Các vấn đề về quy mô trong mô hình thuỷ văn: Một bài tổng quan
Tóm tắt
Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp một khung lý thuyết để giải quyết các vấn đề về quy mô và quy mô trong lĩnh vực thuỷ văn. Phần đầu tiên đưa ra một số định nghĩa cơ bản. Điều này rất quan trọng vì các nhà nghiên cứu dường như chưa nhất trí về ý nghĩa của các khái niệm như quy mô hay việc tăng quy mô. 'Quy mô quá trình', 'quy mô quan sát' và 'quy mô mô hình (quy trình)' cần có những định nghĩa khác nhau. Phần hai thảo luận về sự không đồng nhất và biến thiên trong các lưu vực và đề cập đến những hệ quả của ngẫu nhiên và tổ chức đối với việc xác định quy mô. Phần ba xử lý các liên kết giữa các quy mô từ góc độ mô hình. Chúng tôi lập luận rằng việc tăng quy mô thường bao gồm hai bước: phân phối và tổng hợp. Ngược lại, việc giảm quy mô liên quan đến việc tách rời và chỉ ra. Các phương pháp khác nhau được thảo luận để liên kết các biến trạng thái, tham số, đầu vào và các khái niệm qua các quy mô. Phần này cũng đề cập đến các mô hình tham số phân bố, đây là một cách để liên kết các khái niệm qua các quy mô. Phần thứ tư giải quyết các liên kết giữa các quy mô từ một góc độ toàn diện hơn liên quan đến phân tích kích thước và các khái niệm tương tự. Điểm khác biệt chính so với góc nhìn mô hình là phân tích kích thước và các khái niệm tương tự xử lý các quy trình phức tạp theo cách đơn giản hơn nhiều. Các ví dụ về phân tích kích thước, phân tích tương tự và chuẩn hóa chức năng trong thuỷ văn lưu vực cũng được đưa ra. Phần này cũng thảo luận ngắn gọn về phân đoạn, một công cụ phổ biến để định lượng biến thiên giữa các quy mô. Phần thứ năm tập trung vào một khía cạnh cụ thể của góc nhìn toàn diện này, thảo luận về phân tích mạng lưới sông. Bài viết kết thúc bằng việc xác định các vấn đề chính và đưa ra một số hướng nghiên cứu trong tương lai.
Từ khóa
#quy mô #mô hình thuỷ văn #biến thiên #phân tích mạng lưới sông #phân tích kích thướcTài liệu tham khảo
Allen T. F. H., 1982, Hierarchy, 310
Anderson M. G., 1988, Modelling Geomorphological Systems, 458
Anderson M. G., 1990, Process Studies in Hillslope Hydrology, 365
BathurstJ. C.andCooley K. R.‘Use of the SHE hydrological modelling system to investigate basin response to snowmelt at Reynolds Creek Idaho’ J. Hydrol. in press.
Benecke P., 1992, Regionalisierung in der Hydrologie, DFG‐Mitt. XI, 221
Bergström S., 1991, Principles and confidence in hydrological modelling, Nordic Hydrol., 22, 123, 10.2166/nh.1991.0009
Beven K., 1993, Channel Network Hydrology, 99
Beven K., 1980, SHE: towards a methodology for physically‐based distributed forecasting in hydrology, Proc. Oxford Symp., IAHS Publ., 129, 133
Blöschl G., 1993, Organisation and randomness in catchments and the verification of hydrologic models, EOS, Trans. Am. Geophys. Union, 74, 317
Blöschl G., 1994, Advances in Distributed Hydrology. Proceedings of a Workshop held in Bergamo, Italy, June 1992.
Blöschl G. Gutknecht D. andGrayson R. B.‘On spatial organisation and randomness in hydrology’ Wat. Resour. Res. submitted.
Bridges E. M., 1982, Principles and Applications of Soil Geography, 29
Canterford R. P., 1987, Australian Rainfall and Runoff, 15
Carlson A. B., 1986, Communication Systems, 686
Chang H. H., 1982, Mathematical model for erodible channels, J. Hydraul. Div. ASCE, 108, 678, 10.1061/JYCEAJ.0005864
Chorley R. J., 1984, Geomorphology, 605
Chow V. T., 1988, Applied Hydrology, 572
Cutler C. D., 1993, Tech. Rep. Ser. STAT‐93–06, 107
De Marsily G., 1986, Quantitative Hydrogeology, 440
Denbigh K. G., 1975, Entropy and Information in Science and Philosophy, 83
Deutsch A., 1992, GSLIB, Geostatistical Software Library and User's Guide, 340
Dietrich W. E., 1993, Channel Network Hydrology, 175
Dingman S. L., 1994, Physical Hydrology, 575
Dooge J. C. I., 1982, Land Surface Processes in Atmospheric General Circulation Models, 243
Dunne T., 1978, Hillslope Hydrology, 227
Engman E. T., 1986, Roughness coefficients for routing surface runoff, J. Irrig. Drainage Div. Proc. ASCE, 112, 39, 10.1061/(ASCE)0733-9437(1986)112:1(39)
Falconer K. J., 1990, Fractal Geometry: Mathematical Foundations and Applications, 288
Famiglietti J. S.1992. ‘Aggregation and scaling of spatially‐variable hydrological processes: local’ catchment‐scale and macroscale models of water and energy balance PhD Dissertation Princeton University 207pp.
