Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 0 pptx

Hydrologic modeling
of small watersheds






Edited by
C. T. Haan
Professor anf Head, Agricultural Engineering Department, Oklahoma State
University, Stillwater, OK 740074
H. P. Johnson
Professor, Agricultural Enggineering Department,
Iowa State University, Ames, IA 50010
D. L. Brakensiek
Research Leader, Northwest Watershed Research Center,
USDA, ARS, Boise, ID 83705



An ASAE Monograph
Number 5 in a series published by

American Society of Agricultural Engineers
2950 Niles Road, P.O. Box 410
St. Joseph, Michigan 49085
(phone 616-429-0300)

ASAE Technical Editor: James A. Besselman
1982

Đại học quốc gia hà nội
C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek





Mô hình toán thủy văn
lu vực nhỏ




Ngời dịch: Nguyễn Thanh Sơn
hiệu đính: Trần Ngọc Anh













Hà nội 2003
Đại học quốc gia hà nội

C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek





Mô hình toán thủy văn
lu vực nhỏ
Quyển 1: Chơng i chơng III



Ngời dịch: Nguyễn Thanh Sơn
hiệu đính: Trần Ngọc Anh











Hà nội - 2003
Đại học quốc gia hà nội
C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek

Mô hình toán thủy văn
lu vực nhỏ
Quyển 2: Chơng iV chơng VI



Ngời dịch: Nguyễn Thanh Sơn
hiệu đính: Trần Ngọc Anh











Hà nội - 2003
Đại học quốc gia hà nội
C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek

Mô hình toán thủy văn
lu vực nhỏ
Quyển 3: Chơng VIi chơng VIII


Ngời dịch: Nguyễn Thanh Sơn
hiệu đính: Trần Ngọc Anh












Hà nội - 2003
Đại học quốc gia hà nội
C.T. Haan - H. P. Johnson - D. L. Brakensiek





Mô hình toán thủy văn
lu vực nhỏ
Quyển 4: Chơng iX chơng XIII

Ngời dịch: Nguyễn Thanh Sơn
hiệu đính: Trần Ngọc Anh












Hà nội - 2003
Lời ngời dịch


Trong nghiên cứu thủy văn học nói chung việc nghiên cứu, khai thác các
mô hình toán ngày càng đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Đặc biệt hiện
nay, khi mà các hoạt động dân sinh kinh tế đang có những tác động mạnh mẽ
đến các lu vực đầu nguồn thì việc nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, mô
phỏng những quá trình vật lý diễn ra trên các lu vực trong điều kiện thiếu số
liệu quan trắc sẽ cung cấp cho các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách
những thông tin vô cùng bổ ích nhằm đánh giá, quy hoạch, kiểm soát và hạn
chế các thiệt hại do các tai biến thiên nhiên nh lũ lụt, xói lở - trợt đất, ô
nhiễm nguồn nớc gây ra.
Trong bối cảnh công nghệ thông tin phát triển vũ bão, các mô hình toán

thủy văn vì thế cũng đang hình thành nên nhiều hớng phát triển, khai thác
tối đa các khả năng to lớn của máy tính điện tử và xâm nhập vào mọi lĩnh vực
nghiên cứu bằng nhiều con đờng khác nhau. ở nớc ta hiện cha có một tài
liệu chuyên khảo nào có khả năng hệ thống hóa lại toàn bộ các cách tiếp cận
mô hình hóa theo bản chất vật lý của các hiện tợng thủy văn, vì thế không chỉ
ngời sử dụng đã gặp rất nhiều khó khăn khi lựa chọn mô hình cho các ứng
dụng cụ thể cũng nh việc nghiên cứu, mà cả các nhà nghiên cứu thủy văn khi
phát triển và hoàn thiện mô hình, nhất là các mô hình thủy văn trên lu vực
nhỏ.
Để đáp ứng những đòi hỏi trên, chúng tôi xin trân trọng giới thiệu đến
các bạn đọc cuốn sách Mô hình toán thủy văn lu vực nhỏ do C. T. Haan
làm chủ biên đợc Hiệp hội các kỹ s Nông nghiệp Hoa kỳ xuất bản năm 1982.
Cuốn sách thích hợp cho nhiều đối tợng là các sinh viên đại học và sau đại học
chuyên ngành Thủy văn, Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Thủy lợi, các nhà

7
nghiên cứu phát triển mô hình, các nhà quy hoạch và quản lý lu vực cũng nh
các nhà hoạch định chính sách.
Trong quá trình biên dịch không tránh khỏi đợc những thiếu sót, rất
mong nhận đợc sự đóng góp của tất cả các bạn để cuốn sách này hoàn thiện và
thực sự trở thành một cuốn chuyên khảo có giá trị.
Hà nội, tháng 8 năm 2003.


