Các mô hình thủy văn mô phỏng

Ch−¬ng 5. C¸c m« h×nh thuû v¨n m« pháng ¶nh: Ng−êi ®iÒu hµnh víi m¸y tÝnh tr¹m kü thuËt 5.1. Giíi thiÖu vÒ c¸c m« h×nh m« pháng Qu¸ tr×nh m−a rµo – dßng ch¶y ®· ®−îc tr×nh bµy chi tiÕt trong ch−¬ng 2, chóng ta ®· chØ ra l−îng m−a ®ãng gãp thÕ nµo vµo c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau cña bèc h¬i, thÊm, khu chøa, dßng ch¶y trµn vµ cuèi cïng lµ dßng ch¶y. H×nh d¹ng thùc tÕ vµ thêi gian ch¶y truyÒn cña c¸c ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n cho mét l−u vùc cô thÓ ®· ®−îc chØ ra lµ phô thuéc vµo rÊt nhiÒu vµo yÕu tè mÆt ®Öm, khÝ hËu vµ ®Þa lý thuû v¨n (b¶ng 5.1). Ngoµi thêi gian vµ c−êng ®é m−a lµ nh÷ng yÕu tè quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh ®Õn qu¸ tr×nh m−a rµo – dßng ch¶y, sau ®ã lµ c¸c ®Æc tr−ng cña l−u vùc mµ nã chuyÓn ho¸ tõ l−îng m−a ®Çu vµo ®Õn qu¸ tr×nh dßng ch¶y t¹i cöa ra cña l−u vùc. DiÖn tÝch, ®é dèc, h×nh d¹ng, ®Êt, vµ l−îng tr÷ lµ nh÷ng th«ng sè quan träng cña h×nh th¸i l−u vùc. C¸c th«ng sè sö dông ®Êt vµ thæ nh−ìng cã thÓ ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn c¸c ph¶n øng thuû v¨n tù nhiªn th«ng qua viÖc t¨ng líp thÊm, thay ®æi ®é dèc vµ c¶i thiÖn hÖ thèng kªnh tiªu n−íc. 289 B¶ng 5.1. Nh÷ng nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n. 1. C−êng ®é m−a. 2. Kho¶ng thêi gian m−a. 3. KÝch th−íc l−u vùc. 4. §é dèc l−u vùc. 5. H×nh d¹ng l−u vùc. 6. L−îng tr÷ l−u vùc. 7. H×nh th¸i häc l−u vùc. 8. KiÓu lßng dÉn. 9. §Êt sö dông / ®Êt che phñ. 10. Lo¹i ®Êt. 11. Tû lÖ diÖn tÝch kh«ng thÊm. Nh÷ng c«ng nghÖ tiªn tiÕn trong c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh trªn m¸y tÝnh trong vßng 2 thËp kû qua kÕt hîp víi nh÷ng tiÕn bé lín h¬n, m·nh liÖt h¬n cña viÖc quan tr¾c sè liÖu ®· cho phÐp ph¸t triÓn nh÷ng øng dông cña c¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n. Nh÷ng m« h×nh ®ã sö dông hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh kh¸c nhau ®Ó m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh vËn chuyÓn thuû v¨n vµ sù c©n b»ng n−íc theo thêi gian. Ch−¬ng 1, 2 vµ 4 ®· tr×nh bµy mét sè c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n sö dông ®Ó chuyÓn sè liÖu l−îng m−a thµnh ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n t¹i cöa ra cña l−u vùc. C¸c m« h×nh tÝnh trªn m¸y tÝnh cho phÐp sö dông c¸c th«ng sè kh¸c nhau cña kh«ng gian vµ thêi gian theo c¸c ph−¬ng ph¸p sè trÞ ®· biÕt. C¸c khu vùc m−a phøc t¹p vµ c¸c l−u vùc kh«ng ®ång nhÊt cã thÓ ®−îc m« pháng dÔ dµng nÕu cã sè liÖu ®Çy ®ñ, vµ rÊt nhiÒu ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ, nhiÒu kÞch b¶n ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc ®Æt ra vµ kiÓm tra b»ng m« h×nh. Nh÷ng ch−¬ng tr×nh nghiªn cøu c¬ b¶n cña tr−êng ®¹i häc Harvard, ®¹i häc Stanford vµ Côc c«ng binh Hoa kú trong nh÷ng n¨m 1960 lµ nh÷ng nç lùc tiªn phong trong cè g¾ng sö dông m¸y tÝnh ®Ó m« pháng c¸c diÔn biÕn trong l−u vùc. M« h×nh l−u vùc Stanford (Crawford vµ Linsley, 1966) mµ sau ®ã cã liªn quan ®Õn ch−¬ng tr×nh m« pháng thuû v¨n - FORTRAN (Johanson vµ nnk, 1980), lµ m« h×nh quan träng ®Çu tiªn trong sè nh−ng m« h×nh m« pháng l−u vùc. Tõ nh÷ng cè g¾ng tõ rÊt sím nµy, mét lo¹t c¸c m« h×nh ®· ®−îc ph¸t triÓn vµ øng dông trong nh÷ng n¨m 1960 vµ 1970 