1 Keith j. beven Mô hình hoá ma-dòng chảy Phần cơ sở Biên dịch: Nguyễn Hữu Khải Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội 2 Rainfall-Runoff Modelling The Prime Keith J. Beven Professor of hydrology and Fluid Dynamics Lancaster University, UE John Wiley & Son, LTD Chichester  New York  Weinheim  Bisbane  Singapore  Toronto 3 Copyright  2001 by John Wiley & Sons Ltd, Baffias Laae, Chichester, West Sassex PO19 IUD, England National 01234 779777 e-mail (for orders and Customer service enquiries): cs-book@wiley.co.uk Visit our Home Pace on http://www.wiley.co.uk Or http://www.wiley.com K. J beven has asserted his right under the Copyright, Designs and Patents Act. 1988, tobe identified as author of this work. All Rights Reserved. No part of this pablication may be reproduced. Stored in a retrieval system, or transmitted, in any form of by any means, electronic, mechanical photocopying, recording, scanning ot otherwise, exept under the terms of the Copyright. Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a lycence issued by the Copyright Licesing Agency. 90. Tottenham Court Road, London, WIPSHE, UK, without the permission in writing of the Publisher and the copyright holder. Other Wiley Editorial Offices John Wiley & Son, lnc 605 Third Avenue, New York, NY 10158-0012. USA WILEY-VCH Verlag GmbH. Pappelallee 3, D-69469 Weinh, Germany John Wiley & Sons Australia, Ltd, 33 Park Road. Milton, Qeensland 4064, Australia John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, Clementi Loop #02-01. Jin Xing Distripark, Singapore 129809 John Wiley & Sons (Canada) Ltd, 22 Worcester Road, Rexdale, Ontario M9W 1L1, Canada Library of congress cataloguing-in-publication Data Beven. K. J Rainfall-Runoff modelling: the primer/Keith J. beven. p.cm Includes bibliographical referances (p, ) ISBN 0-471-98553-8 (alk, paper) 1. Runoff-Mathematical modals. 2. Rain and rainfall-Mathematical models. 1. Tilele. GB980. B48 2000 551,48’8-dc21 004143340 Bristish Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library ISBN 0-471-98553-8 Typeset in 10/12pt Times from the author’s dishs by Laser Works Madras. India Printed and bound in Great Britain by Bookcraft (bath) Ltd. Midsomer Norton This book is printed on aicd-free paper responsibly manufacture from sustainable forestry in which at least two trees are planted for each one used for paper production 4 Lời dẫn Keith J. Beven là Giáo s của Trờng đại học Tổng hợp Lancaster Vơng quốc Anh. Ông là một chuyên gia rất có uy tín và có rất nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ văn và động lực học chất lỏng. Nhiều tác phẩm của ông đợc đón đọc và dịch ra ở nhiều nớc trên thế giới. Chuyên khảo Mô hình hoá ma-dòng chảy phần cơ sở (Rainfall-Runoff Modelling-The primer) của ông đợc John Wiley & Sons xuất bản năm 2001 đã tổng hợp các khái niệm, các quan điểm nền tảng về mô hình hoá ma-dòng chảy hiện nay và trong cả tơng lai. Trong cuốn sách giáo s đã trình bày một cách hệ thống các dạng mô hình