Tương tự thủy văn và các mô hình mưa dòng chảy hàm phân bố

185 Nh­ng ë ®©y c = (Ks sin )/ cho tr­êng hîp hÖ sè dÉn kh«ng ®æi vµ:    f hDfK c   exp.sin0  cho tr­êng hîp hÖ sè dÉn gi¶m theo hµm mò. Víi dßng ch¶y s¸t mÆt b·o hoµ trªn mét s­ên dèc, Beven (1981) chØ ra r»ng diÔn t¶ sãng ®éng häc lµ mét xÊp xØ tèt cho mét diÔn t¶ ph­¬ng tr×nh Dupuit-Forcheimer ®Çy ®ñ h¬n, nÕu gi¸ trÞ cña th«ng sè kh«ng thø nguyªn ®­îc ®Þnh nghÜa bëi: i K s  sin4  (5.71) trong ®ã i lµ c­êng ®é hiÖu qu¶ cña l­îng n­íc m­a n¹p l¹i cho s­ên dèc, nã lín h¬n kho¶ng 0.75. Khi gÆp ®iÒu kiÖn nµy ®­êng h¹ mùc n­íc ngÇm t¹i ®iÓm cuèi thÊp h¬n cña dèc v× tiÕp cËn mét kªnh s©u, kh«ng cã ¶nh h­ëng lín ®Õn c¸c l­u l­îng dù b¸o. Tæng kÕt c¸c gi¶ thiÕt vÒ c¸c m« h×nh sãng ®éng häc. Cã chØ mét gi¶ thiÕt ban ®Çu d­íi ®¹o hµm ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc.  A1, Mét quan hÖ hµm gi÷a l­u l­îng vµ tr÷ l­îng cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh cho c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y cô thÓ ®­îc nghiªn cøu. Mét vµi vÝ dô vÒ c¸c quan hÖ nh­ vËy cho c¶ dßng ch¶y mÆt vµ dßng ch¶y s¸t mÆt ®· ®­îc chøng minh bªn trªn. Giíi h¹n cña tiÕp cËn sãng ®éng häc ph¶i ®­îc ®¸nh gi¸ ®óng, nh­ng ­u ®iÓm chÝnh kh«ng h¹n chÕ c¸c gi¶ thiÕt cña nã vÒ c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y tù nhiªn, chØ cã l­u l­îng ®­îc xem nh­ lµ mét hµm cña tr÷ l­îng. PhÐp gi¶i gi¶i tÝch c¸c ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc yªu cÇu r»ng c¸c quan hÖ hµm ®ã lµ ®¬n trÞ (nh×n chung lµ cho d¹ng ®¬n gi¶n). Gi¶i sè trÞ kh«ng cã sù h¹n chÕ nµy vµ nã cã thÓ v¹ch ra ph­¬ng ph¸p gi¶i sãng ®éng häc khi cã mét quan hÖ tr÷ l­îng-l­u l­îng trÔ, cã thÓ b¾t ch­íc chÆt chÏ h¬n phÐp gi¶i cho c¸c ph­¬ng tr×nh dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt ®Çy ®ñ (trong cïng mét c¸ch mµ ®Æc tr­ng Èm ®Êt trÔ thØnh tho¶ng ®­îc sö dông trong c¸c m« h×nh ®íi ch­a b·o hoµ, xem Jaynes 1990). D­êng nh­ lµ kh«ng cã mét sù cè g¾ng nµo ®Ó thùc hiÖn mét m« h×nh nh­ thÕ trong thuû v¨n. ch­¬ng 6 T­¬ng tù thuû v¨n vµ c¸c m« h×nh m­a dßng Ch¶y hµm ph©n bè Trong quan hÖ m­a dßng ch¶y, t­¬ng tù thuû v¨n th­êng ®­îc kÕt hîp víi hiÓu biÕt mµ chóng ta cã vÒ ho¹t ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh vµo trong mét m« h×nh quan niÖm nµo ®ã cña hÖ thèng. Nãi chung mét sè phÇn cña mét m« h×nh quan niÖm phøc t¹p ph¶i dùa nhiÒu vµo c¸c gi¶ thuyÕt vËt lý h¬n c¸c m« h×nh kh¸c. Nh­ng ngay c¶ m« 186 h×nh cã c¬ së vËt lý v÷ng ch¾c nhÊt còng kh«ng thÓ ph¶n ¸nh hÕt tÝnh phøc t¹p vµ kh«ng ®ång nhÊt cña c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn l­u vùc. Thuû v¨n l­u vùc vÉn cßn lµ mét m«n khoa häc mang nhiÒu tÝnh kinh nghiÖm. George Hornberger vµ nnk 1985 6.1.T­¬ng tù thuû v¨n vµ c¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n Trong bÊt kú l­u vùc nµo nhµ thuû v¨n häc ph¶i ®èi mÆt víi sù ®a d¹ng vÒ ®Þa lý, c¸c lo¹i ®Êt, thùc vËt vµ sö dông ®Êt, c¸c ®Æc ®iÓm vÒ ®Þa h×nh, c¸c nh©n tè t¸c ®éng tíi mèi quan hÖ gi÷a m­a – dßng ch¶y. Mét c¸ch ®Ó thÓ hiÖn ®Æc ®iÓm nµy cña bÊt kú l­u vùc riªng biÖt nµo vµo trong ®¸nh gi¸ lµ d¹ng m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ ®· ®­îc ®Ò cËp ë ch­¬ng