cho m−a ®« thÞ, lò, t−íi tiªu, thiÕt kÕ hå chøa, vµ qu¶n lý l−u vùc. C¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i theo mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt nh− trong b¶ng 5.2. Trong qu¸ tr×nh ph©n tÝch l−u vùc, nh÷ng ph¹m trï quan t©m chñ yÕu gåm th«ng sè tËp trung ®èi lËp th«ng sè ph©n bè, hiÖn t−îng kh«ng liªn tôc, vµ th«ng sè ngÉu nghiªn ®èi lËp víi th«ng sè tÊt ®Þnh. C¸c m« h×nh th«ng sè tËp trung biÕn ®æi tõ l−îng m−a thùc tÕ ®Çu vµo thµnh dßng ch¶y cöa ra dùa trªn quan ®iÓm r»ng mäi qu¸ tr×nh trªn l−u vùc ®Òu xuÊt hiÖn t¹i mét ®iÓm trong kh«ng gian (gièng nh− m« 290 h×nh hép ®en). C¸c th«ng sè m« h×nh cã thÓ hoÆc kh«ng thÓ cã mét ®Þnh nghÜa chÝnh x¸c vÒ vËt lý trong hÖ thèng. §−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ tæng hîp lµ mét vÝ dô vµ ®−îc sö dông réng r·i. C¸c m« h×nh th«ng sè ph©n phèi cè g¾ng m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý vµ c¸c c¬ chÕ trong kh«ng gian nh− mét sè c¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n. Trong khi m« h×nh th«ng sè ph©n phèi th−êng tho¶ m·n vÒ mÆt lý thuyÕt tèt h¬n th× sè liÖu th−êng bÞ thiÕu hôt cho viÖc hiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh kÕt qu¶ m« h×nh. C¸c m« h×nh “hiÖn t−îng” nh− lµ HEC-1 m« t¶ qu¸ tr×nh lò (Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh, 1981) hoÆc m« h×nh ®iÒu khiÓn n−íc lò EPA (SWMM) (Huber vµ nhiÒu t¸c gi¶ kh¸c, 1981) hay SCS TR2O (Côc b¶o tån ®Êt, 1975a), m« pháng tõng ph¶n øng cña tr©n m−a ®¬n lÎ cho mçi mét sè liÖu m−a ®Çu vµo nhÊt ®Þnh. §−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ hay c¸c ph−¬ng ph¸p sãng ®éng häc ®−îc sö dông ®Ó thµnh lËp c¸c qu¸ tr×nh m−a mµ sau ®ã ®−îc diÔn to¸n trong s«ng. C¸c m« h×nh liªn tôc nh− Stanford Watershed Model, SWMM, vµ STORM dùa trªn c¸c ph−¬ng tr×nh c©n b»ng dµi h¹n vµ do vËy tÝnh to¸n trùc tiÕp cho c¸c ¶nh h−ëng cña c¸c ®iÒu kiÖn tr−íc ®ã. Nh÷ng m« h×nh nµy cã thÓ h÷u dông nhÊt cho c¸c l−u vùc víi c¸c vïng thÊm lín. Vµi m« h×nh bao gåm c¶ c¸c thµnh phÇn ngÉu nhiªn hay thèng kª ®Ó biÓu diÔn l−îng m−a ®Çu vµo mµ sau ®ã ®−îc sö dông ®Ó h×nh thµnh chuçi thêi gian cña dßng ch¶y. Chuçi thêi gian sau ®ã cã thÓ ®−îc ®¸nh gi¸ thèng kª sö dông ph©n tÝch tÇn suÊt lò. Tæng hîp thuû v¨n cho phÐp c¸c nhµ thuû v¨n kÐo dµi c¸c chuçi sè liÖu ng¾n nh− sè liÖu dßng ch¶y dùa trªn c¸c ph−¬ng ph¸p thèng kª. C¸c chuçi tæng hîp vÉn gi÷ ®−îc c¸c ®Æc tr−ng thèng kª cña chuçi sè liÖu lÞch sö hoÆc ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu ph©n bè x¸c suÊt nh− lµ Logarit chuÈn hay Logarit Pearson 3 (phÇn 3.5). Ph©n tÝch ®−êng cong “Tæng thÓ” gi¶ thiÕt r»ng c¸c chuçi sè liÖu lÞch sö sÏ ®−îc lÆp l¹i mét c¸ch chÝnh x¸c. T¹o sè ngÉu nhiªn gi¶ thiÕt r»ng nh÷ng dßng ch¶y kÕ tiÕp lµ kh«ng ®éc lËp vµ ph©n bè theo mét hµm ph©n bè ®· biÕt tr−íc. Cuèi cïng, kü thuËt Markov gi¶ thiÕt r»ng dßng ch¶y tiÕp theo trong 1 chuçi th× liªn quan ®Õn mét phÇn cña chuçi dßng ch¶y tr−íc ®ã vµ th−êng bÞ giíi h¹n bëi b−íc thêi gian ng¾n h¬n khi ph©n tÝch. C¸c chi tiÕt vÒ c¸c m« h×nh thèng kª cã thÓ tham kh¶o trong tµi liÖu cña Bras vµ Rodriguez-Iturbe (1984). B¶ng 5.2. C¸c m« h×nh thuû v¨n Lo¹i m« h×nh M« h×nh vÝ dô Th«ng sè tËp trung Snyder Unit Hydrograph Ph©n bè Kinematic wave HiÖn t−îng HEC-1, SWMM