ma-dòng chảy từ các quan hệ kinh nghiệm dựa trên số liệu đến hệ thống các phơng trình vật lý mô phỏng quá trình hình thành và diễn toán dòng chảy từ ma trên toàn lu vực trong mô hình tập trung cũng nh trên từng phần tử lu vực trong mô hình phân bố. Cuốn sách cũng đa ra các quan điểm và phơng pháp ớc lợng thông số mô hình dựa trên khái niệm tơng đơng và đánh giá độ bất định, độ nhạy cũng nh rủi ro trong dự báo thuỷ văn, một vấn đề mà ở Việt Nam hiện nay cha đợc quan tâm đầy đủ. Cuốn sách đề cập đến vấn đề mô hình hoá dới tác động của biến đổi khí hậu, khai thác sử dụng lu vực cũng nh phân tích các quan điểm lựa chọn mô hình cho các điều kiện lu vực cụ thể. Kèm theo là một giới thiệu về một số phần mềm rất có giá trị nh mô hình phân bố TOPMODEL, phân tích bản đồ địa hình số DTM-ANALYSIS và đánh giá ớc lợng và độ nhạy thông số GLUE. Cuốn sách rất hữu ích cho các nhà khoa học trong lĩnh vực thuỷ văn và động lực học chất lỏng, đặc biệt cho những chuyên gia về mô hình hoá thuỷ văn. Cuốn sách cũng rất cần thiết cho các giáo viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên đang học tập trong ngành thuỷ văn và các ngành khác có liên quan. Ngời biên dịch 5 Mục lục Lời dẫn 3 mục lục 4 Lời nói đầu 9 Chơng 1. Trở về cơ bản: Quá trình dòng chảy và mô hình hoá quá trình 12 1.1. Tại sao lại mô hình hoá? 12 1.2. Sử dụng quyển sách này nh thế nào? 13 1.3. Quá trình mô hình hoá 14 1.4. Các mô hình quan niệm của thuỷ văn lu vực 17 1.5. Quá trình dòng chảy và các đặc tính địa hoá học 25 1.6. Sinh dòng chảy và diễn toán dòng chảy 27 1.7. Vấn đề chọn một mô hình quan niệm 27 1.8. Vấn đề hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 29 1.9. Các điểm khoá từ chơng 1 33 Chơng 2. Sự phát triển của mô hình ma-dòng chảy: Quá trình chọn lọc tự nhiên 34 2.1. Điểm khởi đầu: Phơng pháp tỷ số 34 2.2. Dự báo thực hành: Các hệ số dòng chảy và chuyển đổi thời gian 35 2.3. Sự biến đổi của đờng đơn vị 41 2.4. Các mô hình máy tính số đầu tiên: Mô hình lu vực Stanford và các phiên bản của nó 45 2.5. Các mô hình dựa trên diễn tả quá trình phân bố 49 2.6. Các mô hình phân bố đơn giản dựa trên các hàm phân bố 52 2.7. Sự phát triển gần đây: Trạng thái hiện thời của kỹ thuật là gì? 53 2.8. Các điểm khoá từ chơng 2 53 Hộp 2.1. Tuyến tính, phi tuyến và dừng 54 Hộp 2.2. Mô hình Xinajiang/ Armo/ VIC 56 6 Hộp 2.3. Dung tích kiểm tra và các phơng trình vi phân 60 Chơng 3. Số liệu cho mô hình hoá ma-dòng chảy 62 3.1. Số liệu ma 62 3.2. Số liệu lu lợng 66 3.3. Số liệu khí tợng và ớc lợng sự giữ lại và bốc thoát hơi 67 3.4. Số liệu khí tợng và ớc lợng tuyến tan 72 3.5. Số liệu khí tợng phân bố trong lu vực 73 3.6. Các biến thuỷ văn khác 73 3.7. Số liệu số hoá độ cao 74 3.8. Hệ thống thông tin địa lý và quản lý số liệu 77 3.9. Số liệu viễn thám 79 3.10. Các điểm khoá từ chơng 3 80 Hộp 3.1. Phơng trình liên kết Penman-Monteith và ớc lợng cờng độ bốc thoát hơi 81 Hộp 3.2. Ước lợng tổn thất giữ lại 85 Hộp 3.3. Ước lợng tuyết tan bằng phơng pháp độ - ngày 88 Chơng 4. Dự báo thuỷ đồ sử dụng các mô hình dựa trên số liệu 93 4.1. Số liệu sẵn có và mô hình kinh nghiệm 93 4.2. Phơng pháp hồi quy kinh nghiệm 94 4.3. Các mô hình hàm chuyển đổi 96 4.4. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình DBM của lu vực C16 ở Llym Briane, Wales.101 4.5. Phần mền TFM 104 4.6. Các hàm phi tuyến và chuyển đổi nhiều đầu vào 104 4.7. Suy diễn vật lý của hàm chuyển đổi 105 4.8. Sử dụng mô hình hàm chuyển đổi trong dự báo lũ 109 4.9. Mô hình ma-dòng chảy kinh nghiệm dựa trên khái niệm mạng thần kinh 109 4.10. Các điểm khoá từ chơng 4 111 Hộp 4.1. Mô hình hàm chuyển đổi tuyến tính 112 Hộp 4.2. Sử dụng hàm chuyển đổi cho lợng ma hiệu quả suy diễn 117 Hộp 4.3. Ước lợng biến thời gian của thông số hàm chuyển đổi 119 Chơng 5: dự báo thuỷ đồ sử dụng mô hình phân bố dựa trên sự diễn tả các quá trình 123 7 5.1. Cơ sở vật lý của các mô hình phân bố 123 5.2. Mô hình ma-dòng chảy dựa trên vật lý quy mô lu vực 132 5.3. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình hoá các quá trình dòng chảy tại Reynolds Creek, và Idaho 138 5.4. Trờng hợp nghiên cứu: Kiểm tra chứng mù của mô hình SHE trên lu vực Rimbaud, Pháp 141 5.5. Các mô hình phân bố đơn giản hoá 143 5.6. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình hoá sự phát sinh dòng chảy tại Walnut Gulch, Arizona 152 5.7. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình hoá lu vực R5 ở Chichasha, Oklahoma 155 5.8. Kiểm chứng hoặc đánh giá các mô hình phân bố 158 5.9. Thảo luận về các mô hình phân bố dựa trên các diễn tả quá trình 159 5.10. Các điểm khoá từ chơng 5 160 Hộp 5.1. Các phơng trình diễn tả cho dòng chảy sát mặt 161 Hộp 5.2. Ước lợng cờng độ thấm ở bề mặt đất 163 Hộp 5.3. Giải phơng trình vi phân đạo hàm riêng: Một số khái niệm cơ bản 169 Hộp 5.4. Các hàm đặc trng độ ẩm đất sử dụng trong phơng trình Richard 174 Hộp 5.5. Các hàm chuyển đổi thổ nhỡng 179 Hộp 5.6. Các phơng trình diễn tả dòng chảy mặt 181 Hộp 5.7. Đạo hàm phơng trình sóng động học 185 Chơng 6. Tơng tự thuỷ văn và các mô hình Ma-dòng chảy hàm phân bố 188 6.1. Tơng tự thuỷ văn và các đơn vị phản ứng thuỷ văn 188 6.2. Mô hình phân bố xác suất độ ẩm 189 6.3. Các mô hình đơn vị phản ứng thuỷ văn 191 6.4. TOPMODEL 196 6.5. Trờng hợp nghiên cứu: áp dụng TOPMODEL cho lu vực Stacterbekker, Na Uy 205 6.6. TOPKAPI 209 6.7. Các điểm khoá từ chơng 6 210 Hộp 6.1. Xem xét mô hình đờng cong số SCS 211 Hộp 6.2. Lý thuyết nền tảng TOPMODEL 217 Chơng 7. Ước lợng thông số và độ bất định dự báo 227 7.1. Ước lợng thông số và độ bất định dự báo 227 8 7.2. Phân tích độ nhạy và bề mặt phản ứng thông số 229 7.3. Độ đo hoạt động và độ đo hữu hiệu 234 7.4. Kỹ thuật tối u hoá tự động 237 7.5. Thừa nhận độ bất định trong các mô hình và số liệu: Phân tích độ tin cậy 239 7.6. Hiệu chỉnh mô hình sử dụng phơng pháp lý thuyết tập hợp 241 7.7. Thừa nhận sự tơng đơng: Phơng pháp GLUE 244 7.8. Trờng hợp nghiên cứu: một ứng dụng của phơng pháp GLUE trong mô hình hoá lu vực Saeternlekken MINIPELT, Na Uy 250 7.9. Đối sử với sự tơng đơng trong mô hình ma-dòng chảy 255 7.10 Độ bất định và độ rủi ro dự báo 257 7.11. Các điểm khoá từ chơng 7 258 Hộp 7.1. Độ hữu hiệu cho việc sử dụng trong đánh giá mô hình 259 Hộp 7.2. Độ hữu hiệu kết hợp 264 Chơng 8. Dự báo lũ lụt 267 8.1. Yêu cầu số liệu cho dự báo thời gian thực 268 8.2. Mô hình ma-dòng chảy cho dự báo lũ 271 8.3. Mô hình ISO Lambert 273 8.4. Các mô hình hàm chuyển đổi thích nghi cho dự báo thời gian thực 274 8.5. Trờng hợp nghiên cứu: Hệ thống dự báo thời gian thực cho thị trấn Dumfries 274 8.6. Phơng pháp cho ngập lụt trong thời gian thực 277 8.7. Dự báo tần suất lũ sử dụng mô hình ma-dòng chảy 278 8.8. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình hoá đặc trng tần suất lũ của lu vực Wye, Wales 283 8.9. Ước lợng tần suất lũ bao gồm cả sự kiện tuyết tan 285 8.10. Tơng tự thuỷ văn và ớc lợng tần suất lũ 286 8.11. Các điểm khoá từ chơng 8 287 Hộp 8.1. Ước lợng các thông số lợi ích thích nghi cho dự báo thời gian thực 287 Chơng 9. Dự báo ảnh hởng của những biến đổi 290 9.1. Dự báo tác động của thay đổi sử dụng đất 292 9.2. Trờng hợp nghiên cứu: Dự báo tác động của hoả hoạn và khai thác rừng trong lu vực cấp nớc ở Melbourne 297 9.3. Dự báo tác động của biến đổi khí hậu 299 9.4. Trờng hợp nghiên cứu: Mô hình hoá tác động của biến đổi khí hậu đến tần suất lũ ở lu vực Wye 306 9 9.5. Các điển khoá từ chơng 9 307 Chơng 10. Trở lại vấn đề lựa chọn mô hình 309 10.1. Lựa chọn mô hình trong mô hình hóa ma-dòng chảy nh kiểm tra giả thiết 309 10.2. Giá trị của thông tin kỳ trớc 312 10.3. Vấn đề lu vực không đợc đo đạc 314 10.4. Thay đổi giá trị thông số và độ bất định dự báo 313 10.5. Độ bất định dự báo và kiểm chứng mô hình 316 10.6. Những bình luận cuối cùng: Một tơng lai bất định? 317 Phụ lục A. biểu diễn phần mềm 320 A.1. Tfm 320 A.2. topmodel 322 A.3. Phân tích dtm 324 A.4. glue 325 Phụ lục B. Giải thích thuật ngữ 328 Tài liệu tham khảo 337 10 Lời nói đầu Những ngời mẫu đơng nhiên là rất đẹp, và một ngời đàn ông sẽ thực sự hãnh diện khi đợc nhân ra trong nhóm của mình. Nhng bản thân họ cũng tiềm ẩn nhiều khiếm khuyết. Quan trọng là họ đẹp không chỉ để ngắm mà chúng ta có thể sống hạnh phúc với họ không. Kaplan, 1964 Ngời ta quan niệm rằng thực trạng của mô hình nguồn nớc cũng nh một nền kinh tế đang trải qua nạn lạm phát -nghĩa là có quá nhiều mô hình đợc theo đuổi nhng lại có quá ít đợc áp dụng, hay là có quá nhiều nhà mô hình theo đuổi quá ít ý tởng. Điều này cũng giống nh in ra một lợng tiền quá lớn sẽ làm giảm giá trị của đồng tiền. Bởi vậy phải có một lợng tiền lớn đợc đầu t bởi các nhà mô hình để bảo đảm cho những bớc tiếp theo trong công việc của họ. Robin Clark, 1974 Có một vấn đề cơ bản trong nghiên cứu hệ thống thủy văn là hầu hết các hoạt động diễn ra dới đất. Mặc dù tất cả các tiến bộ kỹ thuật đã đợc ứng dụng nh viễn thám, rađa và các kỹ thuật khác vào việc thăm dò bề mặt, các kiến thức của chúng ta về cái gì đang diễn ra trong lòng đất vẫn còn rất hạn chế. Những gì chúng ta biết từ các nghiên cứu chuyển động nớc trong đất và đá trong phòng thí nghiệm và cả bãi thực nghiệm nhỏ chỉ nói lên rằng các dạng chuyển động của nớc là rất phức tạp và biến đổi theo quy luật phi tuyến với tỷ lệ tùy ý dòng chảy và độ ẩm ớt. Từ quan điểm mô hình hóa ma-dòng chảy ở phạm vi thực tế (các lu vực vừa đến lớn), vì sự phức tạp này mà chúng ta không hy vọng có thể tái tạo lại toàn bộ chi tiết quá trình dòng chảy, tạo ra thủy đồ dòng chảy: quá nhiều phức tạp và không thể hiểu biết với kỹ thuật đo đạc hiện nay. ở mức độ đó không có khả năng mô hình hoá ma-dòng chảy. Điều này không ngăn cản nhiều nhà thủy văn học khác, nhóm các nhà thủy văn và các viện thực nghiệm thủy văn phát triển mô hình ma-dòng chảy. Cụm từ d thừa xuất hiện, mặc dù nhiều lần trong công việc của mình, bản thân đã gặp rắc rối trong việc phát triển và kiểm tra, thử nghiệm nhiều mô hình khác nhau bằng nhiều cách khác nhau, nhng vẫn làm việc hết sức mình. Cuốn sách này không hy vọng liệt kê tất cả các mô hình ma-dòng chảy cho đến nay và xin lỗi tất cả các nhà mô hình vì mô hình của họ chỉ đợc trình bày vắn tắt hoặc không đầy đủ. Bây giờ hầu nh không có khả năng cho bất kỳ cá nhân nào nhận biết tất cả các mô hình đợc đăng tải trong các sách báo, chỉ thuần tuý biết một số trong khuôn khổ lịch sử của các khởi đầu khác [...]... phát triển một mô hình dự báo Hơn nữa nhiều mô hình mưadòng chảy thành công lại tương đối đơn giản Cuốn sách này dự định như một lời giới thiệu các mô hình mưa- dòng chảy gần đây dùng để tiến hành dự báo Điều này sẽ được thực hiện, tuy nhiên, trong khung cảnh là việc không có khả năng dự báo chi tiết quá trình dòng chảy, phải nhất thiết có nghĩa là tất cả các mô hình mưa- dòng chảy chỉ có thể mô tả rất gần... đây ở Lancaster đã có đóng góp quan trọng đến các dự án mô hình hoá Sự cộng tác với các nhóm khác cũng rất quan trọng, đặc biệt với George Hornberger (Charlottesville), Bruno Ambroise (Strasbourg), Chales Obled và Georges-Marie Saulnier (Grenoble), Eric Wood (Princeton), Peter Germann (Bern), Sarka Blazkova (Prague) và Philippe Merot (Rennes), Các phần ở cuốn sách này được viết trong đợt du khảo ở Santa... chỉ có thể mô tả rất gần đúng quá trình mưa- dòng chảy và như vậy phải được coi là dự báo không chắc chắn Như vậy toàn bộ các phần của cuốn sách này dành cho sự phân tích tính bất định của dự báo Điều này có thể được coi là một chủ đề ưu tiên Quan điểm chính là cần hiểu sự bất định trong môi trường thực hiện mô hình hoá, và do đó bằng cách sử dụng mô hình Monte-Carlo hiện đại, ước lượng độ bất định có... dùng rộng rãi hiện nay, cũng sẽ không tìm thấy nhiều mô hình cân bằng nước theo tháng Hy vọng người đọc sẽ nhận thấy rằng đây là một cuốn sách hướng tới tương lai Dù vậy cuốn sách có thể chỉ mô tả một cách lướt nhanh quá trình đã làm, thậm chí chỉ là một vài điểm nhấn đâu đó Hoạt động mô hình hoá mưa- dòng chảy đã trở thành một hoạt động chính của các nhà thủy văn trên thế giới giống như Robin Clarke đã... cả phần về đánh giá bất 11 định sẽ được tăng cường bằng những phần mềm Phần mềm được xây dựng trên cơ sở các phương pháp đã được phát triển ở Đại học Tổng hợp Lancatster trong chục năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu và các sinh viên đã mô phỏng ý tưởng hoặc đóng góp trực tiếp để phát triển Tôi muốn nói về Peter Young, ý tưởng của ông là số liệu (hơn là lý thuyết đơn độc) có thể gợi ý một cấu trúc mô hình. .. số nội dung bổ xung tiếp sau đây Cuối cùng, cuốn sách này dự định giới thiệu các quan điểm mô hình hoá thủy văn cho thế hệ sinh viên mới và nó được dành cho một đợt đào tạo thực hành chuyên biệt gần đây Nếu bằng một cơ hội nào đó của số mệnh Anna có thể đọc và cố gắng hiểu nó Tôi hy vọng cô sẽ tìm thấy nó trong một chỉ dẫn rõ ràng và có ích cho các sử dụng cả hiện tại và tương lai của mô hình mưa- dòng. .. liệu cần thiết Vẫn cần sự tiếp tục và tầm quan trọng của việc mô hình hoá mưa- dòng chảy cho những vấn đề thực tế của quản lý tài nguyên nước, dự báo lũ, thiết kế kênh, quản lý ảnh hưởng của các chi lưu trong chất lượng nước, dự báo tai nạn nhiễm bẩn và nhiều mục đích khác May thay tình hình thiếu khả năng dự báo chi tiết của đường đi dòng chảy không hoàn toàn đáng sợ như đã nêu Với nhiều mục đích thực... tiến hành thống kê một danh sách các mô hình sẵn có đã sưu tầm trong vòng hơn 20 năm trước đây ( ã thống kê trong luận án Tiến s ) Do đó, thay cho việc phác thảo hầu hết các đề tài đáng quan tâm đang được khảo sát hiện nay, cố gắng cải tiến khả năng dự báo thủy văn khi phản ánh hoàn cảnh lịch sử của đối tượng Điều đó có nghĩa là người đọc sẽ tìm thấy rất ít dạng mô hình lượng trữ nhận thức được bắt đầu. .. và Tổ chức Francqui Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Mike Kirkby Một thời gian dài trước đây, các bài giảng của ông khi còn học ở ĐHTH Bristol đã làm tôi hiểu rằng có khả năng để mô hình hoá các hệ thống thủy văn và hình thái bằng nhận thức đơn giản và phức tạp, và khởi nguồn của TOPMODEL nằm trong tư tưởng phong phú của ông trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh ở Leed Tài năng của ông trong việc thể hiện... độ bất định có thể được giới thiệu trong dạng rất đơn giản Như vậy, đánh giá bất định hướng trực tiếp tới việc đánh giá rủi ro trong việc ra quyết định và trong hầu hết các trường hợp thực tế, mô hình mưa- dòng chảy chính xác để đưa ra quyết định Có phải dự báo lũ được khẳng định là dự báo mực nước 6h sau? Lượng trữ kênh vượt tràn hồ chứa để đối phó với lũ xảy ra 50 năm một lần là gì? Giới hạn về kiến . Mô hình hoá ma -dòng chảy phần cơ sở (Rainfall-Runoff Modelling-The primer) của ông đợc John Wiley & Sons xuất bản năm 2001 đã tổng hợp các khái niệm, các quan điểm nền tảng về mô hình hoá. Mô hình hoá ma -dòng chảy Phần cơ sở Biên dịch: Nguyễn Hữu Khải Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội 2 Rainfall-Runoff Modelling . nói đầu 9 Chơng 1. Trở về cơ bản: Quá trình dòng chảy và mô hình hoá quá trình 12 1.1. Tại sao lại mô hình hoá? 12 1.2. Sử dụng quyển sách này nh thế nào? 13 1.3. Quá trình mô hình hoá