Ferguson R. I., 1973, Channel pattern and sediment type, Area, 5, 38
Fischer H. B., 1979, Mixing in Inland and Coastal Waters, 483
Fitzharris B. B.1975. ‘Snow accumulation and deposition on a westcoast midlatitude mountain’ PhD Thesis University of British Columbia Vancouver367pp.
Flood Studies Report1975. Vol. I –Hydrological Studies. Natural Environment Research Council London.570pp.
Fortak H., 1982, Meteorologie, 293
Germann P. F., 1990, Process Studies in Hillslope Hydrology, 327
Gessler P. E., 1993, Scale Issues in Hydrological/Environmental Modelling. Proc. Workshop Robertson. CRES, 9
Goodrich D. C.1990. ‘Geometric simplification of a distributed rainfall‐runoff model over a large range of basin scales’ PhD Thesis Univ. Arizona Tucson 361pp.
Grace R. A. andEagleson P. S.1966. ‘The synthesis of short‐time‐increment rainfall sequences’ Rep. No. 91 MIT Hydrodynamics Laboratory105pp.
Grayson R. B., 1993, Applications of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management (Proc. Vienna Symp., April 1993), 83
Grayson R. B., Computer Models of Watershed Hydrology
Green W. H., 1911, Studies on soil physics, Part I. The flow of air and water through soils, J. Agric. Sci., 4, 1
Guerra L., 1993, Exchange Processes at the Land Surface for a Range of Space and Time Scales, 611
Gupta V. K., Advances in Distributed Hydrology. Proceedings of a Workshop held in Bergamo, Italy, June 1992, 149
Gutknecht D., 1991, Hydrology for the Water Management of Large River Basins (Proc. Vienna Symp., August 1991), 337
Gutknecht D., 1991, Computer aided modelling for operational forecasting systems, Ann. Geophys. Suppl, 9, C480
Gutknecht D., 1993, Grundphänomene hydrologischer Prozesse, Zürcher Geogr. Schriften, 53, 25
Hack J. T., 1960, Geomorphology and forest ecology of a mountain region in the Central Appalachians, US Geol. Surv. Prof. Pap., 347, 66p
Haltiner G. J., 1980, Numerical Prediction and Dynamic Meteorology, 477
Harley B. M.1967. ‘Linear routing in uniform open channels’ M. Eng. Sci. Thesis Department of Civil Engineering National University of Ireland.
Haury L. R., 1977, Spatial Pattern in Plankton Communities, 277
Hellums J. D., 1961, Dimensional analysis and natural circulation, Chem. Eng. Progr. Symp. Ser., 57, 75
Hey R. D., 1988, Modelling Geomorphological Systems, 99
Hurst H. E., 1951, Long‐term storage capacity of reservoirs, Trans. Am. Soc. Civ. Engin., 116, 770, 10.1061/TACEAT.0006518
Hutchinson M. F., 1991, Data Assimilation Systems, BMRC Res. Rep. 27, 104
Jenkins G. M., 1968, Spectral Analysis and its Applications, 525
Jenny H., 1941, Factors of Soil Formation, 281
Jensen H., 1989, Räumliche Interpolation der Stundenwerte von Niederschlag, Temperatur und Schneehöhe, Zürcher. Geogr. Schriften, 35, 70
Jenson S. K., 1988, Extracting topographic structure from digital elevation data for geographic information system analysis, Photogr. Engin. Remote Sensing, 54, 1593
Journal A. G., 1978, Mining Geostatistics, 600
Kleeberg H.‐B., 1992, Regionalisierung in der Hydrologie. DFG‐Mitt. XI, 444
Knighton D., 1984, Fluvial Forms and Processes, 218
Krasovskaia I., 1982, Hypothesis on runoff formation in small watersheds in Sweden
Kupfersberger H., 1994, Transport and Reactive Processes in Aquifers (Proc. 5 IAHR Symp. Zurich), 165
Lang H.1985. ‘Höhenabhängigkeit der Niederschläge’ in Der Niederschlag in der Schweiz Beiträge zur Geologie der Schweiz Nr. 31. Verl. Kümmerlyt. Frey Bern. pp.149–157.