Liªn tôc Stanford Watershed Model, SWMM, I-ISPF, STORM VËt lý c¬ së HEC-1, SWMM, HSPF NgÉu nhiªn Synthetic streamflows Sè trÞ Explicit kinematic wave Ph©n tÝch Nash IUH Mét −u viÖt cña c¸c m« h×nh m« pháng lµ sù s¸ng tá ®¹t ®−îc b»ng viÖc tËp hîp vµ tæ chøc sè liÖu cÇn thiÕt nh− lµ ®Çu vµo cho c¸c thuËt to¸n to¸n häc mµ bao gåm toµn bé 291 hÖ thèng m« h×nh. ChÝnh nã th−êng chØ ra c¸c thu thËp sè liÖu bæ sung hay chÝnh c¶i tiÕn c¸c cong thøc to¸n häc ®Ó biÓu diÔn tèt h¬n c¸c qu¸ tr×nh trªn l−u vùc. Mét thuËn lîi kh¸c n÷a lµ rÊt nhiÒu c¸c s¬ ®å biÕn ®æi cho sù ph¸t triÓn hay ®iÒu khiÓn lò cã thÓ ®−îc kiÓm chøng mét c¸ch mau lÑ vµ so s¸nh víi c¸c m« h×nh tÝnh to¸n. H¹n chÕ chñ yÕu cña c¸c m« h×nh m« pháng chÝnh lµ kh«ng cã kh¶ n¨ng hiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh m« h×nh hoµn h¶o trong ®iÒu kiÖn thiÕu sè liÖu. C¸c thùc hµnh hiÖn t¹i cho r»ng m« h×nh ®¬n gi¶n nhÊt mµ cã thÓ m« t¶ ®−îc hÖ thèng tho¶ m·n cho mét sè liÖu ®Çu vµo nhÊt ®Þnh nªn ®−îc sö dông. Sù chÝnh x¸c cña m« h×nh ®−îc x¸c ®Þnh qua kh¶ n¨ng s½n cã cña sè liÖu vµo, sè liÖu quan tr¾c thùc tÕ vµ chuçi thêi gian ®Çu ra t¹i nhiÒu vÞ trÝ kh¸c nhau trªn l−u vùc. MÆc dÇu cã mét sè nh÷ng h¹n chÕ nh−ng m« h×nh m« pháng vÉn cung cÊp cho chóng ta mét c¸ch tiÕp cËn logic nhÊt vµ mang tinh khoa häc hiÖn ®¹i ®Ó hiÓu c¸c ®éng th¸i thuû v¨n cña mét l−u vùc vµ hÖ thèng nguån n−íc phøc t¹p. Nh÷ng sù ph¸t triÓn cña m« h×nh vµ c¸c øng dông ®· më ra mét trang míi trong khoa häc thuû v¨n vµ dÉn d¾t rÊt nhiÒu c¸c thiÕt kÕ míi vµ c¸c chÝnh s¸ch ®iÒu hµnh mµ tr−íc ®©y ch−a tõng ®−îc kiÓm nghiÖm hay hiÖn thùc ho¸. Trong vµi n¨m gÇn ®©y, vµi tæng kÕt chÝnh x¸c vÒ c¸c m« h×nh thuû v¨n ®· ®−îc c«ng bè bao gåm Fleming (1975), Delleur and Dendrou (1980), McPherson (1975), Feldman (1981), Kibler (1982), vµ Whipple cïng nhiÒu t¸c gi¶ kh¸c (1983). §éc gi¶ cã thÓ tham kh¶o nh÷ng tµi liÖu nµy ®Ó cã kiÕn thøc s©u h¬n. 5.2. Tæ chøc ph©n tÝch thuû v¨n l−u vùc Víi rÊt nhiÒu c¸c m« h×nh thuû v¨n s½n cã dµnh cho c¸c nhµ thuû v¨n hay c¸c kü s−, rÊt Ýt c¸c ph¸t triÓn m« h×nh míi ®îc hç trî. H¬n n÷a kü s− ph¶i lùa chän mét trong nh÷ng m« h×nh m« pháng s½n cã dùa trªn c¸c ®Æc tr−ng cña hÖ thèng cÇn nghiªn cøu, môc ®Ých nghiªn cøu vµ kh¶ n¨ng tµi chÝnh cho viÖc thu thËp sè liÖu vµ m¸y tÝnh. Mét khi m« h×nh ®· ®−îc lùa chän, nãi chung c¸c b−íc tiÕn hµnh liªn quan ®Õn ph©n tÝch m« pháng l−u vùc ®−îc liÖt kª trong b¶ng 5.3. B−íc 1 vµ 5 lµ nh÷ng b−íc quan träng nhÊt trong toµn bé c¸c b−íc. Sù lùa chän m« h×nh lµ rÊt khã kh¨n vµ lµ mét quyÕt ®Þnh quan träng v× sù thµnh c«ng cña viÖc nghiªn cøu xoay quanh sù chÝnh x¸c cña c¸c kÕt qu¶ ®¹t ®−îc. B¶ng 5.2 nªn ®−îc xem xÐt víi c¸c ®Æc tr−ng cña l−u vùc, môc ®Ých nghiªn cøu, ®Ó x©y dùng mét kÕ ho¹ch m« h×nh ho¸. Nh×n chung, ngo¹i trõ sè liÖu trªn l−u vùc lµ ®Çy ®ñ c¶ vÒ kh«ng gian vµ thêi gian, sù tiÕp cËn th«ng th−êng vÒ ph©n tÝch l−u vùc lµ sö dông mét m« h×nh sù kiÖn x¸c ®Þnh víi c¸c kh¸i niÖm th«ng sè tËp trung ®Ó ph¸t triÓn c¸c ®−êng qu¸ tr×nh vµ truyÒn lò. HEC 1 (Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh, 1981) vµ TR-20 (Côc b¶o vÖ ®Êt, 1975a) lµ hai m« h×nh ®−îc sö dông réng r·i nhÊt cho c¸c ph©n tÝch l−u vùc ®iÓn h×nh. NÕu mét l−u vùc cã sè liÖu ®Çy ®ñ vÒ m−a, thÊm, dßng ch¶y c¬ b¶n, dßng ch¶y 292 trong s«ng, ®Êt vµ sö dông ®Êt, th× c¶ m« h×nh Stanford hoÆc ch−¬ng tr×nh m« pháng Thuû v¨n - FORTRAN (HSPF) ®Òu cã thÓ ®−îc ¸p dông ®Ó tÝnh to¸n c©n b»ng n−íc liªn tôc dµi h¹n vµ ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y cöa ra. Trong tr−êng hîp hÖ thèng tiªu n−íc ®« thÞ x¸c ®Þnh râ th× m« h×nh SWMM hoÆc ILLUDAS (Terstriep vµ Stall, 1974) còng cã thÓ ®−îc ¸p dông ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ph¶n øng thuû v¨n cho c¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng. M« h×nh m−a rµo ®« thÞ ®−îc bµn luËn chi tiÕt trong phÇn 5.3 vµ ch−¬ng 6. B−íc 5 trong b¶ng 5.3, hiÖu chØnh vµ kiÓm chøng m« h×nh, lµ cùc kú quan träng trong viÖc lµm chuÈn ho¸ c¸c th«ng sè m« h×nh vµ sÏ quyÕt dÞnh sù chÝnh x¸c vµ hîp lý cña sè liÖu ®Çu ra trong b−íc 6 vµ 7. HiÖu chØnh m« h×nh liªn quan ®Õn viÖc lùa chän mét sè c¸c sè liÖu ®o ®¹c ®−îc cña sè liÖu ®Çu vµo (l−îng m−a, hÖ thèng s«ng, t×nh h×nh sö dông ®Êt) vµ c¸c ®−êng qu¸ tr×nh ®Çu ra cho c¸c øng dông m« h×nh. C¸c tham sè ®iÒu khiÓn trong m« h×nh ®−îc vi chØnh cho ®Õn khi ®¹t ®−îc sù phï hîp nhÊt cho chuçi sè liÖu nµy. M« h×nh sau ®ã ®−îc kiÓm ®Þnh b»ng viÖc m« pháng mét sù kiÖn thø hai hay thø ba (víi trËn m−a kh¸c) vµ gi÷ nguyªn toµn bé c¸c th«ng sè kh¸c ®Ó so s¸nh kÕt qu¶ dù b¸o ®−îc víi tµi liÖu thùc ®o. Mét vÝ dô chi tiÕt cña m« h×nh ®· ®−îc hiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh m« h×nh m« t¶ trong phÇn 5.6, n¬i mµ mät tr−êng hîp øng dông thùc tÕ ®−îc nhÊn m¹nh ®Ó chØ ra nh÷ng khã kh¨n vµ phøc t¹p mµ ta th−êng gÆp trong ph©n tÝch l−u vùc. B¶ng 5.3. C¸c b−íc trong ph©n tÝch m« pháng l−u vùc Lùa chän m« h×nh dùa trªn c¸c môc ®Ých nghiªn cøu vµ ®Æc tr−ng l−u vùc, kh¶ n¨ng sè liÖu vµ tµi chÝnh cña ®Ò ¸n. Thu thËp toµn bé sè liÖu ®Çu vµo cÇn thiÕt: l−îng m−a, thÊm, ®Þa lý thuû v¨n, sö dông ®Êt, ®Æc tr−ng hÖ thèng s«ng, dßng ch¶y, lò thiÕt kÕ vµ sè liÖu hå chøa. §¸nh gi¸ vµ läc c¸c môc ®Ých nghiªn cøu trong qu¸ tr×nh m« pháng ®Ó biÓu diÔn d−íi c¸c ®iÒu kiÖn thay ®æi cña l−u vùc. Lùa chän c¸c ph−¬ng ph¸p cho viÖc x¸c ®Þnh c¸c ®−êng qu¸ tr×nh cña l−u vùc con vµ hÖ thèng s«ng. HiÖu chØnh m« h×nh sö dông l−îng m−a trong qu¸ khø, dßng ch¶y, vµ c¸c ®iÒu kiÖn l−u vùc hiÖn thêi. KiÓm ®Þnh m« h×nh b»ng c¸c sù kiÖn kh¸c nh−ng vÉn gi÷ nguyªn c¸c th«ng sè ®· hiÖu chØnh. Tr×nh diÔn c¸c m« pháng m« h×nh sö dông c¸c l−îng m−a lÞch sö hay m−a thiÕt kÕ, c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau cña t×nh h×nh sö dông ®Êt, c¸c s¬ ®å ®iÒu khiÓn kh¸c nhau cho hå chøa vµ kªnh. Tr×nh diÒn ph©n tÝch ®é nh¹y cña sè liÖu ®Çu vµo, c¸c th«ng sè “routing” vµ c¸c th«ng sè ®−êng qu¸ tr×nh nh− yªu cÇu. ¦íc l−îng tÝnh hiÖu dông cña m« h×nh vµ b×nh luËn vÒ sù cÇn thiÕt ph¶i thay ®æi hay biÕn ®æi. 5.3. M« t¶ c¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n chÝnh Mét sè lùa chän cña sù kiÖn phæ th«ng nhÊt, liªn tôc vµ c¸c m« h×nh dßng ch¶y ®« 293 thÞ cho m« pháng thuû v¨n ®−îc liÖt kª trong b¶ng 5.4. C¸c tr−êng ®¹i häc hay c¸c c¬ quan liªn bang ®· hç trî cho sù ph¸t triÓn cña hÇu hÕt c¸c m« h×nh nµy. Vµi m« h×nh ®−îc m« t¶ rÊt kü l−ìng, vµ ®· cho thÊy mét øng dông réng r·i cho c¸c l−u vùc, ®Æc biÖt lµ ë Mü. Nh÷ng c¸i kh¸c ®−îc ¸p dông chØ cho nh÷ng vïng ®Æc biÖt cña ®Êt n−íc. Khi øng