8
Giới thiệu
Năm 1974 Howard P. Johnson gợi ý rằng cần phải có một cuốn sách
dành cho mô hình hoá thuỷ văn thích hợp cho việc sử dụng trong các khoá đào
tạo sau đại học. Những tranh luận theo ý tởng về một chuyên khảo theo chủ
đề này sau đó đã đợc phát triển. Hội thảo thuỷ văn ASAE SW-217, các quá

trình thuỷ lực lu vực và vận chuyển là những nét chính cho sự phát triển một
chuyên khảo mà đã đợc hình thành sơ bộ bắt đầu từ năm 1975 dới sự lãnh
đạo của Howard P. Johnson.
Đề cơng của chuyên khảo đợc ASAE chấp thuận và bắt đầu phác hoạ
những nét chính, lựa chọn các tác giả cho các chơng và sau đó hình thành nên
cuốn sách. Ngoài tôi ra tham gia biên tập cuốn sách còn có Howard P. Johnson
và Don Brakensiek.
Việc lựa chọn tác giả cho các chơng và thống nhất giữa chúng thực ra là
công việc đơn giản hơn dự đoán. Chúng tôi đã cực kỳ may mắn khi những tác
giả của các chơng đều đợc xem nh là những chuyên gia cự phách trong mô
hình hoá thuỷ văn lu vực nhỏ. Mỗi một chơng của cuốn sách đều đợc soạn
thảo bởi những nhà thủy văn học hàng đầu đã từng có rất nhiều năm nghiên
cứu về lĩnh vực mà họ biên soạn.
Mục đích của cuốn sách này là tập hợp lại trong một chuyên khảo những
suy nghĩ mới nhất về mô hình hoá các khía cạnh khác nhau của chu trình thuỷ
văn trên lu vực nhỏ. Một lu vực nhỏ là một lu vực mà chu trình thuỷ văn
diễn ra trên đất (pha đất) chiếm u thế hơn so với quá trình xảy ra trong kênh
dẫn (pha sông ngòi). Vì vậy mô hình hoá các lu vực nông nghiệp và đất hoang
đợc nhấn mạnh hơn. Các vấn đề này đã đợc nhắc đến một cách tản mạn
trong nhiều cuốn sách, báo cáo và tạp chí trớc đây. Và ngời ta mong muốn
trình bày vài mức độ phức tạp của việc mô hình hoá cho mỗi thành phần của

9
chu trình thủy văn. ở đây trình bày các xử lý lý thuyết kèm theo một số mức
độ khác nhau của việc đơn giản hoá nó.
Cuốn sách này có thể xem là một giáo trình cho các sinh viên đại học và
cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu muốn nâng cao trình độ về
mô hình hoá thủy văn. Nó cũng có thể là tài liệu tham khảo giá trị và là sách
nguồn cho các nhà t vấn và những ai sử dụng các mô hình thủy văn để giải
quyết các vấn đề tài nguyên nớc.