tr­íc, nh­ng nh­ ®· nãi ë ®©y nh÷ng m« h×nh nh­ vËy rÊt khã ¸p dông do c¶ sè liÖu ®Çu vµo yªu cÇu phÇn nhiÒu kh«ng ®o d¹c trùc tiÕp ®­îc vµ c¶ n¨ng lùc m¸y tÝnh ch­a ®¸p øng kÞp. Tuy nhiªn, trong bÊt kú l­u vùc nµo, cã thÓ cã nhiÒu ®iÓm ho¹t ®éng trong con ®­êng t­¬ng tù thuû v¨n, víi sù t­¬ng tù vÒ c©n b»ng n­íc vµ c¸c ®Æc ®iÓm s¶n sinh lµ cña dßng mÆt hay s¸t mÆt. NÕu cã thÓ ph©n lo¹i c¸c ®iÓm trªn l­u vùc trong sù t­¬ng tù nhau vÒ mÆt thuû v¨n, th× d¹ng ®¬n gi¶n h¬n cña m« h×nh cã thÓ ®­îc sö dông dùa trªn ph©n bè cña c¸c hµm ph¶n øng thuû v¨n trong l­u vùc mµ kh«ng cÇn thiÕt xem xÐt c¸c ®iÓm mét c¸ch riªng rÏ. Cã ba ph­¬ng ph¸p chÝnh ®· ®­îc nç lùc ®Ó sö dông ph©n bè nh­ vËy cña c¸c ph¶n øng kh¸c nhau trong l­u vùc cho c¸c qu¸ tr×nh m­a – dßng ch¶y. §Çu tiªn lµ tiÕp cËn thèng kª, dùa trªn ý t­ëng r»ng ph¹m vi cña c¸c ph¶n øng trong mét diÖn tÝch l­u vùc cã thÓ ®­îc miªu t¶ nh­ mét ph©n bè x¸c suÊt cña c¸c bÓ chøa nhËn thøc mµ kh«ng quan t©m râ rµng ®Õn c¸c ®Æc ®iÓm vËt lý ®iÒu khiÓn ph©n bè cña ph¶n øng thuû v¨n. TiÕp cËn nµy do ®ã cã nhiÒu ®iÓm chung víi c¸c m« h×nh hµm chuyÓn ®æi ë ch­¬ng 4, vµ chóng ta sÏ ®­a ra vÝ dô ë môc kÕ tiÕp, m« h×nh ph©n bè x¸c xuÊt cña Moore vµ Clarke (1981), sö dông hµm chuyÓn ®æi d¹ng song song t­¬ng tù cho diÔn to¸n dßng ch¶y ®· s¶n sinh. TiÕp cËn thuÇn tuý thèng kª nµy kh«ng yªu cÇu x¸c ®Þnh h×nh thøc sù t­¬ng tù nµo gi÷a c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong l­u vùc. Mét lo¹i kh¸c cña m« h×nh hµm ph©n bè cè g¾ng x¸c ®Þnh sù t­¬ng tù râ rµng h¬n ®ã lµ lo¹i dùa trªn ý t­ëng c¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n (HRUs). Chóng ®­îc ph©n ra thµnh c¸c nhãm c¶nh quan kh¸c nhau b»ng viÖc chång chËp c¸c b¶n ®å cã ®Æc ®iÓm kh¸c nhau, ch¼ng h¹n nh­ b¶n ®å vÒ ®Êt, ®é dèc, ®Æc ®iÓm vµ lo¹i thùc vËt... C¸ch ph©n lo¹i c¶nh quan nµy ngµy nay dÔ dµng thiÕt lËp ®­îc b¶n ®å c¸c ®Æc tr­ng nhê viÖc sö dông c¬ së d÷ liÖu c¶nh quan cña hÖ th«ng tin ®Þa lý sao cho t¹o ra c¸c b¶n ®å chång chËp cña c¸c ®Æc tr­ng liªn kÕt lµ mét vµi nh¾p chuét ®¬n gi¶n trªn m¸y tÝnh PC vµ Workstation. Mét vÝ dô vÒ kÕt qu¶ ph©n lo¹i theo ph­¬ng ph¸p c¶nh quan ®· ®­îc minh ho¹ trªn h×nh 2.7. C¸c m« h×nh cña lo¹i nµy kh¸c nhau vÒ lo¹i nhËn thøc ®­îc sö dông cho mçi HRU (xem môc 6.3). TiÕp cËn thø ba lµ ph­¬ng ph¸p xuÊt ph¸t tõ ý t­ëng x¸c ®Þnh sù t­¬ng tù thuû v¨n cña c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong l­u vùc dùa trªn gi¶ thuyÕt ®¬n gi¶n vÒ sö dông th«ng tin vÒ ®Þa h×nh vµ lo¹i ®Êt. §èi víi nh÷ng l­u vùc cã ®é dèc tõ trung b×nh cho ®Õn rÊt lín vµ nh÷ng lo¹i ®Êt n»m t­¬ng ®èi n«ng trªn líp ®¸ kh«ng thÊm, ®Þa h×nh cã 187 ¶nh h­ëng quan träng lªn qu¸ tr×nh s¶n sinh dßng ch¶y, Ýt nhÊt trong c¸c ®iÒu kiÖn Èm ­ít, xuÊt ph¸t tõ ¶nh h­ëng cña dßng ch¶y xu«i dèc. §©y lµ c¬ së cho chØ sè t­¬ng tù thuû v¨n ®­a ra bëi Kirkby vµ ®­îc ph¸t triÓn thµnh m« h×nh m­a-dßng ch¶y hoµn chØnh (TOPMODEL cña Kirkby vµ Beven 1979) (xem môc 6.4). Gi¶ thuyÕt c¬ b¶n cña TOPMODEL lµ tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn l­u vùc víi cïng gi¸ trÞ chØ sè ®Þa h×nh (hoÆc mét biÕn ®æi cña nã sÏ ®­îc nãi sau ®©y) sÏ ph¶n ¸nh sù t­¬ng tù vÒ mÆt thuû v¨n. Sau ®ã sÏ kh«ng cÇn