. Mô hình ngẫu nhiên tương quan .........................................................106 3.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ................................................120 3.3.1. Tiêu chuẩn đánh giá mô hình..............................................................120 3.3.2. Phương pháp xác định thông số mô hình...........................................124 3.3.3. Phương pháp tạo chuỗi mô hình hoá ..................................................134 3.4. MỘT SỐ MÔ HÌNH NGẪU NHIÊN THÔNG DỤNG HIỆN NAY.........139 3 3.4.1. Mô hình tự hồi quy trung bình trượt ARIMA (AUTOREGRESIVE INTERGRATED MOVING AVERAGE MODEL)..........................................139 3.4.2. Mô hình MARKOV (MARKOV MODEL)............................................153 3.4.3. Mô hình động lực thống kê Aliôkhin (Statistic dynamical model) .....164 3.4.4. Mô hình THORMAT-FIERING............................................................166 Chương 4. ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN...........................168 4.1. ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THUỶ VĂN....................................168 4.1.1. Sử lý và quản lý số liệu thủy văn .........................................................168 4.1.2. Dự báo và tính toán thủy văn ..............................................................169 4.2. ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THUỶ LỢI......................................176 4.2.1. Đánh giá các đặc trưng thống kê ........................................................176 4.2.2. Quy hoạch và điều hành hệ thống nguồn nước...................................178 4.3. BÀI TẬP ỨNG DỤNG...............................................................................179 4.3.1. Bài tập số 1: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SSARR. ..................................179 4.3.2. Bài tập số 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ARIMA...................................189 4 LỜI NÓI ĐẦU Mô hình toán trong thuỷ văn đang ngày càng phát triển, được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và bắt đầu được đưa vào chương trình giảng dạy và học tập ở bặc đại học. Tuy nhiên hiện nay chưa có giáo trình chính thức và đầy đủ về vấn đề này. Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và học tập của sinh viên ngành thuỷ văn và tài nguyên nước, giáo trình đã được khẩn trương biên soạn. Các tác giả đã cố gắng tập hợp và hệ thống hoá những nghiên cứu gần đây về vấn đề này. Tài liệu này rất cần thiết cho sinh viên và học viên cao học ở ngành thuỷ văn, Khoa Khí tượng-Thuỷ văn và Hải dương học, đồng thời là tài liệu tham khảo rất bổ ích cho sinh viên cũng như các học viên cao học ở các ngành có liên quan. Cuốn sách được các giảng viên đã giảng dạy và nghiên cứu nhiều về lĩnh vực mô hình toán thuỷ văn biên soạn. Các tác giả chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp về những đóng góp quý báu cho nội dung của cuốn sách. Cảm ơn Khoa Khí tương-Thuỷ văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đai học Quố gia Hà nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc xuất bản tài liệu này. Đây là giáo trình được biên soạn lần đầu tiên, nên chắc rằng còn có những khiếm khuyết và thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của bạn đọc. Các tác giả 5 Chương 1 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN 1.1. KHÁI NIỆM VỀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Ngày nay sự hiểu biết của con người về các quá trình thuỷ văn đã tiến được những bước dài. Con người đã hiểu biết khá sâu sắc về các quá trình hình thành dòng chảy, các cơ chế tác động và từ đó thiết lập các mô hình mô phỏng chúng. Tuy nhiên trong thực tế các hiện tượng thuỷ văn vô cùng phức tạp , chúng ta chỉ hiểu được một phần không đầy đủ về chúng và thiếu những lý thuyết hoàn chỉnh để mô tả tất cả các quá trình xẩy ra trong tự nhiên. Vì lẽ đó trong thuỷ văn vẫn sử dụng khái niệm hệ thống,cho phép mô tả các hiện tượng thuỷ văn một cách đơn giản hơn. 1.1.1 Khái niệm về phân tích hệ thống (Systematical analysis) 1.1.1.1. Hệ thống(System) Hệ thống được hiểu là một tập hợp các thành phần có quan hệ liên thông với nhau để tạo thành một tổng thể. Theo Dooge (1964) hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó, thực hay trừu tượng, được gắn với bước thời gian nhất định, liên hệ giữa lượng vào(nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với lượmg ra(hệ quả, phản ứng, năng lượng) như hình 1.1. I(t) Lượng vào (Input) Hệ thống (System) Q(t) Lượng ra (Output) Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống Hệ thống thuỷ văn (Hydrologic system) là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) trên một vùng không gian nhất định và đó là các hệ thống thực. Ta có thể coi tuần hoàn thuỷ văn như một hệ thống với các thành phần là nước, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này lại có thể tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn. Để phân tích hệ thống toàn cục ta tiến hành xử lý, phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng. Trong hình 1.2 tuần hoàn thuỷ văn toàn cầu được miêu tả như một hệ thống. Các đường đứt quãng chia hệ thống thành 3 hệ thống con: Hệ thống nước khí quyển bao gồm các quá trình mưa rơi , bốc hơi ngăn giữ bởi cây cối và bốc thoát hơi sinh vật, 6 ... - tailieumienphi.vn