10

Cấu trúc cuốn sách
Cuốn sách này bao gồm 13 chơng, đợc bắt đầu với chơng giới thiệu về
luận thuyết mô hình hóa và phân tích hệ thống. Tiếp theo là chơng về mô
hình ngẫu nhiên trong thủy văn.
Bảy chơng sau đó mô tả các mô hình về các thành phần của chu trình
thủy văn trên các lu vực nhỏ. Chúng bao gồm giáng thủy; thấm và ngăn giữ
bởi thực vật; dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển; bốc thoát hơi; dòng chảy
sát mặt và các hệ thống nớc ngầm; xói lở; và các quá trình vận chuyển hóa
học. Bảy chơng này trình bày các mối quan hệ vật lý cơ bản ảnh hởng đến
dòng chảy và các quá trình tích trữ, và trên cơ sở đó bàn luận về các phơng
pháp khác nhau để mô hình hóa các quá trình này. Những phơng pháp này có
thể là các phơng pháp lý thuyết hoàn chỉnh hoặc là các phơng pháp thực
nghiệm gần đúng đơn giản hơn. Các u điểm và nhợc điểm, yêu cầu về số liệu
đầu vào và các xấp xỉ trong mỗi phơng pháp mô hình hóa cũng đợc thảo luận
kỹ lỡng trong từng chơng.
Một chơng mô tả cách cấu trúc của vài loại mô hình lu vực bằng việc
kết hợp các yếu tố từ các mô hình thành phần. Các mô hình tiêu biểu đại diện
cho một số lớn các mô hình tơng tự nó sẽ đợc mô tả chi tiết hơn. Một vài cấp
độ mô hình hóa cũng đợc trình bày ở đây.
Hai chơng đợc dành cho việc lựa chọn, hiệu chỉnh và sử dụng các mô
hình lu vực. Các cách tiếp cận để lựa chọn và hiệu chỉnh mô hình cũng đợc
đa ra trong các chơng này. Sử dụng cách tiếp cận nào sẽ phụ thuộc vào ứng
dụng của mô hình cũng nh yêu cầu về độ chính xác.
Chơng cuối cùng là một bản liệt kê các mô hình đang đợc sử dụng, bao
gồm một danh sách các mô hình sẵn có, khả năng của chúng, các yêu cầu về số
liệu, và các nguồn thông tin liên quan.

11
Ban đầu chúng tôi dự dịnh sử dụng một hệ ký hiệu thống nhất trong
toàn bộ cuốn sách, và ban biên tập cũng đã cố gắng đa về một danh sách ký
hiệu chung, nhng sau đó chúng tôi đã nhanh chóng nhận ra rằng điều đó chỉ
gây thêm nhiều sự xáo trộn và hiểu nhầm hơn là nhận đợc sự rõ ràng nh
mong muốn. Vì vậy ý tởng về bộ ký hiệu thống nhất đã đợc bỏ qua và cho
phép sử dụng các ký hiệu ít tiêu chuẩn hơn nhng phù hợp với các chuyên đề
nghiên cứu. Hệ đơn vị SI đợc sử dụng ở đây.

12
Lời cảm ơn
Để hoàn thành cuốn sách này nhất thiết phải có sự nỗ lực cộng tác của
rất nhiều ngời. Howard P. Johnson xứng đáng với sự trân trọng của tất cả
chúng ta cho việc xây dựng ý tởng cuốn sách, giúp đỡ để nhận đợc sự xác
nhận của ASAE, hỗ trợ việc hình thành cuốn sách và đồng thời cũng là một
trong các chủ biên. Don Brakensiek cũng đã cống hiến rất nhiều gian để phản
biện các chơng với vai trò nhà biên tập và cũng là đồng tác giả của chơng
đầu tiên.
Charles Onstad và Hội thảo ASAE SW-217 là những đóng góp đầu tiên
cho cuốn sách. Một vài chuyên đề trong hội thảo đợc dành cho việc cung cấp
các hớng dẫn và khuyến khích sử dụng mô hình. Hội thảo thủy văn SW-212
và SW-215 là những đóng góp tiếp theo vào chuyên khảo này. Chúng tôi trân
trọng ghi nhận sự hỗ trợ của hội đồng chuyên khảo ASAE và của James
Basselman.
Nhiều thành viên trong và ngoài ASAE cũng đã tham gia vào cuốn sách
nh là những nhà phản biện của rất nhiều chơng. Những bình luận của họ đã
có công rất lớn trong việc nâng cao chất lợng của cuốn sách và giúp chúng tôi
loại bỏ đợc rất nhiều những phần mà có thể gây ra sự hiểu sai ý đồ thể hiện.
Chúng tôi trân trọng cám ơn các lời bình và gợi ý sau hậu trờng của họ.
Tất nhiên, khối lợng lớn công việc này là có sự góp công sức của 13

cộng tác viên các chơng, và 15 đồng tác giả, những ngời đã dành rất nhiều
thời gian để cho ra đời một cuốn sách có chất lợng. Tôi không thể bày tỏ hết sự
kính trọng của mình bằng lời đối với những đóng góp của họ. Những ngời này
đã nhận đợc sự đền đáp không tính bằng tiền cho những công việc mà họ đã
làm. Phần thởng của họ chính là thực tế rằng họ đã tạo nên một sản phẩm có
ích, và đóng góp mãi cho lĩnh vực mô hình hóa thủy văn.
C. T. Haan