thiÕt t×m ra lêi gi¶i cho tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn l­u vùc mµ chØ tÝnh cho c¸c ®iÓm ®¹i biÓu cña tõng nhãm víi chØ sè ®Þa h×nh kh¸c nhau. Hµm ph©n bè cña mçi nhãm sau ®ã sÏ cho phÐp tÝnh c¸c ph¶n øng ë quy m« l­u vùc. C¸c m« h×nh hµm ph©n bè nµy dÔ dµng ®­îc chÊp nhËn vµ yªu cÇu thêi gian ch¹y ch­¬ng tr×nh Ýt h¬n m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ. Râ rµng chóng lµ mét xÊp xØ cho biÔu diÔn ph©n bè ®Çy ®ñ cña qu¸ tr×nh s¶n sinh dßng ch¶y nh­ng khi ®ã còng lµ thÕ hÖ hiÖn thêi cña m« h×nh ph©n bè “dùa vµo vËt lý” th¶o luËn trong ch­¬ng 5. §iÒu ch­a râ rµng lµ liÖu c¸i sau cã lµ ­u ®iÓm râ rÖt trong ¸p dông thùc tÕ. MÆc dï cßn tån t¹i mét sè giíi h¹n vÒ tÝnh chÝnh x¸c cña c¸c m« h×nh hµm ph©n bè nh­ng viÖc sö dông nh÷ng lo¹i m« h×nh nµy ®· dÉn ®Õn mét sè hiÓu biÕt quan träng . 6.2.M« h×nh ph©n bè x¸c suÊt ®é Èm (PDM) B»ng nhiÒu c¸ch, PDM lµ mét më réng ®¬n gi¶n cña mét sè m« h×nh l­îng tr÷ tËp trung ®­îc ph¸t triÓn trong nh÷ng n¨m 1960 (vµ sau ®ã) cho tr­êng hîp nhiÒu l­îng tr÷ miªu t¶ ph©n bè kh«ng gian cña c¸c kh¶ n¨ng tr÷ kh¸c nhau trong mét l­u vùc. Nã lµ mét më réng hîp lý víi hi väng ph©n bè cña l­îng tr÷ cã thÓ lµ ®¹i diÖn cña sù biÕn thiªn trªn l­u vùc tèt h¬n lµ c¸c phÇn tö l­îng tr÷ tËp trung ®¬n gi¶n. Tuy nhiªn, ë d¹ng ph¸c ho¹ ban ®Çu bëi Moore vµ Clarke (1981) m« h×nh kh«ng cã cè g¾ng thùc sù nµo ®Ó liªn kÕt ph©n bè cña l­îng tr÷ víi c¸c ®Æc ®iÓm vËt lý cña l­u vùc. Trong thùc tÕ, mét trong nh÷ng lý do chÝnh ®Ó ®­a ra ph©n bè l­îng tr÷ ®ã lµ lµm cho c«ng t¸c hiÖu chØnh dÔ dµng h¬n v× hä thÊy r»ng hä ®¹t ®­îc bÒ mÆt ph¶n øng tr¬n h¬n khi cho d¹ng m« h×nh míi so víi m« h×nh cò dùa trªn ph­¬ng ph¸p phÇn tö l­îng tr÷ ESMA tËp trung ë quy m« l­u vùc. BÒ mÆt ph¶n øng tr¬n h¬n, nh×n chung, sÏ lµm cho qu¸ tr×nh tèi ­u ho¸ th«ng sè tù ®éng dÔ dµng h¬n ®Ó t×m ra bé th«ng sè phï hîp nhÊt ( Xem th¶o luËn vÒ hiÖu chØnh th«ng sè ë ch­¬ng 7). ý t­ëng c¬ b¶n cña m« h×nh PDM ®­îc minh ho¹ trªn h×nh 6.1. Nh÷ng phÇn tö l­îng tr÷ béi cho phÐp ®iÒn ®Çy vµ dÉn n­íc trong qu¸ tr×nh m­a vµ giai ®o¹n t­¬ng øng gi÷a c¸c trËn m­a. NÕu bÊt kú bÓ chøa nµo ®· ®Çy th× sau ®ã bÊt kú l­îng m­a thªm sÏ ®­îc coi lµ tíi kªnh nhanh chãng nh­ lµ dßng ch¶y trµn. Thµnh phÇn dÉn n­íc chËm ®­îc phÐp th¸o c¹n bÓ chøa gi÷a c¸c trËn m­a, ®ãng gãp vµo nh¸nh xuèng cña l­u l­îng trong kªnh vµ ®ãng vai trß lµ l­îng tr÷ ban ®Çu cña trËn m­a tiÕp theo. Bèc h¬i còng lÊy n­íc cña l­îng tr÷ trong thêi kú gi÷a c¸c trËn m­a . Trong bÊt kú trËn m­a nµo, râ rµng nh÷ng bÓ chøa víi kh¶ n¨ng tr÷ nhá nhÊt sÏ bÞ ®Çy tr­íc tiªn vµ h×nh thµnh dßng ch¶y nhanh ®Çu tiªn. Mçi kh¶ n¨ng tr÷ ®­îc gi¶ thiÕt lµ biÓu thÞ mét tØ lÖ nhÊt ®Þnh cña l­u vùc ®Ó khi c¸c bÓ chøa bÞ ®Çy, cã thÓ tÝnh ®­îc tû lÖ diÖn tÝch s¶n sinh phÇn dßng ch¶y nhanh. DiÖn tÝch nµy sÏ më réng trong 188 suèt trËn m­a vµ thu nhá l¹i gi÷a c¸c trËn m­a, sao cho vÒ thùc chÊt ph©n bè c¸c bÓ chøa ®¹i diÖn cho diÖn tÝch ®ãng gãp ®éng lùc cho qu¸ tr×nh t¹o thµnh dßng ch¶y. Trong miªu t¶ ®· ®­îc c«ng bè cña c¸c m« h×nh PDM, c¸c t¸c gi¶ ®· ph©n biÖt gi÷a dßng ch¶y mÆt vµ dßng ch¶y c¬ së. Dï sao ®iÒu nµy kh«ng lµ sù gi¶i thÝch cÇn thiÕt v× víi m« h×nh hµm chuyÓn ®æi trong ch­¬ng 4, hoµn toµn coi chóng nh­ dßng ch¶y nhanh vµ chËm. Ph©n bè cña l­îng tr÷ sö dông trong m« h×nh chØ lµ ph©n bè cña l­îng tr÷ nhËn thøc vµ c©u hái n¶y sinh lµ d¹ng ph©n bè nµo cã thÓ phï hîp víi mét l­u vùc cho tr­íc. H×nh 6.1. CÊu tróc cña m« h×nh ph©n bè x¸c suÊt (PDM) Moore vµ Clarke (1981) chØ ra sù kh¸c nhau cña c¸c ph©n bè cã thÓ dÔ dµng hîp nhÊt vµo trong cÊu tróc m« h×nh lo¹i nµy vµ hä dÉn ra c¸c ph­¬ng tr×nh gi¶i tÝch cho ph¶n øng cña c¸c ph©n bè kh¸c nhau. C«ng viÖc cña hä ®­îc Hosking vµ Clarke (1990) ph¸t triÓn. Hai «ng ®· chØ ra lµm thÕ nµo m« h×nh cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó rót ra mèi quan hÖ gi÷a tÇn suÊt cña m­a vµ ®é lín ®Ønh dßng ch¶y trong d¹ng gi¶i tÝch. Moore (1985) nghiªn cøu mét tr­êng hîp trong ®ã l­îng tr÷ bÞ tæn thÊt do viÖc dÉn n­íc xuèng s©u vµ bèc tho¸t h¬i, trong khi Moore vµ Clarke (1983) liªn kÕt m« h×nh ®Ó dù ®o¸n sù h×nh thµnh còng nh­ l­u l­îng trÇm tÝch. Mét ph©n tÝch gÇn ®©y cña c¸c kh¸i niÖm vµ ph­¬ng tr×nh ®­îc ®­a ra bëi Clarke (1998). M« h×nh tiÕp tôc ®­îc sö dông vµ ph¸t triÓn. C«ng tr×nh gÇn ®©y ë ViÖn thuû v¨n V­¬ng quèc Anh ®· sö dông cho m« h×nh ch¹y thêi gian dµi ®Ó t×m ra tÇn suÊt cña lò (Lamp,1999) vµ còng ¸p dông ph©n bè nhiÒu h¬n víi sè liÖu ®Çu vµo l­îng m­a vµ tuyÕt tan ®­îc quan tr¾c b»ng ra®a ®Ó dù b¸o lò (Moore vµ nnk 1994; Bell vµ Moore 1998; Moore vµ nnk 1999). ë lÇn ¸p dông muén h¬n (1999) mét m« h×nh ph©n bè x¸c suÊt ®é Èm riªng rÏ ®­îc sö dông cho mçi ®iÓm ¶nh ra ®a l­îng m­a (mét phÇn tö cã kÝch th­íc lµ 2km x 2km víi l­îng m­a ®o ®¹c ra®a ë V­¬ng quèc Anh) quan tr¾c b»ng ra®a ®Ó bÊt kú t¸c ®éng nµo cña ph©n bè kh«ng gian l­îng m­a ®­îc b¶o toµn. Mét sè nç lùc ®· ®­îc thùc hiÖn ®Ó ph¶n ¸nh sù kh¸c nhau vÒ lo¹i ®Êt vµ ®Æc ®iÓm vÒ ®Þa h×nh cña c¸c ®¬n vÞ c¶nh quan bëi c¸c th«ng sè cña ph©n bè bÓ chøa trong mçi phÇn tö theo tõng lo¹i ®Êt vµ gãc dèc trung b×nh. PDM gÇn ®©y còng ®­îc ¸p dông cïng víi m« h×nh ph©n bè dßng ch¶y 189 tuyÕt tan (Moore vµ nnk 1999), mét d¹ng cña m« h×nh ®· ®­îc sö dông nh­ mét m« h×nh thuû v¨n qui m« lín (Armell 1999), vµ mét ph­¬ng ph¸p thay thÕ l­îng tr÷ ph©n bè l¹i gi÷a c¸c phÇn tö tr÷ ®· ®­îc ®Ò xuÊt (Senbeta vµ nnk 1999). ­u ®iÓm cña m« h×nh PDM lµ d¹ng gi¶i tÝch vµ tÝnh to¸n ®¬n gi¶n. Nã cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó cung cÊp m« pháng tèt cho c¸c l­u l­îng quan tr¾c trong nhiÒu øng dông, ®Ó ph©n bè l­îng tr÷ nhËn thøc cã thÓ ®­îc gi¶i thÝch lµ ®¹i diÖn hîp lý cña x¸c lËp hµm cña l­u vùc trong d¹ng s¶n sinh dßng ch¶y trªn l­u vùc. Tuy nhiªn, kh«ng cã hiÓu biÕt s©u h¬n nµo vÒ d¹ng cña cÊu tróc c¸c ph¶n øng thuû v¨n lµ cã kh¶ n¨ng, v× kh«ng cã c¸ch nµo ph©n chia c¸c vÞ trÝ riªng biÖt cho c¸c phÇn tö l­îng tr÷. Trong kh¶ n¨ng ph¸n ®o¸n nµy, PDM vÉn lµ mét biÓu diÔn tËp trung ë quy m« l­u vùc (hoÆc phÇn tö l­u vùc con trong phiªn b¶n ph©n bè). Trong thùc tÕ mét sù t­¬ng tù cã thÓ ®­îc m« t¶ gi÷a cÊu tróc cña m« h×nh PDM vµ mét vµi m« h×nh l­u vùc tËp trung, ch¼ng h¹n m« h×nh VIC, lµ m« h×nh sö dông quan hÖ hµm gi÷a l­îng tr÷ l­u vùc vµ diÖn tÝch s¶n sinh dßng ch¶y nhanh (xem h×nh B2.2.1 trong hép 2.2). D¹ng cña mèi quan hÖ nµy ®­îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c th«ng sè ®· hiÖu chØnh cho mét diÖn tÝch l­u vùc cô thÓ, nh­ng sau ®ã sÏ chÊp nhËn mét ph©n bè nµo ®ã cña kh¶ n¨ng tr÷ trong l­u vùc theo c¸ch t­¬ng tù nh­ m« h×nh PDM. C¶ hai m« h×nh còng sö dông hµm chuyÓn ®æi song song b»ng c¸ch diÔn to¸n cho dßng ch¶y chËm vµ dßng ch¶y nhanh (dßng ch¶y mÆt vµ dßng ch¶y c¬ së trong h×nh 6.1), t­¬ng tù nh­ m« h×nh hµm chuyÓn ®æi ®Ò cËp ë ch­¬ng 4. 6.3. C¸c m« h×nh ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n SÏ lµ rÊt h÷u Ých ®Ó cã thÓ liªn kÕt viÖc t¹o thµnh dßng ch¶y mét c¸ch trùc tiÕp h¬n víi c¸c ®¬n vÞ c¶nh quan, nh­ng sau ®ã lµm thÕ nµo ®Ó tÝnh ®­îc nhiÒu h¬n sù ph©n bè cña c¸c ®Æc ®iÓm vËt lý cña mét l­u vùc mµ kh«ng sö dông ®Õn c¸c m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ ë ch­¬ng tr­íc? Mét ph­¬ng ph¸p ®· ®­îc ph¸t triÓn dùa trªn viÖc sö dông hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (GIS) trong m« h×nh ho¸ thñy v¨n. Mét GIS th­êng ®­îc sö dông ®Ó chøa d÷ liÖu thu thËp ®­îc tõ b¶n ®å ®Êt, ®Þa chÊt, ®Þa h×nh vµ ph©n lo¹i thùc vËt. Nh­ ®· nãi tõ tr­íc, c¸c b¶n ®å kh¸c nhau nµy kh«ng thÓ cung cÊp th«ng tin sö dông trùc tiÕp trong m« h×nh thuû v¨n, nh­ng chóng cung cÊp th«ng tin thÝch hîp cho m« h×nh. B»ng c¸ch chång chËp nh÷ng d¹ng th«ng tin kh¸c nhau, viÖc ph©n lo¹i c¸c phÇn tö c¶nh quan thµnh c¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n (HRUs) cã thÓ ®¹t ®­îc (vÝ dô h×nh 6.2). §©y lµ c«ng viÖc t­¬ng ®èi dÔ víi mét hÖ th«ng tin ®Þa lý hiÖn ®¹i (GIS), hoÆc Ýt nhÊt t­¬ng ®èi dÔ khi tÊt c¶ c¸c nguån th«ng tin kh¸c nhau ®· ®­îc l­u gi÷ vµ ghi nhí tÝnh chÊt kh«ng gian trong c¬ së d÷ liÖu GIS (cã thÓ chi phÝ rÊt nhiÒu thêi gian). C¸c HRU x¸c ®Þnh theo c¸ch nµy cã thÓ kh«ng ®Òu vÒ h×nh d¹ng n¬i mµ c¬ së d÷ liÖu d¹ng vect¬ ®­îc sö dông, hoÆc ®­îc dùa trªn c¸c phÇn tö ®Òu n¬i mµ c¬ së d÷ liÖu d¹ng raster (d¹ng l­íi ®iÓm hoÆc ¶nh ®iÓm) ®­îc sö dông. C¸c HRU t­¬ng tù nhau trong l­u vùc sÏ ®­îc nhãm thµnh mét ®¬n vÞ ®¬n cho môc ®Ých tÝnh to¸n, gièng nh­ c¸ch ph©n nhãm ®¬n vÞ ph¶n øng cña m« h×nh SLURP cña Kite (1995) (H×nh 6.2). Nã lµ c¸c nhãm hoÆc c¸c ®¬n vÞ riªng rÏ, sau ®ã cho phÐp dù ®o¸n ph©n bè cña ph¶n øng thuû v¨n trong l­u vùc. 190 H×nh 6.2. C¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n nhãm nh­ ®· sö dông trong mçi l­íi « vu«ng cña m« h×nh SLURP (Kite 1995) Mét chót khã kh¨n gÆp ph¶i cña lo¹i m« h×nh nµy lµ lµm thÕ nµo ®Ó miªu t¶ ph¶n øng thuû v¨n cña mçi HRU, kh¸c nhau ®¸ng kÓ gi÷a c¸c m« h×nh kh¸c nhau cña lo¹i nµy? Trong mét sè m« h×nh l­îng tr÷ nhËn thøc ®­îc sö dông ®Ó miªu t¶ tõng phÇn tö HRU (ch¼ng h¹n nh­ m« h×nh SLURP, m« h×nh HBV96 cña Lindstrom vµ nnk (1997), m« h×nh Modele Couple cña Girard vµ nnk (1981 còng nh­ Ambroise vµ nnk, 1995) vµ m« h×nh ARC/EGMO cña Becker vµ Braun (1999). MÆt kh¸c, mét hµm tæn thÊt ®­îc sö dông ®Ó tÝnh l­îng m­a v­ît vµ sau ®ã nã diÔn to¸n ®Õn cöa ra cña l­u vùc, trong vµi tr­êng hîp b»ng gi¶ thiÕt mét ph©n bè cña kh¶ n¨ng tr÷ bªn trong mçi HRU (vÝ dô Schumann vµ Funke 1996). V× quy m« cña c¸c phÇn tö HRU trë nªn nhá h¬n, vµ miªu t¶ thuû v¨n trë nªn cã c¬ së vËt lý h¬n, khi ®ã lo¹i m« h×nh nµy sÏ tiÕp cËn c¸c m« h×nh ph©n bè dùa trªn vËt lý ®Çy ®ñ ë ch­¬ng tr­íc. Sù ph©n biÖt mµ chóng ta sÏ ph¸c ho¹ ë ®©y bao gåm c¶ m« h×nh HRU trong ch­¬ng nµy vÒ c¸c m« h×nh hµm ph©n bè, lµ ®iÒu kh«ng cã môc ®Ých râ rµng ®Ó gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh m« t¶ dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt nh­ng cho phÐp nhãm c¸c phÇn tö ®Ó gi¶m sè l­îng tÝnh to¸n yªu cÇu. Trong ®Þnh nghÜa tæng qu¸t nµy sù ®a d¹ng cña m« h×nh dùa trªn GIS còng cã thÓ bao gåm, vµ thùc tÕ sù ph©n biÖt kh«ng chØ vÒ h×nh d¹ng. Ch¼ng h¹n, cã rÊt nhiÒu m« h×nh GIS raster trong ®ã c¸c tÝnh to¸n sù t¹o thµnh dßng ch¶y ®­îc thùc hiÖn cho mçi ¶nh ®iÓm, vµ dßng ch¶y ®­îc diÔn to¸n tõ ¶nh ®iÓm nµy ®Õn ¶nh ®iÓm kh¸c. Tuy 191 nhiªn, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c m« h×nh nh­ vËy sö dông c¸c miªu t¶ qu¸ tr×nh, dùa trªn c¸c gi¶ thuyÕt vËt lý, mµ th­êng sö dông c¸c hµm nhËn thøc h¬n, ch¼ng h¹n nh­ hÖ thèng USGS PRMS cña Leavesley vµ Stan®ar (1995) vµ Flughl (1995), trong ®ã dßng ch¶y nhanh ®­îc t¹o ra bëi hµm diÖn tÝch ®ãng gãp biÕn ®æi ®¬n gi¶n, vµ m« h×nh USDA SWAT cña Arnold vµ nnk (1998), dùa trªn ph­¬ng ph¸p ®­êng cong sè USDA SCS (Côc b¶o vÖ ®Êt Hoa Kú ) . H×nh 6.3. Quan hÖ gi÷a m­a vµ phÇn tr¨m dßng ch¶y ®­îc dù b¸o bëi m« h×nh SCS USDA cho c¸c ®­êng cong kh¸c nhau Trong thùc tÕ cã nhiÒu vÝ dô vÒ lo¹i m« h×nh nµy ®· sö dông ph­¬ng ph¸p ®­êng cong sè SCS trong dù b¸o s¶n sinh dßng ch¶y (xem hép 6.1). §©y lµ mét ph­¬ng ph¸p rÊt hay trong lÞch sö vµ vÉn tiÕp tôc ®­îc sö dông do ph­¬ng thøc liªn hÖ c¬ së d÷ liÖu cña ®­êng cong sè SCS víi th«ng tin ph©n phèi ®Êt vµ lo¹i thùc vËt trªn l­u vùc s­ên dèc trong GIS. Ph­¬ng ph¸p SCS cã nguån gèc tõ c¸c ph©n tÝch kinh nghiÖm sè liÖu m­a-dßng ch¶y trªn c¸c l­u vùc nhá vµ trªn c¸c b·i s­ên dèc. Nã th­êng ®­îc xem nh­ lµ ph­¬ng ph¸p hoµn toµn kinh nghiÖm cho viÖc dù b¸o sù t¹o thµnh dßng ch¶y mµ kh«ng dùa trªn lý thuyÕt vÒ thuû v¨n. Nã còng th­êng cã trong c¸c s¸ch vÒ thuû v¨n víi vai trß lµ ph­¬ng tr×nh thÊm hoÆc lµ mét c¸ch dù ®o¸n l­îng dßng ch¶y v­ît thÊm Horton (vÝ dô Bras 1990), vµ nghiªn cøu gÇn ®©y cña Yu (1998) ®· cè cho nã c¬ së vËt lý b»ng c¸ch chØ ra r»ng sù sinh dßng ch¶y v­ît thÊm diÖn tÝch riªng phÇn trªn mét ph©n bè thèng kª c¸c ®Æc ®iÓm thÊm cña ®Êt ®em ®Õn c¸c ®Æc ®iÓm h×nh thµnh dßng ch¶y t­¬ng tù cho ph­¬ng ph¸p SCS. §ã lµ mét sè ®iÒu hÊp dÉn trong ph­¬ng ph¸p nµy, nh­ng ph­¬ng ph¸p cßn trë nªn hÊp dÉn h¬n nÕu chóng ta quay trë l¹i nguån gèc cña ph­¬ng ph¸p nh­ mét kÕt qu¶ ®o ®¹c m­a dßng ch¶y trong l­u vùc nhá cña Mockus (1949). Mockus ®· liªn kÕt dßng ch¶y víi m­a vµ chØ ra r»ng tØ sè l­u l­îng tÝch lòy/l­îng m­a tÝch lòy cã mét d¹ng ®Æc tr­ng (xem h×nh 6.3). Tr­íc ®©y, dßng ch¶y cña mét trËn m­a cã thÓ ®­îc hiÓu réng lµ dßng ch¶y v­ît thÊm, nh­ng ®iÒu nµy kh«ng cßn lµ c¸ch gi¶i thÝch cÇn thiÕt. ë quy m« l­u vùc nhá, dßng ch¶y ®o ®­îc trong mét sè thÝ nghiÖm gèc ®· bao 192 gåm l­îng n­íc dÉn ra tõ dßng s¸t mÆt v× sù dÞch chuyÓn, sù ®ãng gãp cña dßng ch¶y ­u tiªn hoÆc s¸t mÆt tõ ngay gÇn s«ng. TÊt nhiªn ph­¬ng ph¸p còng ®· ®­îc ¸p dông ®èi víi c¸c l­u vùc vµ c¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n kh«ng chiÕm ­u thÕ bëi sinh dßng ch¶y v­ît thÊm. Steenhuis vµ nnk (1995) ®· gi¶i thÝch ph­¬ng ph¸p SCS trong d¹ng diÖn tÝch ®ãng gãp b·o hoµ biÕn ®æi, ngo¹i trõ trong ph©n tÝch cña hä cã mét vµi sè liÖu tõ nh÷ng trËn m­a c­êng ®é lín cã thÓ t¹o ra dßng ch¶y m­a v­ît thÊm. Mét c¸ch nh×n ®Çy ®ñ vÒ ph­¬ng ph¸p ®ã lµ nã kÕt hîp mét sè hiÓu biÕt kinh nghiÖm vÒ sù h×nh thµnh dßng ch¶y nhanh b»ng bÊt kú ph­¬ng ph¸p nµo ë quy m« nhá vµo mét hµm d¹ng ®¬n gi¶n. Cã thÓ cÇn thiÕt ph¶i kiÓm tra xem d¹ng hµm ®ã cã phï hîp víi nh÷ng øng dông riªng biÖt bÊt kú kh«ng nh­ng nã cã lÏ lµ mét ph­¬ng ph¸p gÇn ®óng ®Ó sö dông víi c¸c ®¬n vÞ ph¶n øng thuû v¨n v× nã tãm l­îc hiÓu biÕt thu ®­îc ë nh÷ng kÝch th­íc t­¬ng tù. Do vËy, xÐt sù phô thuéc vµo kÝch th­íc cña m« h×nh HRU, nã cã thÓ phï hîp h¬n bÊt kú ph­¬ng tr×nh thÊm ®iÓm nµo ®· tr×nh bµy trong hép 5.2, thËm chÝ nã cßn ®­îc coi lµ cã së vËt lý h¬n. C¸c kiÕn thøc nÒn t¶ng (vµ giíi h¹n) tiÕp theo vÒ ph­¬ng ph¸p SCS ®­îc tr×nh bµy ë hép 6.1. KÝch th­íc lµ mét vÊn ®Ò trong viÖc lËp m« h×nh HRU. D¹ng m« t¶ HRU ®­îc sö dông ®Ó dù b¸o s¶n sinh dßng ch¶y cã thÓ sÏ thay ®æi theo c¶ m«i tr­êng thuû v¨n vµ kÝch th­íc kh«ng gian n¬i mµ c¸c phÇn tö HRU ®­îc x¸c ®Þnh vµ Ýt nhÊt mét hÖ thèng m« h×nh (hÖ thèng m« h×nh mo®un MMS, ®­îc ph¸t triÓn bëi USGS ®Ó thay thÕ cho hÖ thèng PMRS) cho phÐp miªu t¶ sù t­¬ng t¸c ®­îc chän bëi ng­êi sö dông. Mçi HRU nh×n chung coi nh­ ®ång nhÊt vÒ gi¸ trÞ c¸c th«ng sè vµ ph¶n øng ®Ó, ch¼ng h¹n, nÕu dßng ch¶y mÆt ®­îc tÝnh th× nã còng ®­îc tÝnh ë toµn bé HRU. C¸c HRU th­êng ®­îc xö lý ®éc lËp víi viÖc kh«ng diÔn to¸n râ rµng dßng ch¶y xu«i dèc hoÆc dßng ch¶y s¸t mÆt gi÷a c¸c phÇn tö HRU mµ chØ diÔn to¸n ®Õn kªnh gÇn nhÊt. Thùc tÕ gi¶ thiÕt vÒ sù ®éc lËp cña vÞ trÝ trªn l­u vùc sÏ cÇn thiÕt nÕu c¸c HRU víi ®Æc ®iÓm t­¬ng tù nhau ®­îc xÕp thµnh nhãm. Mét vÝ dô diÓn h×nh vÒ cÊu tróc m« h×nh dùa trªn HRU, trong ®ã bao gåm diÔn to¸n gi÷a c¸c phÇn tö ®­îc chØ ra ë h×nh 6.4. 193 H ×n h 6 .4 . M é t c Ê u t ró c m « h ×n h ® ¹ i d iÖ n c h o s ­ ê n d è c l ­ u v ù c d ù a t rª n c ¸ c ® ¬ n v Þ p h ¶ n ø n g t h u û v ¨ n ( th e o F lu g e l 1 9 9 5 ). 194 Mét ­u ®iÓm cña tiÕp cËn HRU ®ã lµ c¸c hµm ph¶n øng tÝnh ®­îc cã thÓ ¸nh x¹ trë l¹i kh«ng gian sö dông ph­¬ng ph¸p diÔn to¸n h×nh ¶nh trong GIS ®Ó ®iÒu nµy cã thÓ, Ýt nhÊt vÒ nguyªn t¾c, còng cung cÊp th«ng tin cho ®¸nh gi¸ kh«ng gian cña c¸c dù b¸o. Nh­îc ®iÓm chñ yÕu cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ c¸ch trong ®ã mçi HRU ®­îc xem lµ ®ång nhÊt vÒ kh«ng gian – mét gi¶ thiÕt sÏ trë nªn kÐm chÝnh x¸c khi HRU trë nªn lín h¬n. Víi c¸c kÝch th­íc rÊt lín, mét ph­¬ng ph¸p míi cã thÓ cÇn thiÕt, nh­ trong c¸c m« h×nh thuû v¨n qui m« lín sÏ th¶o luËn ë ch­¬ng 9. T¹i thêi ®iÓm nµy, chóng ta kh«ng cã c¬ së lý thuyÕt cho viÖc dù b¸o víi cÊu tróc m« h×nh gÇn ®óng hoÆc c¸c gi¸ trÞ th«ng sè ë quy m« nµy khi ®øa ra c¸c th«ng tin ë quy m« kh¸c. V× vËy, ng­êi ta ®· tranh luËn r»ng kh«ng bao giê cã lý thuyÕt nh­ vËy vµ chóng ta cÇn thiÕt ph¶i sö dông c¸c m« h×nh vÒ c¬ b¶n phô thuéc vµo kÝch th­íc (Beven 1995, 2000). Trong øng dông c¸c m« h×nh HRU, sù phô thuéc vµo kÝch th­íc cña c¸c gi¸ trÞ th«ng sè trong mçi ®¬n vÞ nªn ®­îc xem xÐt. Bëi v× cã nhiÒu HRU vµ mét sè (hoÆc nhiÒu) th«ng