MÔ HÌNH TOÁN THỦY văn lưu vực NHỎ

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:

hiệu đính:

Nguyễn Thanh Sơn
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:
hiệu đính:

Nguyễn Thanh Sơn
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:
hiệu đính:

Nguyễn Thanh Sơn
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:
hiệu đính:

Nguyễn Thanh Sơn
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:
hiệu đính:

Nguyễn Thanh Sơn
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


Chơng 1

Mô hình hoá thuỷ văn lu vực nhỏ
1.1 Giới thiệu ........................................................................................ 17
1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và 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 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

15


16

Mô hình hoá thuỷ văn các lu vực nhỏ
Tác giả:
D.A. Woolhiser, USDA, ARS, Fort Collins, CO và
D. L. Brakensiek, Northwest Watershed Research Center, USDA,
ARS, Boise, ID

1.1 Giới thiệu
Tổng hợp hệ thống thủy văn, dự báo và tối u hoá là một trong những
hoạt động quan trọng trong thiết kế các hệ thống tài nguyên nớc. Tổng hợp hệ
thống thủy văn liên quan đến việc lựa chọn một mô hình thích hợp và phân
tích để kiểm tra hoạt động của mô hình đó (Dogge, 1973). Khi một mô hình
thuỷ văn đã đợc chọn, nó có thể đợc sử dụng để dự báo các biến thuỷ văn khả
năng mà chúng là đầu vào cho những thành phần cơ bản của hệ thống tài
nguyên nớc. Những biến thiết kế của các thành phần hoặc số lợng, vị trí và
kiểu của những thành phần có thể đợc thay đổi sau đó và bằng việc đánh giá
các phơng án ta có thể tìm ra phơng án tối u.
Tổng hợp hệ thống thủy văn cũng phải trả lời những câu hỏi nh: Việc
quản lý đất nông nghiệp đã gây ra những tác động nào đối với chất lợng và
khối lợng nớc ? bởi vì không thể nào thu đợc những dữ liệu thực nghiệm
cho tất cả các sự kết hợp giữa những hoạt động canh tác hoa màu và chế độ
thủy văn.
Việc mô hình hoá thủy văn yêu cầu một cách đơn giản hoặc khái quát.
Thật vậy, qua kinh nghiệm thực tế con ngời thấy rằng muốn hiểu và dự báo
giá trị bất cứ một bộ phận nào của môi trờng thì cần phải khái quát. Sự khái
quát bao gồm, việc thay thế một bộ phận của tổng thể dới hình thức mô hình
cấu trúc đơn giản hơn. Những mô hình, một mặt là hình thức hay trí tuệ, mặt

17

khác nó là vật chất, nh vậy mô hình là giải pháp trung tâm của tiến trình
khoa học (Rosenbleuth và Wiener, 1945).
Trong việc thiết kế những hệ thống tài nguyên nớc và ớc lợng những
tác động của kỹ thuật quản lý đất, chúng ta cần phải có mô hình bắt nguồn từ
các khoa học xã hội cũng nh những mô hình của hệ thống thủy văn. Tuy
nhiên, trong tài liệu này, chúng ta quan tâm đến những mô hình thủy văn và
đặc biệt là những mô hình thủy văn các lu vực nông nghiệp nhỏ. Để đạt đợc
mục đích đó, lu vực nhỏ là một trong những đối tợng mà ảnh hởng các hoạt
động quản lý đất nông nghiệp hay lâm nghiệp có thể chi phối quan trọng đến
chế độ thủy văn. Mặc dù những lu vực ở thành phố đã bị loại bỏ, nhng
những nguyên lý cơ bản mà nhiều mô hình mô tả có thể dùng tốt cho các lu
vực kể cả ở thành phố.

Hình 1.1 Vòng tuần hoàn thuỷ văn (theo Horton, 1931)

Mục đích của chơng này là thảo luận vai trò của mô hình thủy văn lu
vực nhỏ. Những dạng của mô hình có thể đợc sử dụng để mô tả và những số

18


hạng quan trọng đã đợc định nghĩa. Cuối cùng, mô hình thủy văn đã đợc
xem xét nh là những thành phần của mô hình hệ thống tài nguyên nớc.
1.2 Vòng tuần hoàn thủy văn và thành phần của nó
Các mô hình lu vực thủy văn phải miêu tả đợc vòng tuần hoàn thủy
văn bằng những phơng pháp thích hợp khác nhau. Những quy luật bảo toàn
khối lợng, năng lợng và động lợng đợc tổng hợp trong tập hợp thành
nguyên tắc lý thuyết, và đợc sử dụng để giải thích vòng tuần hoàn thủy văn.
Những nguyên lý này cùng với các mối quan hệ dựa vào kinh nghiệm cá nhân

tạo thành cơ sở cho phần lớn các mô hình lu vực nhỏ.
Nguyên lý của sự bảo toàn khối lợng thờng minh họa bằng lợng nớc
đối với một thể tích đất nào đó. Hình 1.1 trình bày một cách định tính vòng
tuần hoàn Thuỷ văn, nó giới thiệu các thành phần thuỷ văn và biểu diễn khái
niệm cho rằng tổng lợng nớc trên trái đất có thể xem là không thay đổi.
Trong thủy văn học lu vực nhỏ chúng ta quan tâm đến phần sẫm trong vòng
tuần hoàn trong hình 1.1. Nếu chúng ta xem xét thành phần mang tên Sự sắp
xếp bề mặt của tất cả các dạng giáng thủy ứng dụng cho thể tích đất bất kỳ
với diện tích bề mặt là A và độ sâu d, nh trong hình 1.2, ta có thể viết phơng
trình biểu diễn tích phân của tính bảo toàn khối lợng, trong một khoảng thời
gian bất kỳ là t, khi lợng nớc vào bằng lợng nớc ra cộng đại số với sự
thay đổi của kho nớc.

P + W = QS + QB + D + S + EA

(1.1)

ở đây:
P = lợng giáng thủy nhận đợc trên diện tích A.
W = nớc vào (hay ra) bởi hoạt động của con ngời.
QS = dòng chảy bề mặt.
QB = dòng chảy vào sát mặt khi chảy qua đất xốp cha bão hòa hay đã
bão hòa.
D = sự thay đổi của lợng trữ nớc bề mặt (Sự tích trữ nớc suy yếu
hay giữ lại)

19


S = sự thay đổi của lợng trữ nớc trong đất.

E = lợng bốc hơi, trên 1 đơn vị diện tích (bao gồm cả lợng bốc hơi từ
thực vật).

Hình 1.2 Thể tích đối với cân bằng nớc.

Mặc dù mọi kích thớc đều có thể đợc biểu diễn bằng đơn vị của khối
lợng, nhng thông thờng ngời ta đa vào trong mô hình đơn vị của thể tích
hoặc thể tích trên 1 đơn vị diện tích bề mặt. Trong thời gian dài, các số hạng
của kho nớc có thể khác nhau tơng đối nhỏ và dòng nớc chảy từ thể tích
kiểm soát này hoặc từ lu vực nhỏ là sự khác nhau giữa tổng lợng giáng thủy,
nớc nhập vào lu vực và lợng bốc hơi.
Tổng lợng bốc hơi bị điều khiển bởi tổng lợng năng lợng sẵn có ở tầng
đất và không khí trong thảm thực vật. Tính bảo toàn của phơng trình năng
lợng đợc viết cho bề mặt lu vực khi tốc độ thực của năng lợng vào trên 1
đơn vị diện tích bằng tốc độ năng lợng ra, hay:

RS(1-) = RL + G + H + LE

(1.2)

trong đó: RS = mật độ thông lợng của tổng lợng bức xạ sóng ngắn trên bề mặt đất.

20


= abledo của bề mặt (phần nhỏ của sự ra nhập bức xạ sóng ngắn đã
đợc bức xạ)
RL = mật độ thông lợng thực của bức xạ sóng dài
G = mật độ thông lợng nhiệt trong đất.
H = nhiệt chuyển vào trong khí quyển

L = ẩn nhiệt của sự bốc hơi nớc
E = tốc độ bốc hơi.

