Giới thiệu giáo trình ” Giáo Trình Cao Học Thủy Lợi – Mô Hình Toán Thủy Văn “
1.2.2.2. Mô hình nhận thức
Từ những hạn chế của mô hình toán hộp đen, nhiều nhà thủy văn đã cho ra đời các mô hình nhận thức (conceptual models). Về mặt cấu trúc, những mô hình nhận thức có thể xếp vào vị trí trung gian giữa mô hình hộp đen và mô hình thủy lực (Dooge J.C.L.) [10].
Mô hình nhận thức ra đời sau mô hình hộp đen, nhưng đã phát triển rất mạnh mẽ và ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực thủy văn. Mô hình tất định nhận thức xuất phát từ sự hiểu biết và nhận thức một cách rõ ràng từng thành phần của hệ thống thuỷ văn để tiếp cận hệ thống bằng phương pháp mô phỏng, thí dụ như là mô phỏng các quá trình tổn thất, quá trình trữ nước, quá trình tập trung dòng chảy trên lưu vực và trong sông,… từ đó xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình để tính toán dòng chày lưu vực.
Do phải đề cập, mô phỏng toán học tất cả các thành phần của quá trình thuỷ văn lưu vực trên lưu vực nên cấu trúc của các mô hình nhận thức phức tạp hơn nhiều so với mô hình hộp đen và trong mô hình thường có nhiều thông số cần phải xác định.
Có rất nhiều mô hình nhận thức khác nhau. Sự khác nhau giữa các mô hình này được đánh giá qua sơ đồ cấu trúc mô hình và cách thức mô phỏng các quy luật vật lý của từng thành phần, những mối quan hệ giữa các nhân tố trong hệ thống nghiên cứu. Việc mô phỏng cụ thể các thành phần bên trong của hệ thống thuỷ văn làm cho các mô hình nhận thức có thể tiếp cận khá tốt quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực và còn được gọi là dạng mô hình hộp xám (grey box model).
Cấu trúc của các mô hình nhận thức dựa vào kết quả nghiên cứu những quy luật hình thành và vận động của các quá trình thành phần trong sự hình thành dòng chày trên một hệ thống thủy văn. Đó là các quá trình mưa, quá trình trữ nước trên bề mặt, quá trình thấm, quá trình bốc hơi, thoát hơi, quá trình chảy tràn trên sườn dốc lưu vực, quá trình chày trong lòng dẫn… Các mô hình nhận thức thường là tập hợp nhiều mô hình thành phần.
Trong mô hình nhận thức, nếu dựa vào đặc tính biểu thị của các tham số ta có thể chia mô hình ra loại mô hình tham số tập trung và mô hình tham số phân phối. Những mô hình tham số tập trung thường dùng các phương trình vi phân thường để diễn tả mối quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của hệ thống chỉ phụ thuộc vào thời gian.
Vì vậy, trong các mô hinh tham số tập trung không xét đến sự phân bố của lượng mưa, dòng chảy, tỉnh chất thấm của đất và các yếu tố thủy văn, khí tượng khác theo không gian, chúng được thay thế bằng những giá trị bình quân theo diện tích, chúng đều là hàm số của thời gian. Nói một cách khác, tất cả các đặc trưng của lưu vực được tập trung về một điểm. Trong khi đó các mô hình tham số phân phối mô tả các mối quan hệ giữa những yếu tố của hệ thống bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng, nghĩa là các phương trình chứa cả biển thời gian và không gian.
Phần lớn các mô hình nhận thức đều có cấu trúc khá phức tạp, nhiều tham số phải được ước tính từ các tài liệu thực đo. Do cách mô phòng sát với quá trình hình thành và vận động của nước trên lưu vực sông, nên các mô hình nhận thức không chỉ cho phép tính dòng chảy từ mưa khá phù hợp với quá trình dòng chảy thực đo mà còn cho phép các nhà quy hoạch, thiết kế nguồn nước xem xét, đánh giá những phản ứng của hệ thống thủy văn khi họ muốn thay đổi một bộ phận hay toàn bộ cấu trúc của hệ đó. Thí dụ như xây dựng các kho nước trên lưu vực hay lựa chọn những giải pháp khai thác tài nguyên nước một cách tối ưu.
Trong những năm gần đây các mô hình nhận thức phát triển khá nhanh cả về số lượng và chất lượng. Nó đã góp phần đáng kể trong sự phát triển của khoa học thủy văn. Hiện nay rất nhiều nước trên thế giới đã xây dựng và ứng dụng rộng rãi trong thực tế nhiều mô hình thuỷ văn tất định nhận thức. Tại Việt Nam các mô hình nhận thức được biết đến và nghiên cứu ứng dụng rộng rãi kể từ sau ngày miền Nam giải phóng thống nhất đất nước.
Các mô hình tất định nhận thức đã được nghiên cứu và ứng dụng có kết quả trong những năm qua ở nước ta bao gồm các mô hình thuỷ văn lưu vực và mô hình hệ thống sông như mô hình TANK, SSARR, NAM, HEC-HMS, MITSIM, MIKE BASIN, STANFORD, RRMOD (Linsley R.K.) [13].. Các mô hình này đã được ứng dụng để khôi phục các chuỗi số liệu dòng chày lưu vực từ mưa phục vụ cho quy hoạch và nghiên cứu khả thi, thiết kế các công trình hồ chứa phục tưới và phát điện, hoặc vận hành hệ thống công trình phòng lũ và phát điện, tính toán cân bằng nước hệ thống sông.
1.2.3. Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên – tất định
Gần đây, trong rất nhiều ứng dụng như dự báo dòng chày, người ta đã sử dụng kết hợp cả mô hình tất định với mô hình ngẫu nhiên, trong đó mô hình tất định dùng để đưa ra trị số dự báo ban đầu, và mô hình ngẫu nhiên dùng để dự báo sai số dự báo (sửdụng chuỗi sai số dự báo lịch sử là chuỗi số mang tính chất ngẫu nhiên và có tính dừng) rồi sau đó tiến hành hiệu chỉnh để cho ra giá trị dự báo cuối cùng. Việc kết hợp hai loại mô hình này cho thấy tỉnh hiệu quả cao, đặc biệt đối với việc dự báo các đại lượng vừa chứa đựng tỉnh ngẫu nhiên vừa chứa đựng tỉnh tất định như lưu lượng nước (là hàm của lượng mưa, độ ẩm (tính tất định)… nhưng đồng thời cũng mang tính ngẫu nhiên của chính chuỗi lưu lượng đó).