sè cÇn thiÕt cho mçi HRU, kh«ng dÔ dµng hiÖu chØnh b»ng qu¸ tr×nh tèi ­u ho¸. Trong tr­êng hîp nµy nh÷ng m« h×nh nh­ vËy sÏ ph¶i ®èi mÆt víi c¸c vÊn ®Ò t­¬ng tù cho c¸c m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ cã c¬ së vËt lý. GIS cã thÓ l­u gi÷ c¸c lo¹i ®Êt vµ lo¹i thùc vËt nh­ng th«ng tin vÒ c¸c th«ng sè m« h×nh cho mçi lo¹i cã thÓ bÊt ®Þnh cao vµ kh«ng ®éc lËp (ch¼ng h¹n ®é s©u rÔ cña mét lo¹i thùc vËt cho tr­íc cã thÓ phô thuéc vµo lo¹i ®Êt hoÆc ®Æc ®iÓm thuû lùc cña mét lo¹i ®Êt cã thÓ phô thuéc vµo d¹ng sö dông ®Êt). Ph¶n øng thuû v¨n thùc cña mét HRU cã thÓ phô thuéc vµo tÝnh kh«ng ®ång nhÊt trong mçi phÇn tö, do vËy nã kh«ng ®­îc miªu t¶ tèt b»ng gi¸ trÞ c¸c th«ng sè “hiÖu qu¶” ®ång nhÊt. §©y lµ mét giíi h¹n quan träng cña lo¹i cÊu tróc m« h×nh nµy, nh­ng nh­ ®· th¶o luËn ë ch­¬ng 5, ®ã lµ giíi h¹n c¬ b¶n cña tÊt c¶ c¸c m« h×nh ®­a ra do giíi h¹n hiÓu biÕt cña chóng ta lµ lµm thÕ nµo ®Ó m« t¶ chi tiÕt sù thay ®æi cña hÖ thèng thuû v¨n. Mét lÇn n÷a, nã cho thÊy r»ng dù b¸o trªn nh÷ng m« h×nh nh­ vËy sÏ ®­îc kÕt hîp víi mét vµi ­íc l­îng bÊt ®Þnh, nh­ng víi hiÓu biÕt cña t«i, kh«ng cã tr­êng hîp c«ng bè nµo mµ ë ®ã ®iÒu nµy ®­îc thùc hiÖn cho mét m« h×nh HRU. 6.4.TOPMODEL Mét tiÕp cËn ®¬n gi¶n h¬n ®Ó dù ®o¸n ph©n bè kh«ng gian cña c¸c ph¶n øng trong mét l­u vùc ®­îc thùc hiÖn bëi TOPMDEL (xem Beven vµ nnk 1995; Beven 1997).TOPMODEL cã thÓ ®­îc xem lµ s¶n phÈm cña hai ®èi t­îng. Mét lµ sù ph¸t triÓn thùc tÕ vµ dù b¸o thùc tÕ vµ m« h×nh m« pháng liªn tôc. §èi t­îng cßn l¹i lµ sù ph¸t triÓn mét khu«n khæ lý thuyÕt trong c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n ®· hiÓu ®­îc, kÕt qu¶ c¸c quy m«, tÝnh hiÖn thùc vµ c¸c thñ tôc m« h×nh cã thÓ ®­îc nghiªn cøu. C¸c th«ng sè cã xu h­íng mang ý nghÜa vËt lý vµ sè l­îng cña chóng ®­îc gi÷ ë møc thÊp nhÊt ®Ó ®¶m b¶o r»ng c¸c gi¸ trÞ ®­îc x¸c ®Þnh b»ng hiÖu chØnh lµ dÔ nhËn ra h¬n, trong khi vÉn cho phÐp ¸nh x¹ trë l¹i l­u vùc dùa trªn cÊu tróc cña chØ sè ®Þa h×nh ®­îc lÊy ra tõ mét ph©n tÝch ®­êng dÉn dßng ch¶y trªn l­u vùc. Trong thùc hµnh, m« h×nh ®¹i diÖn cho nç lùc kÕt hîp hiÖu qu¶ cña tÝnh to¸n vµ th«ng sè ho¸ cña tiÕp cËn hµm ph©n bè víi liªn kÕt ®Õn lý thuyÕt vËt lý vµ kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ chÆt chÏ h¬n, ®­a ra bëi m« h×nh ph©n bè ®Çy ®ñ. 195 6.4.1. Lý thuyÕt nÒn t¶ng TOPMODEL TOPMODEL cã thÓ ®­îc xem lµ mét xÊp xØ cao h¬n cña sãng ®éng häc miªu t¶ hÖ thèng dßng ch¶y s¸t mÆt ë môc 5.4. Liªn kÕt nµy ®­îc thùc hiÖn mét c¸ch râ rµng bëi Kirkby (1997) vµ Wigmosta vµ Lettenmaier (1999). Nã dùa trªn hai gi¶ thiÕt c¬ b¶n: c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc cña vïng b·o hoµ cã thÓ xÊp xØ bëi tr¹ng th¸i æn ®Þnh kÕ tiÕp cña vïng b·o hoµ trªn diÖn tÝch a dÉn n­íc tíi mét ®iÓm ë trªn s­ên dèc (H×nh 6.5); vµ gradient thuû lùc cña ®íi b·o hoµ cã thÓ xÊp xØ b»ng ®é dèc ®Þa h×nh bÒ mÆt côc bé ®o ®­îc vãi sù quan t©m ®Õn kho¶ng c¸ch mÆt b»ng, tan (Hép 6.2). H×nh 6.5. X¸c ®Þnh diÖn tÝch dÉn n­íc ch¶y ng­îc dèc qua mét ®iÓm trªn l­u vùc Nh÷ng gi¶ thiÕt nµy dÉn tíi c¸c mèi quan hÖ ®¬n gi¶n gi÷a l­îng tr÷ l­u vùc (hoÆc l­îng tr÷ thiÕu hôt) trong ®ã nh©n tè chÝnh lµ chØ sè ®Þa h×nh Kirkby (a/tan )