Đơn vị cho tất cả các số hạng là năng lợng nhiệt trên một đơn vị diện
tích trong một đơn vị thời gian. Những sự thay đổi trong tích lũy nhiệt của
thực vật và nhiệt sử dụng cho quang hợp đợc bỏ qua trong phơng trình (1.2)
bởi vì chúng chỉ khoảng 1% của RS. Các phơng trình (1.1) và (1.2) đợc liên
kết với nhau bởi số hạng bốc hơi E. Độ lớn của E trong phơng trình (1.1) giới
hạn bằng tổng năng lợng nhiệt chuyển đến bề mặt A, mặc dù điều đó cũng có
thể bị hạn chế bởi sự giữ lại của cây cối hay bởi sự di chuyển của nớc trong đất
đến rễ cây.
Trong khoảng thời gian ngắn, mặc dù tính bảo toàn của phơng trình là
cần thiết, nhng điều đó không đủ để mô tả 1 cách chính xác những hiện tợng
động lực thủy văn nh là dòng chảy mặt. Ví dụ, trong dòng chảy trên đất, hạt
ma rơi trên bề mặt đợc tác động bởi dòng nớc, lực trọng trờng và lực cản
tăng tốc dòng chảy. Phơng trình thứ hai phải dựa vào nguyên lý bảo toàn
năng lợng hay động lợng. Cả hai phơng trình cùng với điều kiện biên và
điều kiện ban đầu, sẽ mô tả các quá trình động lực của dòng chảy. Những
chơng sau sẽ nghiên cứu việc mô hình những thành phần chi tiết hơn và cũng
sẽ xem xét đến tập hợp các mô hình thành phần trong mô hình lu vực.
1.3 phân loại mô hình
Bằng cách sử dụng mô hình, ta có thể hiểu hoặc giải thích hiện tợng tự
nhiên đợc tốt hơn, và cùng với một vài điều kiện chúng ta có thể đa ra những
dự báo trong khả năng phán đoán xác định hay ngẫu nhiên. Chúng ta hiểu gì
khi nói chúng ta hiểu một biến cố hoặc một vài khía cạnh nào đó của môi

21


trờng sống? Hempel (1963) cho rằng, nếu nói chúng ta hiểu một biến cố hoặc

một chu kỳ tức là chúng ta có thể đa ra một giải thích khoa học cho điều đó.
Thực chất định nghĩa của Hempel trong giải thích khoa học là: giả sử chúng ta
có một phát triển E mà nó mô tả một số hiện tợng nào đó đã đợc giải thích.
Sau đó, nếu E có thể đợc suy ra từ tập hợp L1, L1, ..., Ln của quy luật chung
hoặc những nguyên tắc lý thuyết, và tập hợp C1, C2, ..., Cn của những phát biểu
đã đợc thực nghiệm, chúng ta có thể nói rằng hiện tợng đã đợc giải thích.
Từ định nghĩa này, với nó là các mô hình hình thức đợc đáp ứng cho giải thích
khoa học.
Một vài tiêu chuẩn khác nhau đã đợc sử dụng để phát triển hệ thống
phân loại cho mô hình. Trong nhiều trờng hợp, những tiêu chuẩn đó phản ánh
những quan tâm đặc biệt hoặc các nhu cầu của ngành học đặc biệt. Tuy vậy,
những mô hình sử dụng trong bất cứ môn học nào đều có thể đợc phân loại
thành mô hình hình thức và mô hình vật chất.
Mô hình hình thức hay trí tuệ là sự biểu diễn có tính tợng trng và
thờng là biểu diễn mang tính toán học của sự kiện đã đợc lý tởng hóa, có
đặc tính cấu trúc quan trọng trong hệ thống thực. Mô hình vật chất là biểu
diễn vật lý trong một hệ thống phức tạp mà đợc giả sử rằng đơn giản hơn hệ
thống thực và cũng giả sử là có các đặc tính tơng tự nh trong hệ thống thực.
Hình1.3 là sơ đồ phân loại các mô hình. Những mô hình vật chất bao
gồm các mô hình có tính chất "hình tợng" hoặc mô phỏng và những mô hình
tơng tự. Một mô hình hình tợng là một phiên bản đơn giản hóa của hệ thống
thế giới thực. Nó đòi hỏi những vật liệu giống nh trong hệ thống thực (VD: mô
hình của chất lỏng thì vật liệu cũng phải là chất lỏng). Thùng đo thấm, các
dụng cụ đo lợng ma, máng thủy lực và những hệ thống thực nghiệm lu vực
là các ví dụ của mô hình biểu tợng. Bằng cách đo định kỳ thể tích của lợng
nớc rút từ thùng đo thấm và xác định trọng lợng của nó chúng ta có thêm
đợc một số hiểu biết về những tốc độ tơng đối của sự thấm ở dới sâu và sự
bốc toát hơi ở từ sờn, diện tích không bị xáo trộn với thực vật và đất. Chúng ta
không quan tâm đến kích thớc của mô hình nhng chúng ta quan tâm đến sự
hiểu biết các khía cạnh sâu sắc ở việc xuất hiện các quá trình của hệ thống tự

nhiên phức tạp hơn mà chúng đa đến cho ta trong quá trình mô phỏng.

22