dông mét m« h×nh nµo ®ã th× ph¶i xem xÐt vµ c©n nh¾c ®Õn kh¶ n¨ng sö dông sè liÖu ®ang cã ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cÇn thiÕt. B¶ng 5.4. Lùa chän c¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n M« h×nh T¸c gi¶ Thêi ®iÓm M« t¶ 1 Stanford Crawford vµ Linsley 1966 M« h×nh l−u vùc Stanford 2 HEC-1 HEC 1973-1981 §−êng qu¸ trinh lò 3 HEC-2 HEC 1976-1982 C¸c mÆt c¾t n−íc 4 HEC-3 HEC 1973 B¶o tån ph©n tÝch hÖ thèng hå chøa 5 HEC-4 HEC 1971 M« pháng dßng ch¶y th¸ng. 6 HEC-5 HEC 1979 M« pháng hÖ thèng ®iÒu tiÕt lò. 7 SCS-TR20 USDA SCS 1975 M« h×nh m« pháng thuû v¨n. 8 USDAH2-74 USDA ARS Holtan 1975 M« h×nh l−u vùc thuû v¨n. 9 HSPF Johnson vµ nnk 1980 Ch−¬ng tr×nh m« pháng thuû v¨n –Fortran. 10 MITCAT Horley 1975 M« h×nh hiÖn t−îng m−a -dßng ch¶y ®« thÞ. 11 SWMM Mitcat vµ Eddey, Cam 1971-1988 M« h×nh qu¶n lý n−íc lò. 12 ILLUDAS Terstriep vµ Stall. 1974 M« pháng hÖ thèng tho¸t n−íc ILLLINOS. 13 STORM HEC 1975 M« h×nh l−îng tr÷, ®iÒu, dßng ch¶y mÆt. 14 USGSDR3M USGS, Alley vµ Smith. 1982 Qu¸ tr×nh lò trong khu vùc ®« thÞ 15 PennSt Aron, Laktos 1976 M« h×nh thuû v¨n ®« thÞ. 16 DWOPER NWS, Fread 1978 M« h×nh sãng ®éng häc NWS Vµi m« h×nh trong b¶ng 5.4 ®· ®−îc m« t¶ kü l−ìng bëi Delleur and Dendrou (1980) vµ sÏ chØ ®−îc giíi thiÖu v¾n t¾t d−íi ®©y. M« h×nh l−u vùc Stanford (Crawford and Linsley, 1966) lµ mét trong nh÷ng m« h×nh thuû v¨n ®Çu tiªn vµ toµn diÖn nhÊt. M« h×nh l−u vùc Stanford (SWM-IV) ®−îc h×nh thµnh tõ mét chuçi c¸c lÖnh cho mçi qu¸ tr×nh trong chu tr×nh thuû v¨n dùa trªn c¬ së liªn tôc. Ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®−îc c©n b»ng cho mçi b−íc thêi gian, vµ l−îng gi¸ng thuû, khu chøa, bèc tho¸t h¬i, thÊm, tr÷ l−îng Èm gi÷ l¹i trong ®Êt, dßng ch¶y trµn, dßng ch¶y trong s«ng còng ®−îc ®−a vµo tÝnh to¸n toµn bé trong m« h×nh. M« h×nh yªu cÇu mét sè l−îng lín sè liÖu ®Çu vµo cña l−u vùc vµ v× thÕ kh«g ®−îc sö dông réng r·i nh− mét sè c¸c m« h×nh cã s½n kh¸c. Mét vµi phiªn b¶n cña m« h×nh trong FORTRAN ®−îc ph¸t triÓn qua nhiÒu n¨m, vÝ dô nh− t¹i tr−êng ®¹i häc Kentucky, ®¹i häc Ohio, ®¹i häc Texas. Ch−¬ng tr×nh Hydrocomp Simulation Program (HSP) lµ phiªn b¶n th−¬ng m¹i kÕ thõa cña SWM-IV vµ ®· ®−îc biÕn ®æi ®Ó ®−a vµo m«®un chÊt l−îng n−íc, truyÒn sãng ®éng lùc vµ c¸c b−íc thêi gian biÕn ®æi. Phiªn b¶n hiÖn t¹i lµ HSPF ®−îc thiÕt kÕ l¹i, tr×nh diÔn sù m« 294 pháng rÊt nhiÒu c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n vµ chÊt l−îng n−íc trªn hay d−íi mÆt ®Êt, trong kªnh vµ trong hå chøa (Johanson vµ nhiÒu t¸c gi¶ kh¸c, 1980). Mét trong sè nh÷ng m«®un h÷u dông nhÊt trong HSPF lµ m« h×nh nguån kh«ng ®iÓm (NPS), cung cÊp c¸c m« pháng liªn tôc chÊt « nhiÔm tõ ®« thÞ vµ c¸c mÆt ®Êt ch−a ph¸t triÓn. Nã còng cã thÓ nh− lµ mét m« h×nh riªng biÖt víi EPA vµ ®· ®−îc kiÓm nghiÖm kü cµng víi HSP cña Héi ®ång quy ho¹ch B¾c Virginia. Donigian vµ Crawford (1976, 1979) ph¸t triÓn m« h×nh vµ h−íng dÉn sö dông cña EPA. M« h×nh MITCAT ®−îc ph¸t triÓn bëi Bravo vµ nh÷ng ng−êi kh¸c (1970) t¹i tr−êng ®¹i häc tæng hîp Massachusett cho trËn m−a ®¬n ®Ønh. LÇn ®Çu tiªn dßng ch¶y trµn ®−îc tÝnh b»ng ph−¬ng ph¸p sãng ®éng lùc, vµ sö dông trung b×nh cña hÖ ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh ho¸ St.Venant cho dßng ch¶y trong