Langhaar H. L., 1951, Dimensional Analysis and Theory of Models, 166
Leavesley G. H., 1993, A nested‐model approach for investigating snow accumulation and melt processes in mountainous regions, EOS, Trans. Am. Geophys. Union, 74, 237
LeavesleyG. H.andStannard L. G.1990. ‘Application of remotely sensed data in a distributed‐parameter watershed model’ in Kite G. W. and Wankiewicz A. (Eds) Proc. Workshop on Applications of Remote Sensing in Hydrology Saskatoon February 1990.pp.47–64.
LeeM. T.andDelleur J. W.1972. ‘A program for estimating runoff from Indiana watersheds 3. analysis of geomorphologic data and a dynamic contributing area model for runoff estimation’ Tech. Rep. 24 Purdue Univ. Water Resour. Res. Center Lafayette144pp.
Leopold L. B., 1962, The concept of entropy in landscape evolution, US Geol. Surv. Prof. Pap., 500, A20
Leopold L. B., 1953, The hydraulic geometry of stream channels and some physiographic implications, US Geol. Surv. Prof. Pap., 252, 57
Lewis A.1995. ‘Scale in spatial environmental databases’ PhD Thesis Centre for Resource and Environmental Studies Australian National University Canberra.
Linsley R. K., 1988, Hydrology for Engineers, 492
Mackay R.andRiley M. S.1991. ‘The problem of scale in the modelling of groundwater flow and transport processes’ inChemodynamics of Groundwaters Proc. Workshop November 1991 Mont Sainte‐Odile France.EAWAG EERO PIR “Environment” of CNRS IMF Université Louis Pasteur Strasbourg. pp.17–51.
Mandelbrot B. B., 1977, Fractals: Form. Chance, and Dimension, 365
Matheron G.1967. ‘Elements pour une théorie des milieux poreux’ cited in de Marsily (1986).
Matheron G., 1973, The intrinsic random functions and their applications, Adv. Appl. Prob., 5, 438, 10.2307/1425829
McKerchar A. I., 1989, Flood frequency in New Zealand, 87
Mein R.1993. ‘Flood hydrology’ Catchword May 1993 Cooperative Centre for Catchment Hydrology Monash University Clayton Victoria.
Miller E. E., 1990, Scaling in Soil Physics: Principles and Applications, xvii
Milne G., 1935, Some suggested units of classification and mapping particularly for East African soils, Soil. Res., Berlin, 4, 183
Minshall N. E., 1960, Predicting storm runoff on small experimental watersheds, J. Hydraul. Div. Am. Soc. Civ. Engin., 86, 17
Moore I. D., 1993, Modelling Change in Environmental Systems, 189
Moore I. D., 1993, Geographic Information Systems and Environmental Modeling, 196
National Research Council (NRC), 1988, Estimating Probabilities of Extreme Floods: Methods and Recommended Research, 141
National Research Council (NRC), 1991, Opportunities in the Hydrologic Sciences, 348
Obled Ch., 1990, Hydrology in Mountainous Regions. I – Hydrological Measurements; the Water Cycle (Proc. Lausanne Symp., August 1990), 599
Orlanski I., 1975, A rational subdivision of scales for atmospheric processes, Bull. Am. Meteorol. Soc., 56, 527
Pearson C. P., 1993, Regional flood frequency analysis for small New Zealand basins. 2. Flood frequency groups, J. Hydrol. (New Zealand), 30, 77
Philip J. R., 1957, The theory of infiltration, 1–7, Soil Sci., 83, 10.1097/00010694-195706000-00003
Pilgrim D. H., 1987, Australian Rainfall and Runoff, 374
Pilgrim D. H., 1975, Rainfall temporal patterns for design floods, J. Hydraul. Div. ASCE, 101, 81, 10.1061/JYCEAJ.0004197
ReyboldW. U.andTeSelle G. W.1989. ‘Soil geographic data bases’ J. Soil Wat. Conserv. Jan‐Feb 28–29.
Richards K., 1982, Rivers – Form and Process in Alluvial Channels, 361
Rodríguez‐Iturbe I., 1986, Multivariate Analysis of Hydrologic Processes, 51
J. Hydrol. 1983 65 spec. issue Scale problems in hydrology
Rogers A. D.1992. ‘The development of a simple infiltration capacity equation for spatially variable soils’ B.E. Thesis Univ. of West. