Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 4

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dự báo thủy đồ sử dụng các mô hình dựa trên số liệu Một số chuyên gia cho rằng phương pháp đơn giản nhất là phương pháp hiệu quả nhất. Điều này thực sự gây nhiều tranh cãi. Với một số mô hình thì điều này là đúng. Không may, một số khác lại không phải như vậy. Tiêu chuẩn đầu tiên phải là độ chính xác và cho tới khi độ chính xác tương đương được chấp nhận thì đơn giản sẽ là tiêu chuẩn thứ hai. Ray.K.Linsley 1986 4.1. số liệu sẵn có và mô hình kinh nghiệm...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình hoá mưa - dòng chảy ( Phần cơ sở - Nxb ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 4

Ch¬ng 4 Dù b¸o thñy ®å sö dông c¸c m« h×nh dùa trªn sè liÖu Mét sè chuyªn gia cho r»ng ph¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt lµ ph¬ng ph¸p hiÖu qu¶ nhÊt. §iÒu nµy thùc sù g©y nhiÒu tranh c·i. Víi mét sè m« h×nh th× ®iÒu nµy lµ ®óng. Kh«ng may, mét sè kh¸c l¹i kh«ng ph¶i nh vËy. Tiªu chuÈn ®Çu tiªn ph¶i lµ ®é chÝnh x¸c vµ cho tíi khi ®é chÝnh x¸c t¬ng ®¬ng ®îc chÊp nhËn th× ®¬n gi¶n sÏ lµ tiªu chuÈn thø hai. Ray.K.Linsley 1986 4.1. sè liÖu s½n cã vµ m« h×nh kinh nghiÖm Cã 2 quan ®iÓm m« h×nh ho¸ rÊt kh¸c nhau nhng ®Òu thu hót sù chó ý. Thø nhÊt lµ tÊt c¶ c¸c m« h×nh dï cã c¬ së vËt lý thÕ nµo, còng lµ c«ng cô c¬ b¶n ®Ó ngo¹i suy sè liÖu s½n cã theo thêi gian (thêi kú kh¸c nhau) vµ kh«ng gian (lu vùc kh¸c nhau). Quan ®iÓm nµy cña m« h×nh nh mét phÐp quy n¹p sÏ lµ ®èi tîng cña ch¬ng nµy. Quan ®iÓm thø 2 lµ c¸c m« h×nh cßn xa míi cã thÓ ph¶n ¸nh hiÓu biÕt vËt lý cña chóng ta vÒ qu¸ tr×nh xem xÐt. ChØ b»ng c¸ch nµy, nã gîi ý lµ chóng ta cã kh¶ n¨ng tin cËy vµo c¸c dù b¸o n»m ngoµi ph¹m vi sè liÖu cã s½n trong thêi gian (vÝ dô trong t¬ng lai) vµ kh«ng gian (vÝ dô trong c¸c lu vùc kh¸c nhau). Quan ®iÓm nµy coi m« h×nh hÇu hÕt nh lµ suy luËn, sÏ lµ ®èi tîng cña ch¬ng sau. Cho r»ng viÖc m« h×nh ho¸ nh lµ suy luËn, bëi v× kh«ng may lµ chóng ta cha thÓ tho¸t khái chñ nghÜa kinh nghÜa kinh nghiÖm nµo ®ã trong viÖc m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n vµ ®¸nh gi¸ c¸c tham sè m« h×nh, vµ trªn thùc tÕ cã thÓ lµ kh«ng bao giê lµm ®îc viÖc nh vËy. Trong quan ®iÓm thø nhÊt, tiÕp cËn ®¬ng nhiªn lµ kinh nghiÖm. Bµi to¸n m« h×nh ho¸ trë thµnh mét cè g¾ng ph©n tÝch c¸c tµi liÖu s½n cã ®Ó häc tõ sè liÖu vÒ hÖ thèng lµm viÖc nh thÕ nµo b»ng c¸ch thiÕt lËp quan hÖ gi÷a chuçi ®Çu vµo vµ ®Çu ra. §©y lµ m« h×nh ho¸ dùa vµo sè liÖu thêng ë qui m« lu vùc mµ kh«ng ®i nhiÒu vµo suy luËn vËt lý hoÆc lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh. Mét tªn kh¸c ®îc dïng lµ m« h×nh hép ®en. NÕu chóng ta cã quan hÖ hoµn h¶o cña ®Çu vµo vµ ®Çu ra th× t¹i sao l¹i lo l¾ng vÒ cã g× ®ã ®ang diÔn ra bªn trong lu vùc. Dï sao tiÕp cËn hép ®en kh«ng nhÊt thiÕt lµ tèt. Mét ph¬ng ph¸p dùa trªn ph©n tÝch ®Çu vµo-®Çu ra trong mét sè hoµn c¶nh cã thÓ ®a ®Õn c¸c quyÕt ®Þnh rÊt kh¸c nhau vÒ hµnh ®éng trªn hÖ thèng h¬n lµ gîi ý c¸c ph©n tÝch lý thuyÕt ®· chÊp nhËn. Sè liÖu sau ®ã gîi ra r»ng ph©n tÝch lý thuyÕt cã thÓ sai lÇm vµ mét sè gi¶i thÝch lý thuyÕt kh¸c lµ cÇn thiÕt. Young vµ Beven (1994, còng xem Young vµ nnk 1997) ®· ®a ra mét tiÕp cËn kinh nghiÖm, hä gäi lµ m« h×nh c¬ häc dùa vµo sè liÖu, nghÜa lµ cho phÐp sè liÖu gîi ý mét 93
cÊu tróc m« h×nh thÝch hîp nhng sau ®ã ®¸nh gi¸ m« h×nh kÕt qu¶ ®Ó xÐt liÖu cã mét gi¶i thÝch c¬ häc cã thÓ hiÓu râ m« h×nh cÇn ®Õn nh÷ng thu nhËn tõ m« h×nh dùa trªn suy luËn lý thuyÕt. Hä ®a ra vÝ dô tõ m« h×nh ma-dßng ch¶y dùa trªn hµm chuyÓn ®æi ®îc th¶o luËn trong môc 4.5 díi ®©y. D¹ng m« h×nh ho¸ nµy dùa vµo sè liÖu kinh nghiÖm cÇn thiÕt phô thuéc vµo sù cã s½n cña sè liÖu. Trong trêng hîp ma- dßng ch¶y, kh«ng thÓ sö dông m« h×nh nh vËy vµo lu vùc kh«ng cã ®o ®¹c trõ khi c¸c th«ng sè cho lu vùc ®ã cã thÓ íc lîng tríc. Còng cÇn lu ý r»ng tiÕp cËn quy n¹p hoÆc kinh nghiÖm lµ rÊt cò, qu¶ thùc lµ l©u ®êi nhÊt trong m« h×nh thñy v¨n. Ph¬ng ph¸p tû lÖ Malvaney th¶o luËn ë ®Çu ch¬ng 2 vµ t¬ng quan hîp trôc hoÆc kü thuËt ®å thÞ cña h×nh 2.1 lµ vÝ dô c¬ b¶n cña m« h×nh kinh nghiÖm dùa trªn sè liÖu: cè g¾ng ®Ó t×m mét t¬ng tù tû lÖ nµo ®Êy vÒ d¸ng ®iÖu gi÷a c¸c trËn ma vµ c¸c lu vùc kh¸c nhau. T«i nghi ngê r»ng trong thiªn niªn kû míi sÏ cã sù quay trë l¹i d¹ng x©y dùng m« h×nh kinh nghiÖm vµ quy n¹p trong thñy v¨n v× c¸c h¹n chÕ cña nhiÒu tiÕp cËn lý thuyÕt, khi ¸p dông cho lu vùc víi c¸c ®Æc trng duy nhÊt cña nã trë nªn t¨ng gi¸ trÞ (chi tiÕt h¬n xem Beven 2000). 4.2. c¸c Ph¬ng ph¸p håi quy kinh nghiÖm Håi quy kinh nghiÖm lµ kü thuËt thèng kª c¬ b¶n ®Ó ngo¹i suy cña bé sè liÖu cho t×nh h×nh kh¸c vµ trong kh«ng gian thêi gian. Sè liÖu ®îc ®èi chiÕu cho biÕn phô thuéc vµ mét hoÆc nhiÒu biÕn ®éc lËp hoÆc biÕn gi¶i thÝch vµ c¸c tÝnh to¸n thèng kª ®îc dïng ®Ó rót ra mét ph¬ng tr×nh liªn hÖ sù thay ®æi cña biÕn phô thuéc vµo c¸c gi¸ trÞ cña c¸c biÕn ®éc lËp. Mét vÝ dô mÉu gÇn ®©y, lÊy tõ Sefton vµ Howarth (19980), lµ quan hÖ gi÷a c¸c th«ng sè cña m« h×nh IHACRES (xem phÇn 4.3.1) vµ c¸c biÕn m« t¶ lu vùc vËt lý kh¸c. Quan hÖ, x¸c ®Þnh bëi håi quy tuyÕn tÝnh béi cã d¹ng: 1  7,7 UPLAND  12,9 DECID  7,4TILLED  9,0 URBAN  7,3OTHER  (4.1) C  0,4CLASSB  0,8REHPMN trong ®ã C lµ tû lÖ ®ãng gãp ma cho lîng tr÷ lu vùc. UPLAND lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt hoang, träc vµ d¬ng xØ. DECID lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña rõng rông l¸ vµ hçn hîp. TILLED lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt mïa canh t¸c. OTHER lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ba d¹ng sö dông ®Êt cßn l¹i. CLASSB lµ phÇn tr¨m diÖn tÝch cña ®Êt kho¸ng b¸n thÊm (kh«ng lµ níc ngÇm) vµ REHPMN lµ ®é Èm t¬ng ®èi trung b×nh trong thêi kú 1961-1991. Quan hÖ ®îc ph¸t triÓn tõ hiÖu chØnh m« h×nh cho 60 lu vùc kh¸c nhau ë níc Anh vµ xø Wales. HÖ sè t¬ng quan cho quan hÖ lµ 0,61 (chiÕm chØ 37% ph¬ng sai cña sè liÖu) chøa mét sù bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ trong íc lîng gi¸ trÞ 1/C cho mét lu vùc riªng biÖt bÊt kú. Ph¬ng tr×nh t¬ng tù cho nh÷ng th«ng sè kh¸c cña m« h×nh cã c¶ sù phï hîp tèt h¬n vµ xÊu h¬n víi sè liÖu. C¸c biÕn ®éc lËp trong ph¬ng tr×nh (4.1) ®îc chän tõ danh s¸ch 10 biÕn h×nh th¸i, 5 biÕn m« t¶ ®Êt, 8 biÕn d¹ng sö dông ®Êt, 7 biÕn khÝ hËu. Kü thuËt lµm tr¬n thèng kª sö dông cho phÐp x¸c ®Þnh c¸c biÕn ®éc lËp cña nã céng víi mét ®ãng gãp cã ý nghÜa ®Ó gi¶i thÝch sù biÕn ®æi quan tr¾c trong biÕn phô thuéc. BiÕn kh«ng cung cÊp mét ®ãng gãp ®¸ng kÓ th× kh«ng ®îc chøa trong ph¬ng tr×nh. Kü thuËt ®îc dïng ®Ó 94
rót ra d¹ng nµy cña ph¬ng tr×nh lµ ph©n tÝch håi quy tuyÕn tÝnh. Quan hÖ phi tuyÕn bÊt kú ph¶i ®¹t ®îc b»ng sù biÕn ®æi c¸c biÕn ®éc lËp hoÆc phô thuéc. ë mét trong sè c¸c ph¬ng tr×nh dù b¸o kh¸c trong tµi liÖu cña Syton vµ Howath, sö dông biÕn ®æi logarit cho tÊt c¶ c¸c biÕn ®îc tríc khi thùc hiÖn ph©n tÝch. D¹ng ph©n tÝch nµy ®îc dïng réng r·i trong íc lîng th«ng sè m« h×nh hoÆc c¸c ®Æc trng lu lîng bªn trong mét vïng cña lu vùc kh«ng ®o ®¹c. Nh÷ng ®iÒu kh«ng ®îc ghi nhËn thêng lµ nh÷ng biÕn ®æi kh¸c hoÆc biÕn ®éc lËp kh¸c ®îc thö vµ lo¹i bá ®Ó hç trî cho ph¬ng tr×nh c«ng bè cuèi cïng. ThËt thó vÞ nÕu nh÷ng quan hÖ nh thÕ thêng lµm cho hiÓu biÕt thñy v¨n tèt h¬n. §iÒu nµy ®«i khi khã rót ra tõ ph¬ng tr×nh håi quy. Trong ph¬ng tr×nh (4.1) ®iÒu ®a ®Õn ng¹c nhiªn lµ hµm tuyÕn tÝnh thªm vµo cña biÕn ®é Èm t¬ng ®èi trung b×nh hµnh ®éng nh mét thay thÕ cho qu¸ tr×nh nµo? Mét sè ®iÓm ®¸ng ®îc lu ý vÒ d¹ng nµy cña ph©n tÝch håi quy. Mét lµ trong ph¬ng tr×nh nh ph¬ng tr×nh (4.1) nh»m môc ®Ých dù b¸o c¸c th«ng sè cña m« h×nh, ph©n tÝch ®îc lo¹i bá tõng bíc tõ sè liÖu lu vùc gèc. Nh vËy gi¸ trÞ ®a vµo håi quy sÏ phô thuéc vµo m« h×nh phï hîp nh thÕ nµo cho sè liÖu lu vùc gèc. Cã thÓ cã vÊn ®Ò ®Æc biÖt trong nghiªn cøu nµy v× 2 trong c¸c th«ng sè chØ ra cã t¬ng quan rÊt m¹nh qua 60 lu vùc kh¸c nhau. Thø 2 lµ tÊt c¶ c¸c dù b¸o nh vËy liªn kÕt víi sai sè chuÈn cña íc lîng cho phÐp diÔn ®¹t sù bÊt ®Þnh liªn quan víi dù b¸o. §iÒu nµy thêng kh«ng ®îc lµm. §iÒu thø ba lµ sai sè chuÈn cña íc lîng sÏ lín h¬n v× dù b¸o trë nªn cùc trÞ h¬n trong liªn hÖ víi bé sè liÖu trong ®ã håi quy dùa vµo. CÇn thËn träng khi sö dông íc lîng kÕt qu¶, ®Æc biÖt ë n¬i mµ t¬ng quan cña ph¬ng tr×nh dù b¸o t¬ng ®èi thÊp nh ph¬ng tr×nh (4.1). C¸c lu vùc c¸ biÖt khi ®ã cã thÓ lÖch ®¸ng kÓ khái íc lîng håi quy. C¸c ph¬ng tr×nh håi quy t¬ng tù cã ®Çy ®ñ trong c¸c tµi liÖu thñy v¨n. C¸c nghiªn cøu nh “B¸o c¸o nghiªn cøu lò ë V¬ng quèc Anh (NERC 1975)” cung cÊp nhiÒu vÝ dô liªn quan ®Õn m« h×nh ma-dßng ch¶y bao gåm c¶ c¸c ph¬ng tr×nh cho ®Ønh lò víi thêi gian lò lªn cña ®êng ®¬n vÞ vµ cho tÝnh to¸n phÇn tr¨m dßng ch¶y trong íc lîng lîng ma hiÖu qu¶ ®Ó sö dông víi ®êng ®¬n vÞ. Ph©n tÝch t¬ng tù sÏ lµ mét phÇn cña Sæ tay íc lîng lò míi (IH 1999) vµ ®· ®îc rót ra trong c¸c phÇn kh¸c cña thÕ giíi (vÝ dô ViÖn kü thuËt Australia 1977). Trong bÊt kú mét ph¬ng ph¸p håi quy kinh nghiÖm nµo nh vËy c¸c biÕn gi¶i thÝch kh«ng ®îc chän ngÉu nhiªn. Chóng sÏ ph¶n ¸nh nhËn thøc vµ nh÷ng suy luËn vËt lý cña nhµ ph©n tÝch. Nghiªn cøu dµnh cho c¸c biÕn cã søc gi¶i thÝch trong t×nh huèng thèng kª ®Æc biÖt nµy, do vËy sÏ nh¹y c¶m khi thö c¸c biÕn dù kiÕn liªn quan ®Õn biÕn ®éc lËp. Mét sè kÕt qu¶ cã thÓ lµ bÊt ngê. Hewlett vµ nnk (1984), ch¼ng h¹n, biÓu diÔn ph©n tÝch cña 4094 thuû ®å lò tõ 15 lu vùc dÉn níc nhá trªn mét ph¹m vi khÝ hËu vµ ®Þa h×nh ®· ®a ra r»ng biÕn cêng ®é ma chØ ®ãng gãp nhá cho ph¬ng tr×nh håi quy cña ®Ønh lò vµ thÓ tÝch dßng ch¶y ma. HÖ sè biªn cña tÝnh to¸n cho cêng ®é ma giê lín nhÊt lµ cì mét phÇn tr¨m cho thÓ tÝch ma vµ 10 phÇn tr¨m cho ®Ønh lò. KÕt luËn cña hä cñng cè c¸c nghiªn cøu sím h¬n cña Hewlett vµ nnk (1977). Tæng lîng ma cã ¶nh hëng ®¸ng kÓ nhiÒu h¬n trªn c¶ 2 biÕn phô thuéc. Hewlett vµ nnk kÕt luËn r»ng c¸c kÕt qu¶ nµy kh«ng t¬ng thÝch víi c¬ së cña nhiÒu m« h×nh s¶n 95
sinh dßng ch¶y trong ®ã thêi kú ma giê hoÆc ng¾n h¬n, cêng ®é ma ®ãng mét vai trß quan träng, ®Æc biÖt lµ c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ chÕ s¶n sinh dßng ch¶y vît thÊm Horton. KÕt luËn b©y giê ®ang b¾t ®Çu ®îc hç trî bëi c¸c nghiªn cøu m« h×nh chi tiÕt (xem trêng hîp lu vùc R5 nghiªn cøu trong môc 5.6) 4.3.C¸c m« h×nh hµm chuyÓn ®æi D¹ng håi quy kinh nghiÖm miªu t¶ ë trªn lµ môc tiªu ban ®Çu ®Ó ngo¹i suy th«ng tin ®o ®¹c tõ vÞ trÝ nµy cho vÞ trÝ kh¸c, n¬i mµ ®o ®¹c thñy v¨n yªu cÇu kh«ng s½n cã nhng ë ®ã c¸c biÕn kh¸c yªu cÇu cho ph¬ng tr×nh håi quy cã thÓ dÔ ®o h¬n. Trong mét sè t×nh huèng chóng ta cã s½n ®o ®¹c thuû v¨n t¹i mét vÝ trÝ vµ vÊn ®Ò lµ sö dông nhiÒu h¬n mét m« h×nh ®Ó ngo¹i suy c¸c th«ng tin nµy cho vÞ trÝ ®ã nhng ë ®iÒu kiÖn kh¸c. Trong môc nµy chóng ta sÏ xÐt trêng hîp cã mét sè chuçi thêi gian ma-dßng ch¶y cho lu vùc vµ sö dông c¸c th«ng tin ®ã ®Ó m« h×nh ho¸ ph¶n øng cña lu vùc. TiÕp cËn kinh nghiÖm hiÖn ®¹i cho vÊn ®Ò nµy lµ dïng hµm chuyÓn ®æi liªn hÖ ®Çu vµo víi ®Çu ra. Kü thuËt thñy ®å ®¬n vÞ truyÒn thèng lµ mét d¹ng hµm chuyÓn ®æi nh lµ biÓu thÞ bÓ chøa bËc thang Nash vµ h×nh tam gi¸c biÓu diÔn cña ®êng ®¬n vÞ chØ ra trªn h×nh 2.6. TiÕp cËn hiÖn ®¹i xuÊt ph¸t tõ ph©n tÝch hÖ thèng tuyÕn tÝnh, trong ®ã m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t ®îc dïng ®Ó ®a ra mét cÊu tróc m« h×nh phï hîp t¬ng thÝch víi sè liÖu ®Çu vµo-®Çu ra s½n cã (xem hép 4.1). Dï sao, m« h×nh kÕt qu¶ cã thÓ cã sù gi¶i thÝch c¬ häc cã Ých. VÝ dô, x¸c ®Þnh hµm chuyÓn ®æi lu vùc cã d¹ng m« t¶ trong hép 4.1 gîi ý r»ng cÊu tróc m« h×nh song song lµ phï hîp víi mét tû lÖ dßng ch¶y diÔn to¸n qua ®êng dÉn nhanh vµ cßn l¹i qua ®êng dÉn chËm (h×nh 4.1). §iÒu nµy kh«ng cho phÐp nh÷ng kÕt luËn cøng nh¾c ®Ó kÕt luËn liÖu qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt hoÆc dßng ch¶y s¸t mÆt cã ®îc bao hµm: nã cho phÐp mét sè h»ng sè thêi gian ®Æc trng cho lu vùc ®îc x¸c trong d¹ng trung b×nh thêi gian cho ®êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ chËm. H×nh 4.1. C Êu tróc hµm chuyÓn ®æi song song vµ ph©n chia thuû ®å dù b¸o thµnh ph¶n øng nhanh vµ chËm VÊn ®Ò ¸p dông c¸c ph¬ng ph¸p nh vËy cho hÖ thèng ma-dßng ch¶y lµ ma cã liªn hÖ víi lu lîng dßng ch¶y trong d¹ng hoµn toµn phi tuyÕn. Thùc nghiÖm nhiÒu 96
n¨m víi ph¬ng ph¸p ®êng ®¬n vÞ trong dù b¸o thuû v¨n ®· chØ ra r»ng dßng ch¶y ma rµo cã liªn hÖ tuyÕn tÝnh nhiÒu h¬n víi lîng ma hiÖu qu¶, nhng ë ®©y chóng ta hy väng tr¸nh ®îc sù ph©n chia tríc chuçi thêi gian ma vµ dßng ch¶y v× nh th¶o luËn trong phÇn 2.2 ph©n chia thñy ®å lµ kü thuËt ph©n tÝch t¬ng ®èi nguy hiÓm. Dï sao chóng ta cã thÓ lÊy nh÷ng thÝ nghiÖm nµy ®Ó suy ra r»ng cã kh¶ n¨ng sö dông mét m« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh cho tÝnh to¸n ph©n bè thêi gian cña tæng dßng ch¶y nÕu chóng ta cã thÓ t×m thÊy mét bé läc phi tuyÕn thÝch hîp cho ma ®Ó diÔn ®¹t qu¸ tr×nh s¶n sinh dßng ch¶y. C©u hái b©y giê lµ nh thÕ nµo ®Ó t×m ®îc d¹ng gÇn ®óng cña bé läc. Mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ gi¶ thiÕt r»ng d¹ng ®óng ®¾n lµ cã nguån gèc vËt lý vµ c¸c gi¸ trÞ th«ng sè kh«ng ®æi cã thÓ t×m ®îc ®a ®Õn sù phï hîp tèt víi sè liÖu qua thêi kú hiÖu chØnh. C«ng tr×nh ®îc Dooge (1959) giíi thiÖu kh¸ sím trong d¹ng hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh. NÕu thùc sù cã quan hÖ tuyÕn tÝnh gi÷a ®Çu vµo chuyÓn ®æi vµ sè liÖu ®Çu ra ®o ®¹c th× ®iÒu nµy lµ mét trêng hîp thùc tÕ. Ph¬ng ph¸p truyÒn thèng dïng víi lý thuyÕt ®êng ®¬n vÞ ë n¬i mµ sù chuyÓn ®æi tõ tæng lîng ma thµnh lîng ma hiÖu qu¶ dùa trªn ph¬ng tr×nh thÊm, hoÆc ph¬ng ph¸p nh chØ sè  (xem môc 2.2). Hµm chuyÓn ®æi dùa vµo m« h×nh IHACRES m« t¶ díi ®©y còng chÊp nhËn chiÕn lîc nµy. Dï sao, nÕu mét íc lîng cña ®êng ®¬n vÞ lµ s½n cã cho lu vùc, nã cã thÓ dïng trong nghÜa nghÞch ®¶o ®Ó íc lîng cÊu tróc cña lîng ma hiÖu qu¶ ®a ra mét thñy ®å dßng ch¶y ma rµo (®· ph©n chia tríc) (xem hép 4.2). Young vµ Beven (1994) më réng ý tëng nµy cho trêng hîp ph©n tÝch biÕn thêi gian cña c¸c th«ng sè hµm chuyÓn ®æi ®Ó cho phÐp sè liÖu gîi ra d¹ng cña m« h×nh (xem môc 4.5.vµ hép 4.3) 4.3.1. M« h×nh IHACRES M« h×nh IHACRES (x¸c ®Þnh ®êng ®¬n vÞ vµ dßng ch¶y thµnh phÇn tõ sè liÖu ma, bèc h¬i vµ dßng ch¶y s«ng ngßi) cña Jakeman vµ nnk (1996) rót ra tõ c«ng tr×nh cña Young (1975) vµ Whitehead vµ nnk (1979), ngêi ®· cè g¾ng tr¸nh vÊn ®Ò t¸ch thuû ®å trong m« h×nh ®êng ®¬n vÞ cæ ®iÓn b»ng sù liªn hÖ ma tæng céng víi lu lîng tæng céng. Sù ph¸t triÓn gÇn ®©y ®· lµ kÕt qu¶ cña sù hîp t¸c gi÷a ViÖn thñy v¨n Anh quèc (IH) ë Wallingford vµ trung t©m nghiªn cøu tµi nguyªn vµ m«i trêng (CRES) ë Canbera, Australia mµ s¶n phÈm cña nã lµ phÇn mÒm IHACRES cho m¸y tÝnh PC. M« h×nh sö dông mét bé hµm ®Æc biÖt läc lîng ma ®Ó sinh ra lîng ma hiÖu qu¶ sau ®ã liªn hÖ víi tæng lu lîng sö dông hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh tæng qu¸t. Läc ma giíi thiÖu mét biÕn lîng tr÷ ®Êt vµ còng cho m« pháng thêi kú dµi h¬n sö dông nhiÖt ®é nh chØ sè cña bèc h¬i. Mét sè d¹ng kh¸c cña läc ma ®· ®îc sö dông trong c¸c ¸p dông kh¸c cña IHACRES (xem Jakeman vµ nnk 1993, Jakeman vµ Horlerger 1993, Post vµ Jakeman 1996, Sefton vµ Howarth 1998). Mét d¹ng dïng trong nghiªn cøu cña Sefton vµ Howarth th¶o luËn trong môc 4.2 ë trªn nh sau. NÕu ®Çu vµo trong bíc thêi gian t ®îc biÓu thÞ nh Rt , khi lîng ma hiÖu qu¶ ®îc biÓu thÞ qua Ut th×: 97
Ut  Rt St  St1  / 2 (4.1)  1 (4.2) S t  cRt  1   S t 1   (Ti )   (Ti )   W ¦ exp(10 f  Ti f ) (4.3) trong ®ã: St lµ biÕn lîng tr÷ t¹i thêi ®iÓm t, (Ti) lµ thêi gian lu gi÷ trung b×nh cña lîng tr÷ ®Êt phô thuéc vµo nhiÖt ®é trung b×nh ngµy Ti , C ®iÒu khiÓn tû lÖ ®ãng gãp cña ma cho lîng tr÷ lu vùc, W l µ thêi gian lu gi÷ trung b×nh cña lîng tr÷ ®Êt ë 10C vµ f lµ th«ng sè thang ®é tÝnh to¸n cho phÐp cã quan hÖ cña ¶nh hëng bèc h¬i víi hiÖu sè nhiÖt ®é nµy. Trong nhiÒu ph¬ng diÖn, phÇn nµy cña IHACRES biÓu diÔn d¹ng ®¬n gi¶n cña m« h×nh ESMA (tÝnh to¸n ®é Èm ®Êt hiÖn) (xem môc 2.4). Lîng ma hiÖu qu¶ Ut sau ®ã h×nh thµnh ®Çu vµo cho ph©n tÝch hµm chuyÓn ®æi dùa vµo m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t cña hép 4.1 víi ®Çu ra lµ lu lîng tæng céng. C¸c th«ng sè cña m« h×nh hoµn toµn ®îc hiÖu chØnh bëi bé läc hµm chuyÓn ®æi cho c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña C, W vµ f cho tíi khi ®¹t ®îc kÕt qu¶ tèt nhÊt. Sai sè chuÈn vµ ph¬ng sai cho c¸c th«ng sè m« h×nh hµm chuyÓn ®æi cã thÓ ®îc íc lîng nhng ®é bÊt ®Þnh cña c¸c th«ng sè C, W vµ f ®· kh«ng ®îc xÐt ®Õn. M« h×nh IHACRES hiÖn nay ®îc ¸p dông cho nhiÒu d¹ng lu vùc kh¸c nhau (Jakeman vµ nnk 1990, 1993a; Jakeman vµ Hornberger 1993 xem vÝ dô ë h×nh 4.2), bao gåm c¸c lu vùc cã ®Çu vµo tuyÕt tan ®¸ng kÓ (Schreider vµ nnk 1997, Steel vµ nnk 1999) vµ trong dù b¸o t¸c ®éng cña biÕn ®æi khÝ hËu ®Õn thuû v¨n lu vùc (Jakeman vµ nnk 1993b; Schreider vµ nnk 1996). M« h×nh còng liªn kÕt víi c¸c thµnh phÇn chÊt lîng níc vµ xãi mßn (Jakeman 1999). C¸c kÕt qu¶ nãi chung chØ ra r»ng hµm chuyÓn ®æi song song trªn h×nh 4.1 lµ cÊu tróc æn ®Þnh cho m« pháng ma-dßng ch¶y ë quy m« lu vùc víi mét ®êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ mét ®êng dÉn dßng ch¶y chËm h¬n (xem hép 4.1). §êng dÉn dßng ch¶y nhanh sÏ cung cÊp phÇn chÝnh cña thñy ®å ma dù b¸o. §êng dÉn dßng ch¶y chËm h¬n lµ phÇn chÝnh cña lu lîng rót níc gi÷a c¸c trËn ma. L¹i lu ý r»ng ®iÒu nµy kh«ng bao hµm bÊt cø ®iÒu g× vÒ liÖu dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt, níc cò hoËc míi, dßng ch¶y trùc tiÕp hay dÞch chuyÓn cã ®îc tr¸nh trong ph¶n øng dßng ch¶y nhanh hay chËm. §êng dÉn dßng ch¶y nhanh kh«ng bÞ lu gi÷ nh ®êng dÉn dßng ch¶y mÆt, nã cã thÓ b»ng ph¶n øng ®iÒu khiÓn bëi thang thêi gian cña dÞch chuyÓn níc cò tõ lîng tr÷ s¸t mÆt. D¹ng diÔn to¸n ®êng dÉn song song nµy còng ®îc dïng trong c¸c m« h×nh kh¸c (nh m« h×nh Xinanjang/Arno/Vic m« t¶ trong hép 2.2 vµ m« h×nh PDM ViÖn thñy v¨n m« t¶ ë môc 6.2). ¦u ®iÓm cña IHACRES lµ sè liÖu cho phÐp gîi ý d¹ng cña m« h×nh hµm chuyÓn ®æi sö dông thay v× x¸c ®Þnh mét cÊu tróc cè ®Þnh tríc ®ã. M« h×nh IHACRES cã lo¹i chøc n¨ng tèt ®Ó t¸i s¶n sinh ph¶n øng thñy v¨n ë quy m« lu vùc víi sè ®óng cña c¸c th«ng sè ®Ó ®a ®Õn mét thêi kú sè liÖu hiÖu chØnh ®ång nhÊt, Ýt nhÊt cho mét sè m«i trêng. C¸c th«ng sè yªu cÇu ®Ó ¸p dông cho m« h×nh c¬ b¶n lµ 2 h»ng sè thêi gian cña ®êng dÉn nhanh vµ chËm trong hµm chuyÓn ®æi song song, tû lÖ víi lîng ma hiÖu qu¶ theo mçi ®êng dÉn vµ c¸c th«ng sè C, W 98
vµ f cña läc ma hiÖu qu¶. Jakeman vµ Hornberger (1993) cho r»ng c¸c th«ng sè nµy cã thÓ ®îc coi nh c¸c ®Æc trng ph¶n øng ®éng lùc (DRC) cña lu vùc vµ nã cã kh¶ n¨ng liªn hÖ c¸c DRC nµy víi m« t¶ vËt lý lu vùc. §©y lµ thµnh c«ng mét phÇn trong nghiªn cøu cña Post vµ Jakeman (1996); nh÷ng ngêi ®· rót ra th«ng sè DRC cho 16 lu vùc ë Victoria, Australia. Hä t×m thÊy r»ng 5 trong sè 6 th«ng sè yªu cÇu cña m« h×nh cã liªn hÖ tèt víi ®Æc ®iÓm vËt lý cña lu vùc. H»ng sè thêi gian cña thµnh phÇn dßng ch¶y nhanh liªn hÖ víi mËt ®é líi s«ng vµ diÖn tÝch lu vùc, cßn thµnh phÇn dßng ch¶y chËm liªn hÖ víi ®é dèc vµ h×nh d¹ng lu vùc. Th«ng sè m«®un nhiÖt ®é f liªn hÖ víi gradient vµ d¹ng thùc vËt, c¸c th«ng sè C vµ W liªn hÖ víi mËt ®é líi s«ng vµ gradient. Mét th«ng sè chØ ra mèi liªn hÖ kh«ng râ rµng víi ®Æc tÝnh lu vùc lµ tû lÖ cña lîng ma hiÖu qu¶ ®i ®Õn ®êng dÉn nhanh. Trong nghiªn cøu riªng biÖt cña hä, trong trêng hîp bÊt kú cã mét ph¹m vi giíi h¹n cña c¸c gi¸ trÞ tèi u ho¸. H×nh 4.2. VÝ dô cña lu lîng quan tr¾c vµ dù b¸o sö dông m« h×nh IHACRES. T¸i t¹o tõ Jakeman vµ Hornberger (1993). Nghiªn cøu tµi nguyªn níc 30,3567,1994.XuÊt b¶n bëi Héi ®Þa vËt lý Mü Sefton vµ Howarth (1998) sö dông nh÷ng m« t¶ lu vùc kh¸c nhau vµ t¹o ra c¸c quan hÖ håi quy kh¸c nhau cho c¸c th«ng sè IHACRES cho c¸c lu vùc ë Anh vµ xø Wales (bao gåm ph¬ng tr×nh 4.1 ë trªn). Trong tµi liÖu cña hä, ®ã lµ thêi gian lu gi÷ trung b×nh cña ®êng dÉn dßng ch¶y chËm ®îc x¸c ®Þnh kÐm nhÊt b»ng c¸c biÕn 99
DRC khi f vµ tû lÖ cña lîng ma hiÖu qu¶ di chuyÓn ®Õn ®êng dÉn dßng ch¶y chËm ®îc x¸c ®Þnh tèt nhÊt. H×nh nh kh¸i qu¸t nh÷ng quan hÖ nh thÕ lµ khã kh¨n. Trong môc 4.2 mét sù phô thuéc cña hiÖu chØnh gèc cña c¸c th«ng sè víi sè liÖu thñy ®å còng ®· ®îc lu ý vµ nã còng cã thÓ cã t¬ng t¸c ®Çy ®ñ trong hiÖu chØnh c¸c gi¸ trÞ th«ng sè DRC kh¸c nhau ®Ó giíi h¹n sù më réng ®Õn ph¹m vi mµ chóng cã thÓ ®îc coi nh m« t¶ cã ý nghÜa thñy v¨n duy nhÊt cña lu vùc. Còng cã c©u hái lµ liÖu bé läc ma phi tuyÕn sö dông, trong thùc tÕ cã lµ sù phï hîp vÒ mÆt thñy v¨n, ®Æc biÖt tõ khi Jakeman vµ c¸c céng sù cña «ng ®· sö dông nhiÒu h¬n 1 lÇn trong mét lo¹t bµi b¸o vÒ ph¬ng ph¸p IHACRES cña hä. Cã lÏ tèt h¬n lµ h·y ®Ó cho sè liÖu ®a ra mét d¹ng gÇn ®óng phi tuyÕn nh ®îc th¶o luËn trong môc sau. 4.3.2. M« h×nh c¬ häc dùa vµo sè liÖu sö dông hµm chuyÓn ®æi TiÕp cËn c¬ häc dùa vµo sè liÖu (DBM) cña Young vµ Beven ë møc cã thÓ, kh«ng ®a ra nh÷ng gi¶ thiÕt tríc vÒ d¹ng cña m« h×nh, kh¸c víi viÖc mét ph¬ng ph¸p hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh chung cã thÓ dïng ®Ó lËp quan hÖ ®Çu vµo ma hiÖu qu¶ víi lu lîng tæng céng. Trong tinh thÇn ®ã cho phÐp sè liÖu x¸c ®Þnh cÊu tróc nµo cña m« h×nh thay v× quyÕt ®Þnh tríc vÒ cÊu tróc m« h×nh, hä sö dông íc lîng th«ng sè biÕn thêi gian ®Ó x¸c ®Þnh d¹ng phi tuyÕn ma hiÖu qu¶. C¸c kÕt qu¶ cña hä gîi ý mét bé läc phi tuyÕn cã d¹ng: n (4.4) U t  Qt Rt trong ®ã Ut lµ lîng ma hiÖu qu¶, Rt lµ ®Çu vµo ma, Qt lµ lu lîng, n lµ th«ng sè vµ t lµ thêi gian. ë ®©y lu lîng ®îc sö dông rÊt nhiÒu nh mét biÕn thay thÕ cho tr¹ng th¸i Èm tríc ®ã cña lu vùc. Nãi chung lu lîng ®o ®¹c lµ chØ sè s½n cã tèt nhÊt cña ®iÒu kiÖn kú tríc trong lu vùc, nhng sö dông nã trong ph¬ng ph¸p nµy cã nghÜa r»ng lu lîng ®îc sö dông ®Ó dù b¸o lu lîng. §©y kh«ng lµ vÊn ®Ò trong viÖc hiÖu chØnh m« h×nh t¹i vÞ trÝ cã ®o ®¹c, mµ lµ vÊn ®Ò trong dù b¸o hoÆc dù b¸o thêi gian thùc nhng trong thùc tÕ nã kh«ng t¹o ra vÊn ®Ò khã kh¨n ®Ó vît qua (xem díi ®©y). Trong ¸p dông gèc cña Young vµ Beven (1991) m« h×nh song tuyÕn tÝnh (n=1) ®· ®îc sö dông nhng c¸c kÕt qu¶ gÇn ®©y h¬n khi sö dông íc lîng th«ng sè biÕn thêi gian (xem hép 4.3) ®· gîi ý gi¸ trÞ n gi÷a 0 vµ 1 (mét m« h×nh luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh). ¸p dông cña ph¬ng ph¸p DBM ®îc gi¶i thÝch trong trêng hîp nghiªn cøu ë phÇn sau. Trong ¸p dông cña c¸c kü thuËt nµy sau ®ã cho mét thêi kú sè liÖu dµi ë lu vùc vïng ®«ng nam níc Mü, Young vµ Beven (1994) ®· gi¶i thÝch r»ng cã mét cÊu tróc mïa trong íc lîng biÕn thêi gian cña th«ng sè a hµm chuyÓn ®æi (vµ do ®ã thêi gian lu gi÷ trung b×nh) còng nh t¬ng quan t¬ng tù cña íc lîng biÕn thêi gian cña th«ng sè b víi lu lîng. §· ph¸t hiÖn ra r»ng cÊu tróc mïa trong a cã t¬ng quan víi nhiÖt ®é trung b×nh ngµy. Dï sao, t¬ng quan cho vÞ trÝ nµy ®îc quan t©m, trong ®ã nã gîi ý r»ng th«ng sè a biÕn ®æi theo quan hÖ nghÞch ®¶o víi nhiÖt ®é. §iÒu nµy gi¶i thÝch r»ng nhiÖt ®é cao h¬n th× thêi gian lu gi÷ trung b×nh dµi h¬n. §©y còng lµ lÝ do vËt lý lµ nÕu nhiÖt ®é cao h¬n th× bèc h¬i mïa hÌ cao h¬n vµ do ®ã møc tr÷ Èm thÊp h¬n vµ thêi gian ph¶n øng chËm h¬n. 100
C¸c kÕt qu¶ gÇn ®óng nµy trong m« h×nh tèi thiÓu liªn hÖ tæng lîng ma víi tæng lu lîng víi th«ng sè luü thõa vµ lîi Ých cho bé läc phi tuyÕn vµ mét hoÆc 2 h»ng sè thêi gian cho hµm chuyÓn ®æi. C¸c th«ng sè nµy cã thÓ coi lµ ®Æc ®iÓm vËt lý quan träng ë quy m« lu vùc, nhng nh trong nghiªn cøu c¸c ®Æc ®iÓm ph¶n øng ®éng lùc cña m« h×nh IHACRES cña Post vµ Jakeman (1996), ®iÒu kh«ng thùc sù râ rµng lµ c¸c th«ng sè nµy cã thÓ liªn hÖ tèt nh thÕ nµo víi ®Æc ®iÓm lu vùc hoÆc quy m« lu vùc ®Ó mét m« h×nh ®¬n gi¶n cã thÓ xÊp xØ. Dï sao, cã ®iÒu râ rµng lµ íc lîng tèt cña c¸c th«ng sè sÏ cã thÓ thu ®îc chØ tõ mét thêi kú ng¾n cña sè liÖu ma-dßng ch¶y sao cho thêi kú ®o ®¹c thùc ®Þa cña ma vµ dßng ch¶y ë mét vÞ trÝ quan t©m cã thÓ lµ ph¬ng ph¸p tèt nhÊt cho hiÖu chØnh th«ng sè. CÇn lu ý mét trong c¸c ®Æc ®iÓm cña ph©n tÝch chuçi thêi gian tuyÕn tÝnh sö dông ®Ó rót ra hµm chuyÓn ®æi lµ sai sè chuÈn cã thÓ íc lîng cho c¸c th«ng sè. C¸c sai sè chuÈn nµy cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ gi¶i thÝch vËt lý cña m« h×nh. Young (1992) ch¼ng h¹n ®· kh¶o s¸t ®é nh¹y cña tû lÖ lîng ma hiÖu qu¶ chuyÓn qua ®êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ chËm ®èi víi sai sè trong c¸c th«ng sè íc lîng. C¸c kÕt qu¶ cña «ng chØ ra r»ng sÏ cã ®é bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ trong c¸c tû lÖ nµy lµm h¹n chÕ sù gi¶i thÝch bÊt kú diÖn tÝch ®ãng gãp nµo cña dßng ch¶y nhanh, Ýt nhÊt trong d¹ng nµy cña m« h×nh ®é bÊt ®Þnh nh thÕ cã thÓ lµm râ, cã nh÷ng ngô ý t¬ng tù trong c¸c m« h×nh phøc t¹p h¬n, sÏ ®îc th¶o luËn trong ch¬ng 5 vµ 6 nhng ®é nh¹y nh thÕ khi ®ã Ýt khi ®îc x¸c ®Þnh. 4.4.Trêng hîp nghiªn cøu: M« h×nh DBM cña lu vùc C16 ë Llym Briane, Wales Ph¬ng ph¸p m« h×nh c¬ häc dùa trªn sè liÖu ®îc m« t¶ trong mèi liªn hÖ víi mét ¸p dông x¸c ®Þnh cho lu vùc C16 ë Llyn Briane, Wales (Young vµ Beven 1994) C¸c bíc nh sau: 1. Lµm phï hîp s¬ bé hµm chuyÓn ®æi víi sè liÖu ®Çu vµo- ®Çu ra b»ng kü thuËt m« t¶ trong hép 4.1. Mét hay nhiÒu m« h×nh läc ma cã thÓ thö ë giai ®o¹n nµy, ®iÒu quan träng lµ suy ra íc lîng c¸c th«ng sè cña hµm chuyÓn ®æi bËc thÊp. 2.¦íc lîng phÇn d, bao gåm kiÓm tra cho hµm phi tuyÕn. NÕu cã d¸ng ®iÖu phi tuyÕn, khi ®ã m« h×nh phï hîp cã thÓ ®îc thõa nhËn. Ngoµi ra chuyÓn sang bíc tiÕp theo. 3. HiÖu chØnh hµm chuyÓn ®æi bËc thÊp (bËc 1 hoÆc 2 thêng lµ tho¶ m·n cho m« h×nh ma- dßng ch¶y) sö dông kü thuËt íc lîng th«ng sè biÕn thêi gian, còng nh lµm tr¬n kho¶ng cè ®Þnh (FIS) m« t¶ trong hép 4.3. X¸c ®Þnh biÕn ®æi cña c¸c gi¸ trÞ th«ng sè, bao gåm cã sai sè chuÈn qua thêi kú hiÖu chØnh (vÝ dô h×nh B.4.3.1 cho lu vùc C16). 4. Kh¶o s¸t b¶n chÊt cña biÕn ®æi theo thêi gian cña c¸c th«ng sè, x¸c ®Þnh ®é chÝnh x¸c c¸c th«ng sè ®îc uíc lîng. Cho ¸p dông C16 râ rµng chØ cã th«ng tin bæ sung vÒ íc lîng th«ng sè b khi cã ma. Sai sè chuÈn trong íc lîng c¸c th«ng sè nµy t¨ng nhanh suèt thêi kú rót níc. 101
H×nh 4.3. (a). ¦íc lîng biÕn thêi gian cña hÖ sè lîi Ých trong m« h×nh song tuyÕn tÝnh cho lu vùc C16 vÏ ®èi chiÕu víi lu lîng ë cïng bíc thêi gian. (b). Tèi u ho¸ cña hÖ sè luËt luü thõa trong sù phï hîp víi lu lîng quan tr¾c (Young vµ Beven 1994). In l¹i víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited 5. X¸c ®Þnh b¶n chÊt sù biÕn ®æi trong mèi liªn hÖ víi c¸c biÕn kh¸c. Trong trêng hîp nµy, quan hÖ gi÷a th«ng sè nµy vµ lu lîng cã thÓ t×m ®îc nÕu chØ cã gi¸ trÞ cã ý nghÜa nhÊt cña íc lîng th«ng sè b ®îc sö dông (h×nh 4.3). §©y lµ lÝ do vËt lý v× víi bé läc song tuyÕn tÝnh ®¬n gi¶n sö dông tríc ®©y bëi Young vµ Beven (1991) trong ®ã chóng ta mong ®îi lu lîng cao h¬n ®a ra ®iÒu kiÖn kú tríc Èm ít, kÕt qu¶ ®îc tû lÖ lín h¬n cña ma trë thµnh lu lîng. Dï sao ph©n tÝch nµy gîi ý r»ng bé läc ma sö dông kh«ng ph¶i lµ sù nh©n ®¬n gi¶n víi lu lîng sö dông trong Young vµ Beven (1991) mµ lµ nh©n víi lu lîng t¨ng theo bËc luü thõa, ë ®©y lµ bËc 0,65. Mét s¬ ®å khèi cña m« h×nh cuèi cïng chØ ra trong h×nh 4.4. 6. Tèi u ho¸ m« h×nh kÕt qu¶ cuèi cïng, kÕt qu¶ ®îc biÓu diÔn trong h×nh 4.5 nh ®Çu ra tõ ch¬ng tr×nh TFM (xem phÇn 4.5). Sù phï hîp tèt nhÊt cho lu vùc nµy thu ®îc víi luü thõa bËc 0,63. §©y lµ m« h×nh tèt h¬n kh«ng ®¸ng kÓ víi c¸c h»ng sè thêi gian kh¸c nhau (3,95h vµ 80,2h) cña mét m« h×nh song tuyÕn tÝnh sím h¬n (luü thõa bËc 1,0) ®· lµm phï hîp cho lu vùc nµy. 7. X¸c ®Þnh phÇn d cho dÊu hiÖu cña cÊu tróc t¬ng lai hoÆc phi tuyÕn. ë ®©y Young vµ Beven (1994) chØ ra r»ng mÆc dï bé läc phi tuyÕn cuèi cïng vµ hµm chuyÓn ®æi gi¶i thÝch h¬n 98% ph¬ng sai cña lu lîng quan tr¾c cho thêi kú nµy, mét m« h×nh tù håi quy bËc 3 cña phÇn d cã thÓ sö dông ®Ó gi¶i thÝch h¬n mét nöa cña ph¬ng sai sai sè cßn l¹i, nhng kh«ng cã dÊu hiÖu cña sù phi tuyÕn tiÕp sau. Nh thÕ 102
mét m« h×nh cña phÇn d cã thÓ dïng trong dù b¸o lò (xem ch¬ng 8). LuËt luü thõa song tuyÕn tÝnh víi m« h×nh hµm chuyÓn ®æi song song cã mét sù gi¶i thÝch thó vÞ. Víi m« h×nh nµy tû lÖ cña lîng ma hiÖu qu¶ chuyÓn qua ®êng dÉn dßng ch¶y nhanh lµ b'Qn. Kh«ng gi¶i thÝch qu¸ nhiÒu vÒ qu¸ tr×nh liªn quan, ®iÒu nµy cã thÓ suy ra nh mét biÓu diÔn cña hµm diÖn tÝch ®ãng gãp cho ph¶n øng nhanh trong lu vùc, liÖu ph¶n øng nhanh cã ph¶i do qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt hoÆc s¸t mÆt kh«ng. DiÖn tÝch ®ãng gãp t¨ng víi lu lîng cho tÊt c¶ n>0. H×nh 4.4. S¬ ®å khèi cuèi cïng cña m« h×nh luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh C16 sö dông trong dù b¸o cña h×nh 4.3. (Young vµ Beven 1994). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited H×nh 4.5. VÝ dô cña lu lîng quan tr¾c vµ dù b¸o cho lu vùc C16 ë Llyn Briane sö dông m« h×nh luËt luü thõa víi n=0.628. (Young vµ Beven 1994). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña John Wiley & Sons Limited MÆc dï cã mét sè lu ý, ph¬ng ph¸p nµy cßn yªu cÇu ®¸nh gi¸ tiÕp theo v× nã kh«ng cã tÝnh râ rµng cña ph¶n øng mïa ngo¹i trõ ®Õn khi nã ®îc ph¶n ¸nh trong läc diÖn tÝch ®ãng gãp dùa trªn lu lîng. Trong ¸p dông kh¸c cña m« h×nh song tuyÕn tÝnh cho s«ng Conning ë Austrlia Young vµ nnk (997) ®· chØ ra r»ng ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ gi¶i thÝch 95,8% cña ph¬ng sai lu lîng ngµy trong thêi kú 2 n¨m, bao gåm c¶ mïa hÌ kh« h¹n. Mét phÊn sè liÖu ®îc t¸ch ra ®Ó kiÓm tra tÝnh phï hîp m« h×nh cho 2 n¨m sè liÖu tiÕp theo ®· ®a ®Õn hÇu hÕt lµ phï hîp tèt (88,9 vµ 92,4%). M« h×nh IHACRES ®· tÝnh to¸n ®é kh« vµ ít mïa b»ng c¸ch ®a vµo biÕn nhiÖt ®é nh lµ ®Çu vµo cho thµnh phÇn läc ma hiÖu qu¶ phi tuyÕn. Young vµ Beven (1994) trong vÝ dô thø 2 cña m« h×nh ho¸ lu lîng ngµy cho 1 trong c¸c lu vùc Coweeta còng chØ ra r»ng nhiÖt ®é cã thÓ dïng nh lµ biÕn ®¹i diÖn ®Ó c¶i thiÖn ®é chÝnh x¸c cña m« h×nh thêi kú dµi h¬n. 4.5. PhÇn mÒm TFM 103
Mét trong c¸c phÇn mÒm giíi thiÖu ë phô lôc A lµ TFM cung cÊp mét thùc hµnh cña ph¬ng ph¸p m« h×nh hµm chuyÓn ®æi m« t¶ ë trªn. Nã ®îc thiÕt lËp riªng cho m« h×nh ma-dßng ch¶y trong thêi kú sè liÖu ng¾n vµ bao gåm 2 d¹ng kh¸c nhau cña läc ma hiÖu qu¶ còng nh mét thuËt to¸n cho cÊu tróc hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh vi ph©n phï hîp. 2 ph¬ng ph¸p läc lµ xÊp xØ lîng tr÷ trong ®Êt t¬ng tù nh m« h×nh IHACRES nhng kh«ng cã sù bæ sung nhiÖt ®é vµ xÊp xØ quy luËt luü thõa song tuyÕn tÝnh cña ph¬ng ph¸p c¬ häc, dùa trªn sè liÖu cña Young vµ Beven. Bé sè liÖu kiÓm tra cung cÊp lµ sè liÖu cña trêng hîp nghiªn cøu lu vùc C16. 4.6. C¸c hµm phi tuyÕn vµ chuyÓn ®æi nhiÒu ®Çu vµo M« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh ®Çu vµo ®¬n gi¶n m« t¶ ë trªn nãi chung lµm viÖc tèt nÕu sè liÖu s½n cã cho viÖc hiÖu chØnh, mÆc dï nÕu d¹ng cña hµm chuyÓn ®æi kh«ng ®îc phÐp phøc t¹p cho viÖc hiÖu chØnh, m« h×nh ®· x¸c ®Þnh thêng kh«ng cã d¹ng song song lu ý ë trªn. Còng râ rµng lµ ®é bÊt ®Þnh nµo ®ã vÒ d¹ng xÊp xØ cña läc phi tuyÕn ®îc dïng ®Ó khëi t¹o lîng ma hiÖu qu¶ ®îc diÔn to¸n qua hµm chuyÓn ®æi. Quan t©m sím h¬n vÒ tÝnh tuyÕn tÝnh cña ph¶n øng thuû v¨n rót ra tõ mét sè nç lùc ®Ó t¹o ra mét hµm chuyÓn ®æi phi tuyÕn (vÝ dô Amorocho vµ Brandstetter, 1971; Diskin vµ Bonch, 1973). C¸c nç lùc sím nµy dùa trªn viÖc sö dông chuçi Voltera (còng xem c¸c nghiªn cøu gÇn ®©y cña Ahsan vµ O’connor 1994, G.C.Liang vµ nnk 1994). GÇn ®©y h¬n, mét ph¬ng ph¸p luËn míi dùa vµo viÖc më réng ph©n lo¹i c¸c m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t thµnh trêng hîp phi tuyÕn b»ng sö dông m« h×nh NARMAX (trung b×nh trît tù håi quy phi tuyÕn víi c¸c ®Çu vµo ngo¹i sinh) ®· ®îc ¸p dông cho c¸c bµi to¸n thuû v¨n. Tabrizi vµ nnk (1998) giíi thiÖu m« h×nh NARMAX cã thÓ ¸p dông nh thÕ nµo cho c¶ trêng hîp ®Çu vµo ®¬n vµ ®Çu vµo béi. Mét c¸ch kh¸c cña sù bæ sung bµi to¸n phi tuyÕn díi d¹ng c¸c th«ng sè hµm chuyÓn ®æi biÕn thêi gian hoÆc kh«ng dõng (xem hép 4.3). §©y lµ ph¬ng ph¸p cÇn thiÕt øng dông trong chiÕn lîc m« h×nh DBM m« t¶ ë trªn, ë ®ã hµm luü thõa ®îc dïng ®Ó gãi gän sù biÕn ®æi th«ng sè ®· kh¶o s¸t b»ng ph©n tÝch biÕn thêi gian. T¸c phÈm kh«ng c«ng bè gÇn ®©y cña Peter Young dùa trªn ¸p dông lµm tr¬n kho¶ng cè ®Þnh cho c¸c tung ®é lu lîng lùa chän gîi ý r»ng cã kh¶ n¨ng ®Ó läc phi tuyÕn cña c¸c trËn ma phøc t¹p h¬n trong t¬ng lai. Mét vÊn ®Ò kh¸c ®ang tiÕp tôc trong m« h×nh TFM lµ sö dông chuçi ®Çu vµo ma béi trong m« h×nh ho¸ lu lîng, rót ra tõ nhiÒu tr¹m ®o ma trªn lu vùc hoÆc tõ sè liÖu ma ra®a. C¸c hµm chuyÓn ®æi ®Çu vµo ma béi ®· ®îc ®Ò nghÞ, ch¼ng h¹n, bëi G.C.Liang vµ nnk (1994). Mét vÊn ®Ò chÝnh víi c¸c ph¬ng ph¸p nµy lµ t¬ng quan mong ®îi trong sè c¸c ®Çu vµo béi. Trong trêng hîp chung cã thÓ kh«ng cã phÐp gi¶i duy nhÊt cho bµi to¸n ®Çu vµo béi - ®Çu ra ®¬n (Cooper vµ Wood 1982) vµ x¸c ®Þnh th« c¸c gi¸ trÞ th«ng sè lµ khã kh¨n. Mét c¸ch gi¶i cho bµi to¸n nµy ®îc ®Ò nghÞ bëi Cooper vµ Wood 1982) sö dông t¬ng quan chÝnh t¾c ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc m« h×nh thÝch hîp vµ íc lîng ®é h÷u hiÖu ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè yªu cÇu. 4.7. Suy diÔn vËt lý cña hµm chuyÓn ®æi 104
Trong 2 môc tríc hµm chuyÓn ®æi ®îc lµm phï hîp víi sè liÖu b»ng m« h×nh tuyÕn tÝnh tæng qu¸t ph¸t triÓn trong hép 4.1. Dï sao, cã thÓ ph¸t triÓn hµm chuyÓn ®æi dùa trªn d¹ng cña lu vùc trong c¸ch t¬ng tù nh gi¶i thÝch ®å thÞ thêi gian- diÖn tÝch cña Clack (1945) cña ®êng ®¬n vÞ. Chóng ta sÏ xem xÐt 2 d¹ng gÇn ®©y nhÊt cña hµm chuyÓn ®æi dùa trªn d¹ng lu vùc, mét dùa trªn hµm ®é réng líi s«ng, d¹ng kh¸c lµ ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o. Dï sao, lu ý r»ng c¶ 2 ph¬ng ph¸p nµy chØ viÕt vÒ vÊn ®Ò diÔn to¸n mµ kh«ng nãi bao nhiªu lîng ma ®Ó diÔn to¸n. Nh vËy, c¶ 2 yªu cÇu íc lîng tríc cña lîng ma hiÖu qu¶ nhng cã thÓ sö dông sù ®a d¹ng cña m« h×nh ma hiÖu qu¶ ®a ra trong ch¬ng 2 vµ bé läc phi tuyÕn m« t¶ ë phÇn tríc ch¬ng nµy. Trong khÝa c¹nh nµy chóng lµ ®êng ®¬n vÞ cæ ®iÓn theo truyÒn thèng. 4.7.1. Sö dông hµm ®é réng líi s«ng DiÔn biÕn dßng ch¶y trªn lu vùc lµ hµm cña c¶ ph¶n øng sên dèc vµ lßng s«ng. C«ng tr×nh cña Kirtby (1976), Beven vµ Wood (1993) ®· giíi thiÖu thêi gian trÔ trong lu vùc nhá cã u thÕ nh thÕ nµo ®Õn diÔn to¸n cña dßng ch¶y mÆt vµ s¸t mÆt trªn sên dèc, trong khi ë lu vùc lín diÔn to¸n trong líi s«ng ®ãng vai trß u tiªn quan träng ®Õn h×nh d¹ng thñy ®å, ®Æc biÖt qua ®iÒu kiÖn trµn b·i. NÕu ®Çu vµo dßng ch¶y sên dèc cho líi s«ng ®îc m« t¶ däc theo tõng ®o¹n cña líi s«ng th× Ýt nhÊt trong lu vùc lín h×nh d¹ng thuû ®å sÏ ph¶n ¸nh d¹ng cña líi. §©y lµ hËu thuÉn lý tëng sö dông hµm ®é réng líi s«ng ®Ó suy ra hµm chuyÓn ®æi cho dßng ch¶y trong líi s«ng. Hµm ®é réng líi s«ng ®îc h×nh thµnh bëi tÝnh sè ®o¹n s«ng ë kho¶ng c¸ch nhËn ®îc tõ cöa ra lu vùc (xem h×nh 4.6). H×nh d¹ng líi s«ng kh¸c nhau sÏ ®a ®Õn hµm ®é réng kh¸c nhau. Díi gi¶ thiÕt tèc ®é sãng kh«ng ®æi trong líi s«ng (kh«ng cã ý r»ng tèc ®é ph¶i kh«ng ®æi ë mäi n¬i, xem Beven 1979 vµ môc m« h×nh sãng ®éng häc cña dßng ch¶y s¸t mÆt trong ch¬ng 5) hµm ®é réng cã thÓ dïng trùc tiÕp nh mét hµm chuyÓn ®æi ®Ó diÔn to¸n ®Çu vµo dßng ch¶y ®i vµo kªnh. D¹ng nµy cña thuËt to¸n diÔn to¸n ®· ®îc sö dông, ch¼ng h¹n, trong phÇn mÒm TOPMODEL cña ch¬ng 6. Nã cã u ®iÓm lµ nã yªu cÇu chØ hµm ®é réng líi s«ng cã thÓ suy ra trùc tiÕp tõ b¶n ®å hoÆc sè liÖu ®Þa h×nh sè vµ mét th«ng sè ®¬n gi¶n, tèc ®é sãng trong s«ng. Nhîc ®iÓm cña nã lµ kh«ng xö lý têng minh diÔn to¸n trªn sên dèc vµ truyÒn h×nh d¹ng cña hµm ®é réng vµo trong diÔn to¸n dßng ch¶y ®Õn cöa ra lu vùc v× cho mét ®¬n vÞ ®Çu vµo mäi chç däc theo kªnh, h×nh d¹ng cña thñy ®å kÕt qu¶ sÏ ph¶n ¸nh trùc tiÕp hµm ®é réng. §iÒu nµy dÜ nhiªn bÞ che khuÊt nÕu cÊu tróc kh¸c nhau cña dßng ch¶y ®îc s¶n sinh tõ nh÷ng phÇn kh¸c nhau cña lu vùc. C¶ 2 giíi h¹n nµy cã thÓ ®îc gi¶m nhÑ. Kh«ng khã kh¨n trong ph©n tÝch sè liÖu ®Þa h×nh sè ho¸ ®Ó suy ra kho¶ng c¸ch ®Õn s«ng gÇn nhÊt cho mçi ®iÓm trªn sên dèc lu vùc. §Ó d¹ng tiÕp cËn nµy cã thÓ më réng ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y mÆt (Ýt nhÊt) cho s«ng, cã lÏ ph¶i dïng tèc ®é kh¸c. Thø 2 lµ, Mesa vµ Miffin (1986) vµ Na®en (1992) ®· chØ ra r»ng thuËt to¸n diÔn to¸n khuÕch t¸n trong mçi ®o¹n cã thÓ thùc hiÖn t¬ng ®èi dÔ dµng b»ng viÖc ®a thªm vµo mét th«ng sè. 105
H×nh 4.6. (a) Líi vµ (b). Hµm ®é réng líi s«ng cña lu vùc s«ng Hodder (250km2) V¬ng quèc Anh (Beven vµ Wood 1993). T¸i t¹o víi sù cho phÐp cña cña John Wiley & Sons Limited ThuËt to¸n hµm ®é réng líi s«ng khuÕch t¸n còng ®¹t ®îc mét sù phæ biÕn gÇn ®©y, bªn trong lÜnh vùc thñy v¨n quy m« lín cho phÐp diÔn to¸n dßng ch¶y ë quy m« ch©u lôc trong hiÖu qu¶ tÝnh to¸n. M« h×nh cña Naden (1993) ¸p dông cho c¸c lu vùc Amazon vµ Arkansas-Red sö dông ®Çu vµo t¹o ra GCM bëi Naden vµ nnk (1999). Nã còng bao gåm nh mét thµnh phÇn cña m« h×nh quy m« lín th¶o luËn ë ch¬ng 9. ë quy m« nµy nãi chung cÇn ph¶i íc lîng th«ng sè diÔn to¸n yªu cÇu bëi m« h×nh. Cho mét kªnh ®Òu, tèc ®é sãng hiÖu qu¶ C vµ th«ng sè ph©n t¸n D, cã thÓ lËp quan hÖ gÇn ®óng víi c¸c ®Æc trng dßng ch¶y t¹i 1 ®iÓm nh sau: 3 C v0 (4.5) 2  F02  q0 1   D (4.6)  4 2S 0   trong ®ã v0 lµ tèc ®é trung b×nh ë mét lu lîng tham chiÕu q0, trong kªnh ®é dèc ®¸y S0 vµ sè Frut F0. Trong lu vùc lín, c¸c ®Æc trng lu lîng vµ kÝch thíc kªnh sÏ thay ®æi theo dßng ch¶y. C«ng tr×nh cña Snell vµ Sivapalan (1995) vµ Robinson vµ nnk (1995) chØ ra gi¸ trÞ hiÖu qu¶ cho c¸c th«ng sè nµy trªn hÇu hÕt líi s«ng cã thÓ liªn hÖ nh thÕ nµo t¹i mét vÞ trÝ vµ h×nh d¹ng thñy lùc h¹ lu cña kªnh. ¦íc lîng th«ng sè ®îc coi lµ rÊt gÇn ®óng vµ c«ng tr×nh tiÕp theo cÇn ®¸nh gi¸ thñ tôc diÔn to¸n vµ c¶i 106
tiÕn chóng b»ng c¸ch tÝnh ®Çy ®ñ sù biÕn ®æi cña th«ng sè bªn trong c¸c líi s«ng lín nµy. 4.7.2. §êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o (GUH) H×nh 4.7. S¬ ®å ph©n cÊp cña m¹ng s«ng khi sö dông trong suy diÔn ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o Liªn quan ®Õn viÖc sö dông hµm ®é réng líi s«ng nh mét hµm chuyÓn ®æi lµ kh¸i niÖm ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o. ý tëng nµy ®îc ®a ra lÇn ®Çu bëi Iguacio Rodriguez-Iturbe trong mét lo¹t c¸c bµi b¸o (tãm t¾t trong Rodriguez-Iturbe 1993) kh¶o s¸t liªn kÕt nh©n - qu¶ gi÷a d¹ng sên dèc, s¶n sinh dßng ch¶y, ®é che phñ kªnh vµ ph¸t triÓn líi s«ng. Líi lµ sù ph¶n ¸nh c¬ chÕ s¶n sinh dßng ch¶y cña sên dèc ho¹t ®éng trong mét thêi kú dµi nhng sù ph¸t triÓn líi s«ng cã ¶nh hëng båi dìng trë l¹i d¹ng sên dèc vµ s¶n sinh dßng ch¶y sau ®ã. C¸c liªn kÕt ®Þa m¹o nµy ®a ®Õn sù ®Òu ®Æn cña cÊu tróc h×nh d¹ng lu vùc vµ cã thÓ ®a u ®iÓm cña sù ®Òu ®Æn nµy vµo dù b¸o dßng ch¶y. Sù ®Òu ®Æn ®· ®îc nghiªn cøu bëi c¸c nhµ ®Þa m¹o cho mét thêi gian dµi vµ ®· ®îc tãm t¾t trong quy luËt Horton diÔn t¶ c¸c quan hÖ mong ®îi gi÷a sè lîng s«ng, diÖn tÝch thîng lu, ®é dµi vµ ®é dèc s«ng cho c¸c cÊp s«ng kh¸c nhau; trong hÖ th«ng ph©n cÊp Strahler, s«ng cÊp 1 lµ s«ng kh«ng cã ®iÓm hîp lu thîng lu (mét liªn kÕt ngoµi trªn líi), s«ng cÊp 2 lµ s«ng h×nh thµnh bëi sù hîp lu cña 2 s«ng cÊp 1 (t¹o ra mét liªn kÕt trong ) vµ v.v... (h×nh 4.7) §êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o khi ®ã ®îc ph¸t triÓn bëi xem xÐt x¸c suÊt ®ãng gãp cña “h¹t ma” vµo dßng s«ng ë cÊp ®a ra vµ xem xÐt “ph©n bè thêi gian lu gi÷” cho c¶ sên dèc vµ dßng s«ng ë mçi cÊp. PhÇn quan träng cña lý thuyÕt lµ c¸ch trong ®ã nã sö dông luËt Horton ®Ó x¸c ®Þnh x¸c suÊt cña h¹t ®ãng gãp vµo mçi cÊp cña dßng s«ng vµ liªn kÕt víi c¸c s«ng thuéc cÊp kh¸c nhau. VÝ dô, s«ng cÊp 3 sÏ cã mét ®ãng gãp trùc tiÕp nµo ®ã tõ sên dèc ®Þa ph¬ng, mét ®ãng gãp tõ c¸c s«ng cÊp 2 cung cÊp cho nã tõ thîng lu vµ kh¶ n¨ng ®ãng gãp tõ c¸c s«ng cÊp 1 bæ sung. Hoµn thiÖn lý thuyÕt lµ phøc t¹p vµ phô thuéc vµo chÊp nhËn mét sè gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n vÒ sù ph©n bè thêi gian lu gi÷ cho dÔ xö lý to¸n häc. Nh vËy, b¾t ®Çu tõ Rodriguez-Iturbe vµ Vandes (1979) cã nh÷ng nç lùc ®¬n gi¶n kÕt qu¶ dù b¸o trong d¹ng hµm cña ®êng ®¬n vÞ. Hä 107
rót ra biÓu thøc cho thêi gian lò lªn vµ ®Ønh lò cña ®êng ®¬n vÞ tam gi¸c. Rosso (1984) lµm nh thÕ cho hµm mËt ®é x¸c suÊt Gama (nghÜa lµ d¹ng to¸n häc cña bÓ chøa bËc thang Nash th¶o luËn ë môc 2.3). Sau ®ã Chutha vµ Dooge (1990) chØ ra r»ng tÊt c¶ c¸c d¹ng cña GUH gi¶ thiÕt mét thêi gian lu gi÷ d¹ng hµm mò cho mçi ®o¹n s«ng cña m¹ng ph¶i díi c¸c gi¶ thiÕt ®Þa m¹o sinh ra c¸c GUH kÕt thóc trong d¹ng ph©n bè Gama. Nh¾c l¹i r»ng ®êng ®¬n vÞ ph©n bè Gama ®îc x¸c ®Þnh b»ng 2 th«ng sè N vµ K (ph¬ng tr×nh 2.2), ë ®©y trong bÓ chøa bËc thang Nash N lµ sè bÓ chøa tuyÕn tÝnh trong chuçi (nã kh«ng cÇn lµ mét sè nguyªn), mçi bÓ cã h»ng sè thêi gian K. Rosso (1984) chØ ra r»ng 2 th«ng sè N vµ K cã liªn hÖ víi cÊu t¹o ®Þa m¹o cña líi kªnh nh: 0 , 78 R  RL ,07 0 N  3,29  A  (4.7)  RB  vµ 0, 48 R  L v 1 K  0.70 A  (4.8)  RB RL  trong ®ã RB lµ tû sè ph©n nh¸nh cña líi vµ b»ng tû sè cña sè s«ng cÊp  cho sè s«ng cÊp  +1, RA lµ tû sè diÖn tÝch cña líi vµ b»ng tû sè cña diÖn tÝch lu vùc trung b×nh cña s«ng cÊp  vµ cÊp  +1, RL lµ tû sè ®é dµi cña líi vµ b»ng tû sè ®é dµi trung b×nh cña s«ng cÊp  vµ cÊp  +1, L lµ ®é dµi cña s«ng cÊp cao nhÊt vµ v lµ tèc ®é trung b×nh dßng s«ng. HiÖn nay cã nhiÒu nghiªn cøu sö dông GUH trong c¸c t×nh huèng dù b¸o kh¸c nhau tõ dù b¸o thñy ®å, dù b¸o tÇn suÊt lò, dù b¸o vËn chuyÓn chÊt « nhiÔm, dù b¸o t¸c ®éng cña biÕn ®æi khÝ hËu vµ dù b¸o hiÖu suÊt bïn c¸t lu vùc (tãm t¾t cã Ých cã thÓ t×m ®îc trong Rodriguez-Iturbe 1993, Rodriguez-Iturbeb vµ Rinando 1997). Lu ý r»ng còng nh tû sè diÖn tÝch vµ ®é dµi ph©n nh¸nh cña líi s«ng, cã 1 th«ng sè tèc ®é ®Ó hiÖu chØnh trong cïng mét ph¬ng ph¸p mµ tiÕp cËn hµm ®é réng líi s«ng tèc ®é kh«ng ®æi cña phÇn tríc còng yªu cÇu mét th«ng sè tèc ®é ®îc x¸c ®Þnh. §iÒu nµy nãi chung ®îc hiÖu chØnh b»ng sè liÖu ma hiÖu qu¶ vµ thñy ®å ma nhng gi¸ trÞ ®îc suy ra phô thuéc vµo c«ng thøc cña GUH sö dông. Al-Waglang vµ Rao (1998), ch¼ng h¹n, ®· chØ ra r»ng hiÖu chØnh cho 3 c«ng thøc kh¸c nhau cña GUH lµ kh¸c nhau nhng c¸c gi¸ trÞ tèc ®é cã t¬ng quan. Thùc tÕ, líi s«ng ®Çy ®ñ b©y giê cã thÓ suy ra dÔ dµng tõ sè liÖu GIS hoÆc sè ho¸, h×nh nh nã kh«ng cã nhiÒu u thÕ biÓu thÞ líi trong tû sè ®Þa m¹o cña nã h¬n lµ sö dông cÊu tróc líi ®Çy ®ñ. Mét sè th«ng tin chi tiÕt vÒ líi sÏ bÞ mÊt trong tû sè GUH v× luËt Horton chØ lµ mét quan hÖ gÇn ®óng. Beven (1986a) ®· th¶o luËn sö dông ph¬ng ph¸p hµm ®é réng líi nh mét thay thÕ cho ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o (còng xem Naden 1992, Naden vµ nnk 1999). Sau ®ã Gandolfi vµ nnk (1999) ®· sö dông ph¬ng ph¸p tam gi¸c ®Ó ph©n bè diÖn tÝch ®ãng gãp cho líi s«ng nh lµ c¬ së cho m« h×nh diÔn to¸n. Nash vµ Shamseldin (1998) gÇn ®©y nhÊt ®· gîi ý r»ng gi¶ thiÕt thêi gian lu gi÷ cña ph¬ng ph¸p GUH cã thÓ thu hÑp qu¸ møc d¹ng cña ®êng ®¬n vÞ vµ ®iÒu nµy ®îc thªm vµo mét Ýt b»ng tû sè ®Þa m¹o cho ®êng ®¬n vÞ hå chøa bËc thang Nash gèc. Hä gîi ý r»ng lý thuyÕt GUH ph¶i 108
®îc xem xÐt nh gi¶ thiÕt kh«ng ®îc kiÓm tra ®Çy ®ñ. 4.8. Sö dông m« h×nh hµm chuyÓn ®æi trong dù b¸o lò Dù b¸o lò lµ mét trong nh÷ng ¸p dông quan träng nhÊt cña m« h×nh ma-dßng ch¶y. Dù b¸o lò yªu cÇu c¸c quyÕt ®Þnh ®îc lµm lµ liÖu c¸c c¶nh b¸o lò cã ®îc ph¸t ra trªn c¬ së sè liÖu thu nhËn tõ c¸c tr¹m ma, h×nh ¶nh ma ra®a vµ tr¹m dßng ch¶y, vµ dù b¸o m« h×nh nh sù kiÖn x¶y ra trong “thêi gian thùc” kh«ng. §iÒu yªu cÇu lµ c¸c dù b¸o vµ c¶nh b¸o nµy ®îc lµm cµng chÝnh x¸c vµ cµng xa vÒ phÝa tríc hay thêi gian dù kiÕn lín nhÊt cã thÓ ®îc. Chóng ta cã thÓ dïng m« h×nh cho c¸c dù b¸o ®· ®îc hiÖu chØnh trªn bé sè liÖu lÞch sö nhng chóng ta thêng thÊy r»ng suèt mét trËn lò c¸c dù b¸o m« h×nh cña mùc níc vµ lu lîng s«ng sÏ b¾t ®Çu lÖch khái c¸c gi¸ trÞ nhËn ®îc trùc tiÕp ë c¬ quan dù b¸o lò tõ c¸c tr¹m ®o tõ xa. Nh vËy trong bÊt kú t×nh huèng dù b¸o lò nµo ®iÒu cã lîi lµ cã c¸c ph¬ng ph¸p cho phÐp cËp nhËt thêi gian thùc cña dù b¸o nh sù tiÕn triÓn cña sù kiÖn, vµ ®a ra mét chØ dÉn c¸c dù b¸o cã thÓ bÊt ®Þnh nh thÕ nµo? Ph¬ng ph¸p dù b¸o dùa trªn m« h×nh hµm chuyÓn ®æi lµ thÝch hîp lý tëng cho c¸c yªu cÇu nµy vµ ®· ®îc chÊp nhËn hoµn toµn réng r·i (vÝ dô Moore vµ nnk 1996, Sempere Torres vµ nnk (1992), Cluckie1993). Mét sè ¸p dông ®îc ®a ra bëi Lees vµ nnk (1994) ®· m« t¶ sù thùc hiÖn hÖ thèng dù b¸o lò cho thÞ trÊn Dumfries trªn s«ng Nith ë Scotland, ®îc m« t¶ chi tiÕt h¬n nh trêng hîp nghiªn cøu trong ch¬ng 8. 4.9. M« h×nh ma-dßng ch¶y kinh nghiÖm dùa trªn kh¸i niÖm m¹ng thÇn kinh Mét sù thay thÕ vµ tiÕp cËn gÇn ®©y cho m« h×nh ma-dßng ch¶y lµ sö dông m¹ng H×nh 4.8. CÊu tróc cña m¹ng thÇn kinh chØ ra c¸c nót ®Çu vµo ®Çu ra vµ líp ®¬n cña c¸c nót Èn. Mçi liªn kÕt liªn hÖ víi Ýt nhÊt mét hÖ sè (cã thÓ b»ng 0) 109
H×nh 4.9. ¸p dông m¹ng thÇn kinh cho m« h×nh ho¸ ma-dßng ch¶y cho dù b¸o lò lu vùc s«ng Tgliamento, B¾c Italya (1950km2) Thêi gian dù kiÕn 1, 3, 5h dùa trªn sè liÖu ®Çu vµo cña ma trÔ tõ 5 vÞ trÝ trªn 15 bíc thêi gian tríc vµ lu lîng tõ 5 bíc thêi gian tríc ®ã (Campolo vµ nnk 1999). T¸i t¹o tõ Nghiªn cøu tµi nguyªn níc 35: 1191-1197, XuÊt b¶n bëi Héi ®Þa vËt lý Mü thÇn kinh nh©n t¹o. M¹ng thÇn kinh b¾t nguån tõ nghiªn cøu trong trÝ tuÖ nh©n t¹o nh cè g¾ng ®¬n gi¶n ®Ó b¾t chíc sù lµm viÖc cña bé n·o trong d¹ng cña c¸c nót liªn kÕt bëi c¸c n¬ron. M¹ng thÇn kinh nh©n t¹o ®¬n gi¶n nhÊt liªn hÖ mét tÝn hiÖu ®Çu vµo (ë ®©y chóng ta quan t©m c¸c ®Çu vµo bao gåm ®o ®¹c ma vµ dßng ch¶y qu¸ khø) víi mét tÝn hiÖu ®Çu ra (lu lîng hiÖn thêi hoÆc t¬ng lai) b»ng trung b×nh cña chuçi hµm träng sè, cã thÓ chøa sè c¸c líp nót liªn kÕt bªn trong, bao gåm c¸c “líp Èn” trung gian (h×nh 4.8). Mét sè ¸p dông ®· sö dông hµm läc bæ sung (hµm chuyÓn ®æi ®¬n gi¶n c¬ b¶n) cho mçi nót trong líp Èn, sao cho ®Çu ra còng phô thuéc vµo d¹ng vµ th«ng sè ho¸ c¸c hµm nµy. Mét sù ®a d¹ng cña c¸c kü thuËt lµ s½n cã ®Ó x¸c ®Þnh mét cÊu tróc m« h×nh gÇn ®óng vµ c¸c träng sè trªn mét tËp hîp luyÖn cña sè liÖu ®Çu vµo vµ ®Çu ra. Cã mét sù t¬ng tù gi÷a träng sè m¹ng thÇn kinh vµ c¸c th«ng sè cña c¸c tiÕp cËn m« h×nh kh¸c, gi÷a bé luyÖn vµ mét thêi kú chóng ta gäi tríc cña sè liÖu hiÖu chØnh. Lµm viÖc trong m¹ng thÇn kinh thêng kh«ng thÊy sù t¬ng tù nµy, nhng ®iÒu cã lîi lµ mét trong sè ®ã nh lµ sù t¨ng th«ng sè ®a ®Õn nhiÒu bËc tù do h¬n trong hiÖu chØnh, nhng cã thÓ ®a ®Õn mét sù vît th«ng sè ho¸ víi sù chó ý ®Õn th«ng tin trong bé sè liÖu cña m¹ng thÇn kinh. Mét sù t¨ng sè líp Èn, sè nót vµ liªn kÕt bªn trong còng sÏ dÉn ®Õn nhiÒu bËc tù do h¬n trong sù phï hîp cña tËp hîp luyÖn còng nh víi kh¶ n¨ng vît th«ng sè ho¸. Mét sè nghiªn cøu cña bµi to¸n ma-dßng ch¶y sö dông m¹ng thÇn kinh ®· ®îc c«ng bè (vÝ dô Lek vµ nnk 1996, Minn vµ Hall 1996, Dawson vµ Wilby 1998), Fernando vµ Jayawardena 1998, Tokar vµ Johnson1999). PhÇn lín c¸c m« h×nh nµy ®· ®îc t¹o ra cho dù b¸o N bíc vÒ phÝa tríc h¬n lµ m« pháng mét thêi kú dµi. Sù 110
s½n cã cña sè liÖu lu lîng vµ mùc níc thêi kú tríc nh ®Çu vµo cho m¹ng thÇn kinh lµ quan träng nhÊt cho thµnh c«ng cña c¸c m« h×nh nµy v× nã cho phÐp mét sè qu¸ tr×nh ma-dßng ch¶y phi tuyÕn ®îc ph¶n ¸nh trong m¹ng cho mét dù b¸o h¹n ng¾n. Campolo vµ nnk (1999) sö dông m¹ng thÇn kinh dùa vµo ®Çu vµo ma vµ lu lîng béi ®a ra mét thùc hiÖn tèt víi thêi gian dù kiÕn 5h cho lu vùc Tagliamento 2480km2 ë Italia (H×nh 4.9). Trong dù b¸o m« h×nh m¹ng thÇn kinh còng sö dông theo cïng mét c¸ch nh hµm chuyÓn ®æi ®Ó dù b¸o mùc níc hoÆc lu lîng h¹ lu s«ng khi cho tríc sè liÖu thîng lu (vÝ dô Thirumalaiah vµ Deo 1998). Mét nghiªn cøu ®· dïng m¹ng thÇn kinh ®Ó dù b¸o ®Ønh lò víi thêi kú lÆp l¹i 2 n¨m cho lu vùc kh«ng ®o ®¹c nh sù thay thÕ cho ph¬ng ph¸p håi quy béi. Vît th«ng sè ho¸ cña m« h×nh m¹ng thÇn kinh liªn quan ®Õn th«ng tin trong bé luyÖn lµ mét kh¼ng ®Þnh víi d¹ng m« h×nh nµy (nh mét m« h×nh kinh nghiÖm bÊt kú). Sù nguy hiÓm cña vît th«ng sè ho¸ lµ nãi chung nã sÏ ®a ®Õn mét ®é bÊt ®Þnh lín trong dù b¸o hoÆc ngo¹i suy, ®Æc biÖt trong dù b¸o hoÆc ngo¹i suy bªn ngoµi ph¹m vi cña tËp hîp luyÖn hoÆc hiÖu chØnh. Mét sù phï hîp tèt cho bé luyÖn kh«ng ®¶m b¶o mét kÕt qu¶ tèt trong dù b¸o khi ®iÒu kiÖn ®i ra ngoµi ph¹m vi cña tËp hîp luyÖn. 4.10. C¸c ®iÓm kho¸ tõ ch¬ng 4  Ch¬ng nµy ®· ®Ò cËp ®Õn m« h×nh ho¸ cho qu¸ tr×nh ma-dßng ch¶y trùc tiÕp suy ra tõ sè liÖu mµ kh«ng xem xÐt râ rµng cña qu¸ tr×nh liªn quan.  Quan hÖ kinh nghiÖm dùa trªn ph©n tÝch håi quy ®· ®îc sö dông réng r·i trong nghiªn cøu dù b¸o thuû v¨n. Quan hÖ håi quy thêng ®îc kÕt hîp víi mét íc lîng ®é bÊt ®Þnh liªn quan ®Õn c¸c dù b¸o cña c¸c biÕn phô thuéc.  Kü thuËt hµm chuyÓn ®æi hiÖn ®¹i, mét më réng cña ph¬ng ph¸p ®êng ®¬n vÞ cã thÓ sö dông ®Ó suy ra c¸c th«ng sè quy m« lu vùc trùc tiÕp dùa trªn ph©n tÝch c¸c quan tr¾c. Kü thuËt hµm chuyÓn ®æi yªu cÇu sù biÕn ®æi phi tuyÕn cña ma vµ kÕt qu¶ sÏ phô thuéc vµo d¹ng chuyÓn ®æi chÊp nhËn. Trong ph¬ng ph¸p c¬ häc dùa trªn sè liÖu cña Young vµ Beven (1994) mét tiÕp cËn phøc t¹p cho cÊu tróc m« h×nh ®îc chÊp nhËn trong ®ã íc lîng th«ng sè biÕn thêi gian ®îc sö dông ®Ó gîi ý mét d¹ng chuyÓn ®æi phi tuyÕn.  C¸c hµm chuyÓn ®æi kÕt qu¶ thêng lµ trong d¹ng song song, víi mét ®êng dÉn dßng ch¶y nhanh vµ mét ®êng dÉn dßng ch¶y chËm. §iÒu nµy kh«ng bao hµm trùc tiÕp bÊt kú gi¶i thÝch nµo trong d¹ng qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµ ph©n tÝch ®é nh¹y chØ ra r»ng íc lîng tû lÖ lîng ma hiÖu qu¶ ®i theo mçi ®êng dÉn cã thÓ lµ ®èi tîng cho ®é bÊt ®Þnh ®¸ng kÓ.  Hµm chuyÓn ®æi cã thÓ trùc tiÕp suy ra tõ cÊu tróc líi s«ng trong lu vùc. Sö dông hµm ®é réng líi s«ng vµ ®êng ®¬n vÞ ®Þa m¹o ®· ®îc th¶o luËn. C¶ 2 chØ nãi ®Õn vÊn ®Ò diÔn to¸n vµ íc lîng lîng ma hiÖu qu¶.  C¸c ph¬ng ph¸p m« h×nh ma-dßng ch¶y dùa trªn sè liÖu kh¸c bao gåm c¶ m¹ng thÇn kinh liªn hÖ ®Çu vµo víi ®Çu ra. M« h×nh m¹ng thÇn kinh ®«i khi cã thÓ coi nh hµm chuyÓn ®æi nhng v× kh¶ n¨ng cña mét sè lín c¸c träng sè (c¸c th«ng sè) 111
®îc x¸c ®Þnh cho tÊt c¶ c¸c liªn kÕt m¹ng, ph¬ng ph¸p nµy kh«ng cã thÓ ®¹t chÝnh x¸c khi dù b¸o ra ngoµi ph¹m vi mµ víi nã lý thuyÕt ®· ®îc ph¸t triÓn. Hép 4.1. M« h×nh hµm chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh Khèi x©y dùng: BÓ chøa tuyÕn tÝnh bËc 1. Mét bÓ chøa tuyÕn tÝnh lµ mét phÇn tö m« h×nh mµ ®Çu ra ®· dù b¸o: Q(L3T-1), tû lÖ trùc tiÕp víi lîng tr÷ S [L3] (xem h×nh B4.1.1). Nh vËy gi¶ thiÕt: (4.9) Q  S /T ë ®©y: T[T] lµ th«ng sè t¬ng ®¬ng víi thêi gian duy tr× trung b×nh cña bÓ chøa. Víi níc, bÓ chøa tuyÕn tÝnh lµ t¬ng ®¬ng vÒ vËt lý víi mét c¸i thïng ph¼ng mÆt cã mét lç ë ®¸y, cho phÐp lîng tr÷ trong thïng tho¸t dÇn nh ®Çu ra Q. Ph¬ng tr×nh c©n b»ng khèi níc cho bÓ chøa (hoÆc thïng) tuyÕn tÝnh cã thÓ viÕt nh sau: dS (4.10) U Q st dS lµ tû sè biÕn ®æi lîng tr÷ theo thêi gian vµ U(L3T-1) lµ mét cêng ë ®©y, vi ph©n dt ®é ®Çu vµo (ë ®©y lµ ma hiÖu qu¶). §Ó thu ®îc ph¬ng tr×nh cña ®Çu ra Q, v× dS  T ta cã thÓ biÕn ®æi ph¬ng tr×nh nµy thµnh: dt dQ T U Q (4.11) dt H×nh B4.1.1. Lîng tr÷ tuyÕn tÝnh Chóng ta gi¶ thiÕt r»ng chuçi ®Çu vµo cã thÓ chuyÓn ®æi phï hîp thµnh ®Çu vµo hiÖu qu¶ cã liªn hÖ tuyÕn tÝnh víi ®Çu ra. Cho mét m« h×nh ®¬n gi¶n cña ®Çu vµo ma hiÖu qu¶, ph¬ng tr×nh nµy cã thÓ gi¶i b»ng gi¶i tÝch. VÝ dô cho mét ®Çu vµo tøc thêi cña lîng ma hiÖu qu¶ U vµo mét bÓ chøa ban ®Çu kh« h¹n t¹i thêi ®iÓm t0: U* exp t  t 0  / T  (4.12) Qt  T 112