kªnh. Vµi ph−¬ng tr×nh thÊm còng ®−íc sö dông cïng víi nã víi b−íc thêi gian biÕn ®æi. Phiªn b¶n m«®un ho¸ cña m« h×nh ®−îc m« t¶ bëi Harley vµ c¸c céng sù (1970). EPA ®· tµi trî cho viÖc ph¸t triÓn m« h×nh SWMM th«ng qua tËp ®oµn Metcalf vµ Eddy, ®¹i häc tæng hîp Florida,… (Camp, Dresser, and McKee - 1971). SWMM lµ m« h×nh dßng ch¶y ®« thÞ ®−îc sö dông réng r·i nhÊt, nã cho phÐp m« pháng c¸c hiÖn t−îng ®¬n lÎ hoÆc liªn tôc cho rÊt nhiÒu c¸c l−u vùc, vËn chuyÓn, l−u tr÷ vµ hÖ thèng thuû lîi. C¶ l−îng vµ chÊt l−îng n−íc cã thÓ ®−îc m« pháng vµ dßng ch¶y cã thÓ ®−îc tr×nh diÔn b»ng ph−¬ng ph¸p hå chøa phi tuyÕn, ph−¬ng ph¸p sãng ®éng lùc, hoÆc hÖ ph−¬ng tr×nh St. Venant ®Çy ®ñ trong khèi SWMM EXTRAN. M« h×nh ®· ®−îc söa ch÷a vµ ph¸t triÓn nhiÒu lÇn, phiªn b¶n 4 (Huber vµ nnk, 1988; Roesner cïng nnk., 1988) lµ phiªn b¶n hiÖn ®ang sö dông vµ m« h×nh SWMM sÏ ®−îc m« t¶ chi tiÕt h¬n víi c¸c vÝ dô trong ch−¬ng 6. M« h×nh STORM ®−îc ph¸t triÓn bëi Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh (Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh - 1975; Roesner vµ nnk, 1974) ®Ó tÝnh to¸n l−îng vµ chÊt l−îng n−íc cïa dßng ch¶y ®« thÞ. Ch−¬ng tr×nh biÓu diÔn c¸c m« pháng liªn tôc sö dông chuèi sè liÖu m−a giê víi ®é dµi hµng n¨m, nh−ng c¸c trËn m−a ®¬n lÎ còng cã thÓ ®−îc ph©n tÝch. Qu¸ tr×nh thÊm ®−îc −íc tÝnh sö dông hÖ sè dßng ch¶y träng sè hay c¸c ph−¬ng ph¸p SCS. L−îng tr÷ h¹ l−u vµ c¸c qu¸ tr×nh xö lý còng cã thÓ ®−îc m« pháng nh−ng ë ®ã sÏ kh«ng cã c¸c dßng ch¶y. M« h×nh nµy ®¬n gi¶n h¬n SWMM kh¸ nhiÒu. M« h×nh ILLUDAS ®−îc x©y dùng bëi Terstriep and Stall (1974) vµ nã lµ m« h×nh m« pháng trËn lò ®¬n cã thÓ gi¶i quyÕt ®−îc hÖ thèng tho¸t n−íc chi tiÕt. M« h×nh cã thÓ ch¹y ë chÕ ®é thiÕt kÕ hoÆc m« pháng cho mét l−u vùc cô thÓ. ILLUDAS ®ßi hái sè liÖu m−a ®Çu vµo, cÊu h×nh cña èng vµ diÖn tÝch c¸c l−u vùc con ®Ó tÝnh to¸n dßng ch¶y t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong hÖ thèng. Dßng ch¶y ®−îc tÝnh tõ ®−êng cong thêi gian- diÖn tÝch. GÇn ®ay m« h×nh ®· ®−îc cËp nhËt ®Ó cã thÓ m« pháng ®iÒu kiÖn ch¶y cã t¨ng c−êng ¸p vµ qu¸ t¶i trong hÖ thèng èng (Chiang vµ Bedient, 1986) vµ ®−îc gäi lµ m« h×nh PIBS. Ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc xem lµ cho kÕt qu¶ kh¸ tèt nÕu so s¸nh víi SWMM EXTRAN Block vµ ch¹y trªn m¸y tÝnh c¸ nh©n. M« h×nh dßng ch¶y bang Penn (Aron vµ Lakatos, 1976) ®−îc ph¸t triÓn nh− lµ mét m« h×nh ®¬n gi¶n vµ ng¾n gän nhÊn m¹nh vµo vai trß thêi gian cña dßng ch¶y ë c¸c l−u vùc con ®Õn ®Ønh lò t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trªn l−u vùc. M« h×nh cung cÊp mét c¸ch 295 tiÕp cËn thùc tÕ cho viÖc ph©n tÝch dßng ch¶y ë c¸c vung c− d©n nhá vµ võa. L−u vùc ®−îc chia thµnh phÇn tr−íc vµ phÇn sau, vËn chuyÓn n−íc vµ hÖ thèng tr÷. Kibler vµ Aron (1978) ®· nghiªn cøu ®é nh¹y cña c¸c th«ng sè cña m« h×nh vµ cña SWMM. C¬ quan b¶o tån ®Êt (SCS) ®· x©y dùng vµ ph¸t triÓn mét lo¹t c¸c ph−¬ng ph¸p vµ m« h×nh vµ ®−îc m« t¶ chi tiÕt bëi MeCuen (1982). C¸c ph−¬ng ph¸p ®å thÞ, lËp b¶ng ®−îc sö dông trong SCS TR-55, víi tªn cña m« h×nh lµ Thuû v¨n ®« thÞ cho l−u vùc nhá. Nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy chñ yÕu dùa trªn ph−¬ng ph¸p sè ®−êng cong dßng ch¶y ®· ®−îc m« t¶ trong ch−¬ng 2 vµ sÏ kh«ng tr×nh bµy chi tiÕt ë ®©y. M« h×nh SCS TR-20 lµ ph−¬g ph¸p m¸y tÝnh ho¸ ®Ó gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò sö dông c¸c thñ tôc SCS. Ch−¬ng tr×nh ph¸t triÓn ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y, göi chóng qua hÖ thèng c¸c ®o¹n kªnh vµ hå chøa, vµ tæ hîp hay ph©n t¸ch ®−êng qu¸ tr×nh t¹i c¸c ®iÓm hîp l−u. Cho mçi l−u vùc con yªu cÇu diÖn tÝch, sè ®−êng cong dßng ch¶y vµ thêi gian ch¶y truyÒn. Vµ sö dông c¸c thñ tôc nµy d−êng nh− ®¬n gi¶n h¬n sö dông trong HEC- 1. Nh×n chung c¸c thñ tôc t−¬ng tù nh− ®−îc sö dông trong HEC-1 vµ ®Æc biÖt thÝch hîp ®Ó kiÓm tra c¸c ¶nh h−ëng cña khu chøa vµ l−u gi÷ n−íc trªn l−u vùc. C¸c th¶o luËn trªn ®©y ®· cung cÊp mét tæng quan vÒ rÊt nhiÒu c¸c m« h×nh m« pháng thuû v¨n th«ng dông ®−îc sö dông trong ph©n tÝch thuû v¨n l−u vùc. §éc gi¶ nªn tham kh¶o thªm c¸c tµi liÖu h−íng dÉn sö dông trùc tiÕp tõ t¸c gi¶ m« h×nh tr−íc khi tù m×nh ¸p dông m« h×nh vµo mét l−u vùc thùc tÕ. PhÇn tiÕp theo cña ch−¬ng nµy sÌ ®−îc dµnh cho tr×nh bµy chi tiÕt cña m« h×nh HEC-1 cïng víi c¸c vÝ dô vµ ¸p dông thùc tÕ. Nã ®−îc xem lµ mét trong nh÷ng m« h×nh hoµn thiÖn nhÊt vµ lµ m« h×nh hay ®−îc sö dông nhÊt trong c¸c m« h×nh ®· ®−îc nh¾c ®Õn trªn ®©y. 5.4. M« h×nh HEC-1 HEC-1 ®−îc thiÕt kÕ ®Ó m« pháng c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y bÒ mÆt tõ l−îng m−a r¬i trªn bÒ mÆt l−u vùc. Nã ®−îc ph¸t triÓn qua nhiÒu n¨m bëi trung t©m Thuû v¨n thuéc Côc C«ng binh Hoa kú. Qu¸ tr×nh chuyÓn tõ l−îng m−a r¬i ®Õn dßng ch¶y trùc tiÕp cã thÓ ®−îc m« pháng bëi HEC-1 cho mét l−u vùc nhá hay mét l−u vùc lín vµ phøc t¹p nh− trong h×nh 5.1. M« h×nh HEC-1 cho mét l−u vùc s«ng ®¬n gi¶n hay phøc t¹p gåm nh÷ng thµnh phÇn cho dßng ch¶y trªn c¸c l−u vùc con, kªnh, hå chøa vµ tæ hîp dßng ch¶y. C¸c biªn cña c¸c phÇn diÖn tÝch l−u vùc con ®−îc ph¸c ho¹ v× thÕ mÊt m¸t tæng l−îng m−a vµ c¸c th«ng sè l−u vùc cã thÓ ®−îc sö dông. L−îng m−a lÞch sö hay l−îng m−a thiÕt kÕ ®−îc chuyÓn thµnh dßng ch¶y th«ng qua c¸c ph−¬ng ph¸p ®−êng thuû v¨n ®¬n vÞ ®· ®−îc « t¶ trong ch−¬ng 2. L−u l−îng ®−îc tÝnh to¸n t¹i cöa ra cña mçi phÇn diÖn tÝch con nµy (xem h×nh 5.1). 296 H×nh 5.1. S¬ ®å m« h×nh HEC-1 Thµnh phÇn diÔn to¸n trong HEC-1 yªu cÇu c¸c th«ng sè ®Çu vµo ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng diÔn to¸n ®Æc biÖt cña mét ®o¹n s«ng hay hå chøa. C¸c sè liÖu ra bao gåm qu¸ tr×nh dßng ch¶y ra t¹i tr¹m h¹ l−u. Tæ hîp qu¸ tr×nh dßng ch¶y t¹i c¸c khu vùc c¬ b¶n lµ rÊt thiÕt yÕu cho logic toµn hÖ thèng trong HEC-1 vµ cho phÐp c¸c sö dông l−u tr÷ m¸y tinh tèi −u trong m« h×nh. HEC-1 lµ mét m« h×nh qu¸ tr×nh dßng ch¶y lò víi c¸c kh¶ n¨ng sau: 1. M« pháng dßng ch¸y trªn l−u vùc vµ trong s«ng suèi tõ l−îng m−a lÞch sö hay thiÕt kÕ. 2. Sö dông ®−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ, tû lÖ mÊt m¸t, th«ng sè dßng ch¶y trong s«ng, tõ c¸c sè liÖu quan tr¾c. 3. TÝnh to¸n ®−êng cong tÇn suÊt thiÖt h¹i vµ c¸c thiÖt h¹i hµng n¨m cho nhiÒu vïng vµ nhiÒu dù ¸n ®iÒu khiÓn lò. 4. M« pháng ®iÒu tiÕt hå chøa vµ lò trong s«ng. HEC-1 lµ mét trong nh÷ng céng cô ®−îc sö dông réng r·i nhÊt cho m« pháng l−u vùc vµ ph©n tÝch lò. C¸c th¶o luËn tiÕp theo ®©y sÏ m« t¶ c¸c ®Æc tr−ng chi tiÕt cña m« h×nh th«ng qua c¸c vÝ dô. §éc gi¶ ®−îc khuyÕn c¸o tham kh¶o h−íng dÉn sö dông vµ c¸c tµi liÖu liªn quan cña trung t©m Thuû v¨n (1981) ®Ó biÕt thªm chi tiÕt. Ph¸c th¶o l−u vùc HEC-1 sö dông c¸c th«ng sè trung b×nh ho¸ theo kh«ng gian vµ thêi gian ®Ó m« pháng c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y. KÝch th−íc cña l−u vùc con, c¸c ®o¹n s«ng hay c¸c b−íc tÝnh to¸n ®−îc lùa chän trªn c¬ së ®iÒu kiÖn ®Þa lý thuû v¨n cña l−u vùc, sè liÖu m−a s½n cã, sè liÖu dßng ch¶y s½n cã vµ yªu cÇu ®é chÝnh x¸c. Nh− trªn h×nh 5.1, mét l−u vùc phøc t¹p ®−îc chia thµnh c¸c l−u vùc con nhá vµ t−¬ng ®èi ®ång nhÊt dùa vµo ®Þa h×nh. C¸c ®o¹n ®−îc x¸c ®Þnh vµ thø tù chung cña tÝnh to¸n dßng ch¶y còng ®−îc x¸c ®Þnh ®Ó ®−a vµo m« h×nh HEC-1. 297 KÝch th−íc cña c¸c l−u vùc con nãi chung th−êng n»m trong kho¶ng tõ 1 – 10 dÆm2 bëi v× c¸c giíi h¹n cña lý thuyÕt ®−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ. C¸c ®o¹n lßng dÉn nªn ®ñ dµi vµ sãng lò kh«ng truyÒn nhanh h¬n b−íc thêi gian tÝnh to¸n trªn ®o¹n s«ng ®ã. MÆt kh¸c c¸c lèi sè häc cã thÓ sÏ xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n lò. Gi¸ng thuû L−îng gi¸ng thuû P ®−îc tÝnh cho mçi l−u vùc con trong hinh 5.1 sö dông c¸c sè liÖu lÞch sö hoÆc m−a thiÕt kÕ tæng hîp. M« h×nh cho phÐp: (1) L−îng m−a t¨ng dÇn (®é dµy P cho mçi b−íc thêi gian) cho mçi l−u vùc con, (2) Tæng l−îng m−a vµ ph©n bè thêi gian, hoÆc (3) Sè liÖu ®o ®¹c qu¸ khø cïng víi c¸c hÖ sè träng sè thùc tÕ cho mçi l−u vùc con. M−a thiÕt kÕ tiªu chuÈn cã thÓ ®−îc sö dông ë d¹ng: (1) Sè liÖu ®é dµy vµ thêi ®o¹n, (2) L−îng m−a tèi ®a cã thÓ, hoÆc (3) L−îng m−a chuÈn cho c«ng tr×nh. Sè liÖu l−îng m−a ®−îc nhËp vµo ë c¸c b−íc thêi gian cè ®Þnh, nh−ng b−íc thêi gian nµy cã thÓ kh¸c víi b−íc thêi gian tÝnh to¸n trong m« h×nh. HEC-1 còng cho phÐp tÝnh to¸n c¶ tuyÕt r¬i vµ tuyÕt tan vµ sÏ ®−îc bµn luËn ë phÇn tiÕp theo. TuyÕt r¬i vµ tuyÕt tan HEC-1 cã kh¶ n¨ng m« pháng qu¸ tr×nh tuyÕt r¬i vµ tuyÕt tan rÊt tèt. Cã ®Õn 10 cÊp ®íi c©n b»ng ®éng ®−îc ®Æc tr−ng cho mçi l−u vùc con. B×nh th−êng mçi cÊp lªn ®Õn 1000 feet nh−ng bÊt kú mét sù t¨ng ®é cao nµo còng cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo tû lÖ gi¶m nhiÖt ®é kh«ng khÝ t−¬ng øng víi sù thay ®æi ®é cao trong tõng cÊp. D÷ liÖu nhiÖt ®é ®−îc nhËp vµo cuèi cña cÊp cao tr×nh thÊp nhÊt. Sau ®ã nhiÖt ®é gi¶m theo tû lÖ gi¶m nhiÖt ®é (0C hay 0F trªn mçi sù thay ®æi ®é cao). NhiÖt ®é b¨ng tan ®−îc nhËp vµo trong d÷ liÖu mµ dù liÖu nµy sau ®ã ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh l−îng gi¸ng thuû r¬i d−íi d¹ng tuyÕt hoÆc m−a (nhiÖt ®é tan +2 0C hoÆc 0F). TuyÕt tan x¶y ra khi nhiÖt ®é c©n b»ng hoÆc lín h¬n nhiÖt ®é tan vµ ®−îc tÝnh to¸n b»ng nhiÖt kÕ hoÆc ph−¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l−îng (xem phÇn 2.8). §Ó biÕt chi tiÕt h¬n viÖc tÝnh to¸n l−îng tuyÕt r¬i vµ l−îng tuyÕt tan trong m« h×nh HEC-1 xem sæ tay sö dông m« h×nh HEC-1 (Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh, 1981) vµ dßng ch¶y sinh ra tõ tuyÕt tan (Côc c«ng binh Hoa Kú, 1960). Ph©n tÝch tû lÖ tæn thÊt HEC-1 chøa 4 ph−¬ng ph¸p ®Ó tÝnh to¸n sù tæn thÊt cña l−îng m−a vµo khu chøa vµ thÊm nh− trong b¶ng 5.5. §¬n gi¶n nhÊt lµ hµm tæn thÊt ban ®Çu vµ h»ng sè, trong ®ã thÓ tÝch tæn thÊt ban ®Çu ®−îc tho¶ m·n tr−íc khi tû lÖ tæn thÊt h»ng sè b¾t ®Çu. Ph−¬ng ph¸p nµy