TÍNH TOÁN THỦY VĂN ( Nguyễn Thanh Sơn - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội ) CHƯƠNG 10

MÔ HÌNH HOÁ TOÁN HỌC DÒNG CHẢY Mô hình hoá - đó là một phương pháp khoa học đầy hiệu lực giúp con người xâm nhập sâu vào bản chất của những hiện tượng tự nhiên hoặc xã hội phức tạp. Mục đích mô hình hoá là tạo dựng hiện tượng sao cho thông qua việc nghiên cứu nó, con người thu nhận được những thông tin mới cần thiết. Nếu việc dựng hiện tượng được thực hiện bởi tập hợp các hệ thức toán học (phương trình - bất đẳng thức, điều kiện lôgic, toán tử...) chúng ta có...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
TÍNH TOÁN THỦY VĂN ( Nguyễn Thanh Sơn - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội ) CHƯƠNG 10 Chương 10 MÔ HÌNH HOÁ TOÁN HỌC DÒNG CHẢY Mô hình hoá - đó là một phương pháp khoa học đầy hiệu lực giúp con người xâm nhập sâu vào bản chất của những hiện tượng tự nhiên hoặc xã hội phức tạp. Mục đích mô hình hoá là tạo dựng hiện tượng sao cho thông qua việc nghiên cứu nó, con người thu nhận được những thông tin mới cần thiết. Nếu việc dựng hiện tượng được thực hiện bởi tập hợp các hệ thức toán học (phương trình - bất đẳng thức, điều kiện lôgic, toán tử...) chúng ta có mô hình toán hiện tượng đó. Trong 30 năm gần đây, đã diễn ra sự phát triển sâu rộng việc mô hình hoá những hiện tượng và hệ thống tự nhiên khác nhau. Mô hình hoá dòng chảy cũng nằm trong trào lưu đó. Ở nhiều nước đã hoàn thành công việc đồ sộ về xây dựng các mô hình toán dòng chảy. Vấn đề mô hình hoá dòng chảy được thảo luận trên nhiều hội nghị quốc tế. Số xuất bản về mô hình hoá dòng chảy đã lên đến con số vài trăm. Một trong những vần đề then chốt của tính toán thủy văn là luôn luôn đánh giá lượng dòng chảy vì một lý do nào đó không trực tiếp đo đạc được. Khi thiết kế hồ nước hoặc một hệ thống thủy lợi, ngành thủy văn luôn luôn phải đánh giá chuỗi dòng chảy tương lai ra sao, bao gồm những tổ hợp nhóm năm nhiều nước, ít nước thế nào, khả năng dòng chảy cực đoan là bao nhiêu v.v.. . Chỉ khi có lời giải cho những câu hỏi này, chúng ta mới có thể đề xuất mô hình, kích thước công trình cần xây dựng. Không phải ngẫu nhiên mà hai nhà thủy lợi Xô Viết nổi tiếng X.L. Kristky và M.F. Menkel đã phát biểu bản chất kinh tế nước này nằm ngay trong quá trình dòng chảy. Nhà quản lý thủy lợi và hệ thống thủy lợi luôn luôn phải băn khoăn, có thể chờ đón dòng chảy bằng bao nhiêu trong một vài ngày tới. Dự đoán chính xác điều này nâng cao đáng kể hiệu quả hoạt động của công trình. Điểm chung của các vấn đề nêu trên là nhà thủy văn luôn luôn phải đánh giá có thể chờ đợi những gì ở tự nhiên?. Tóm lại, ta cần phải mô hình hoá những hiện tượng thủy văn. Mô hình hoá dòng chảy - đó là chế tạo dòng chảy, còn mô hình toán- quy trình, công nghệ của việc chế tạo đó. Cần khẳng định một điều: Mô hình toán không thể nào trùng hợp hoàn toàn với mô hình thực, (hiện tượng). Do vậy, mô hình toán hoàn toàn không phụ thuộc đơn trị vào hiện tượng nghiên cứu. Điều này cắt nghĩa vì sao trong vài chục năm gần đây đã ra đời hàng chục mô hình dòng chảy cùng mô phỏng một hiện tượng. 10.1. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH DÒNG CHẢY Trên hàng trăm mô hình hình thành dòng chảy hiện hành, có thể thống nhất tách ra hai loại mô hình phân biệt: mô hình tất định và mô hình ngẫu nhiên. Sự phân biệt này cũng nằm ngay trong mục đích mô hình hoá: Chế tạo chuỗi dòng chảy trong tương lai phục vụ bài toán thiết kế hay dự báo ngắn hạn dòng chảy phục vụ bài toán quản lý - điều khiển hệ thống thủy lợi. 10.1.1. Mô hình ngẫu nhiên Quan niệm xác suất lần đầu được Hazen đưa vào trong thủy văn từ năm 1914. Ngày nay, dòng chảy được coi là một quá trình ngẫu nhiên. Với quan điểm này, trong cấu trúc các mô hình ngẫu nhiên không có các nhân tố hình thành dòng chảy và nguyên liệu để xây dựng mô hình chính là bản thân chuỗi dòng chảy quá khứ, phải đủ dài để có thể bộc lộ hết bản tính của mình. Sự thật, dòng chảy là hiện tượng nhiều nhân tố. Từng nhân tố dòng chảy đến lượt mình lại là hàm của vô vàn các nhân tố khác mà quy luật biến đổi của chúng con người chưa mô tả được. 1 35 Do vậy, trong kết cục cuối cùng, tổng hợp của vô vàn các mối quan hệ tương hỗ phức tạp, dòng chảy biểu hiện là một hiện tượng ngẫu nhiên. Do tính ngẫu nhiên được thể hiện nhiều nhất ở dòng chảy năm và điều tiết nhiều năm dòng chảy, lớp mô hình này hoàn toàn không đánh giá được khả năng phát sinh cùng những diễn biến động lực của quá trình, mà chủ yếu là sản sinh ra những thể hiện mới đầy đủ hơn của một quá trình ngẫu nhiên. Ngày nay, lĩnh vực này của mô hình hoá dòng chảy được tách ra thành một chuyên ngành riêng của thủy văn dưới tên gọi- mô hình hoá thủy văn. 10.1.2. Mô hình tất định Mặc dù bản chất của dòng chảy là ngẫu nhiên, cũng thừa nhận tồn tại những giai đoạn hình thành dòng chảy, trong đó những thành phần tất định đóng vai trò chủ yếu. Quá trình hình thành một trận lũ do mưa rào là một thí dụ minh hoạ. Như vậy, nếu những mô hình ngẫu nhiên là mô hình tạo chuỗi dòng chảy thì mô hình tất định hình thành dòng chảy. Trong việc mô hình hoá hình thành dòng chảy có hai cách tiếp cận: 1. Cách tiếp cận vật lý - toán: Bài toán biến đổi mưa thành dòng chảy có thể được giải cho các khu vực nghiên cứu theo cách sau. Trên cơ sở phân tích tài liệu quan trắc mưa và dòng chảy cho nhiều lưu vực thuộc vùng địa lý - khí hậu khác nhau, tiến hành nghiên cứu chi tiết các hiện tượng vật lý tạo nên quá trình hình thành dòng chảy và xây dựng nhữn ...