13
Mục lục

Lời ngời dịch 7
Lời giới thiệu 9
Cấu trúc cuốn sách 11
Lời cám ơn 13
Chơng 1: Mô hình hoá thuỷ văn lu vực nhỏ 15
1.1 Giới thiệu 17
1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và các thành phần của nó 19
1.3 Phân loại mô hình 21
1.4 Bản chất ngẫu nhiên của quá trình thủy văn 29
1.5 Các mô hình thủy văn nh là những thành phần của các mô hình
hệ thống tài nguyên nớc. 32
1.6 Cách tiếp cận các hệ thống 33
1.7 Thiết kế 34
1.8 Lựa chọn mô hình 35
Tài liệu tham khảo 37
Chơng 2: Các mô hình ngẫu nhiên trong thuỷ văn 39
2.1 Giới thiệu 41
2.2 Vai trò của các mô hình ngẫu nhiên trong mô hình hoá lu vực 43
2.3 Các đặc trng thống kê của chuỗi thuỷ văn thời gian 44

2.4 Các mô hình ngẫu nhiên 59
2.5 Các mô hình bộ nhớ ngắn 60
2.6 Các mô hình bộ nhớ dài 74
2.7 So sánh các mô hình bộ nhớ ngắn và bộ nhớ dài 82
2.8 Các quá trình hình thành số liệu ngày 83
2.9 Các quá trình phân rã 89
2.10 Các mô hình hỗn hợp 92
2.11 Những vấn đề thờng gặp với các mô hình thủy văn ngẫu nhiên 97
2.12 Lựa chọn mô hình 100
2.13 Ước lợng các tham số 102
2.14 Tóm tắt 124
Tài liệu tham khảo 125
Chơng 3: Giáng thuỷ 135
3.1 Giới thiệu 137
3.2 Lợng ma 138
3.3 Mô hình lợng ma 149
3.4 Lợng ma - một phần của các mô hình thủy văn 161
3.5 Tuyết trong mô hình hoá lu vực nhỏ 171
3.6 Mô hình tuyết tan 176
3.7 Lợng tuyết tan trong các mô hình thủy văn 186
Tài liệu tham khảo 190
Chơng 4: Quá trình thấm 205
4.1 Giới thiệu 207
4.2 Mô tả chung 208
4.3 Phơng trình cơ bản 211
4.4 Những cách giải phơng trình Richard 216
4.5 Các nhân tố ảnh hởng tới thấm 218
4.6 Các mô hình thấm gần đúng 234
4.7 Các phơng pháp số trị 258
4.8 Tổng kết 269

Tài liệu tham khảo 270
Chơng 5: Dòng chảy mặt, tích trữ và vận chuyển 281
5.1 Các tiếp cận mô hình lu vực sông 284
5.2 Khái niệm hoá các thành phần 286
5.3 Sự phát triển đờng quá trình nớc 292
5.4 Thuyết dòng chảy tràn 301
5.5 Dòng chảy tràn trạng thái ổn định 315
5.6 Mô phỏng dòng chảy mặt với các mô hình thông số tập trung 330
5.7 Các mô hình liên kết 349
5.8 Mô hình lu vực dòng chảy mặt thông số phân phối 357
5.9 Lựa chọn mô hình và mối quan hệ giữa các thành phần 360
Tài liệu tham khảo 364
Chơng 6: Quá trình bốc thoát hơi nớc 369
6.1 Giới thiệu 371
6.2 Triển vọng 372
6.3 Nguyên lý của bốc thoát hơi 374
6.4 Các phơng pháp nghiên cứu quá trình bốc thoát hơi nớc tiềm năng 378
6.5 Quá trình bốc thoát hơi nớc của cây 403
6.6 Quá trình bốc hơi nớc trong đất 414
6.7 Các phơng pháp bốc thoát hơi thực tế 415
Tài liệu tham khảo 426



Chơng 7: Dòng chảy sát mặt và hệ thống nớc ngầm 443
7.1 Giới thiệu các khái niệm 445
7.2 Lý thuyết dòng chảy sát mặt 450
7.3 Lý thuyết dòng chảy sát mặt và các nỗ lực mô hình hóa lu vực 458
7.4 Xây dựng mô hình kinh nghiệm của nớc sát mặt 461
7.5 Các phơng pháp tiếp cận ngẫu nhiên 463

7.6 Nớc sát mặt và mô hình hóa lu vực nhỏ 466
Tài liệu tham khảo 468
Chơng 8: Mô hình hoá các quá trình xói mòn 479
8.1 Giới thiệu về hệ thống xói mòn bồi lắng của các lu vực nhỏ 481
8.2 Mô hình hoá xói mòn vùng đất cao 493
8.3 Ước lợng xói mòn bằng phơng trình mất đất thông dụng 505
8.4 Ước lợng sản lợng bùn cát với phơng trình mất đất biến đổi 510
8.5 Các mô hình cơ bản 512
8.6 Các quá trình liên rãnh 514
8.7 Các quá trình xói mòn rãnh 529
8.8 Các quá trình lòng dẫn 568
8.9 Các quá trình đập dâng 583
8.10 Tơng tác giữa mô hình xói mòn và mô hình thủy văn 587
8.11 Một số ví dụ mô hình xói mòn 594
Tài liệu tham khảo 599
Các ký hiệu 610
Chơng 9: Mô hình chất lợng nớc đất nông nghiệp 621
9.1 Giới thiệu 623
9.2 Mô hình hoá 625
9.3. Các quá trình vận chuyển 633
9.4. Các thành phần hóa học 635
9.5. Các mô hình kết hợp 648
9.6. Phát triển mô hình 651
9.7. Tổng kết 652
Tài liệu tham khảo 653
Chơng 10: Một số mô hình lu vực sông điển hình 667
10.1 Cấu trúc mô hình 669
10.2 Các đặc điểm mô hình lu vực sông 671
10.3 Mô hình lu vực sông Stanford 674
10.4 Mô hình lu vực sông USDA HL-74 680

10.4 Mô hình lu vực sông SCS TR-20 685
10.5 Mô hình SSARR 690
10.6 So sánh các mô hình 696

10.7 Các mô hình tham số phân phối 697
Tài liệu tham khảo 703
Chơng 11: Lựa chọn, hiệu chỉnh và kiểm chứng các
mô hình thuỷ văn 709
11.1 Giới thiệu 711
11.2 Nguyên tắc cơ bản của lựa chọn mô hình 712
11.3 Các bớc so sánh các mô hình số 714
11.4 Những vấn đề trong chiến lợc mô hình hóa 716
11.5 Các vấn đề khái quát hóa mô hình 720
11.6 Các vấn đề cấu trúc mô hình 724
11.7 Các vấn đề hiệu chỉnh mô hình 725
11.8 Các vấn đề thử nghiệm và kiểm chứng mô hình 731
11.9 Các vấn đề phát triển mô hình 733
11.10 Trình diễn và kết nối kết quả mô hình 735
11.11 Tổ chức hiệu chỉnh mô hình 736
11.12 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng đồ giải 744
11.13 Những hỗ trợ hiệu chỉnh bằng số trị 746
11.14 Cách tiệm cận hệ thống đối với hiệu chỉnh và kiểm chứng 755
11.15 Minh họa các thủ tục hiệu chỉnh 761
11.16 Tóm tắt 766
Tài liệu tham khảo 766
Chơng 12: ứng dụng và lựa chọn các mô hình thuỷ văn 771
12.1 Giới thiệu 773
12.2 Các ứng dụng của mô hình 780
12.3 Các phơng pháp lựa chọn mô hình 802
Tài liệu tham khảo 813

Chơng 13: Các mô hình hiện có 825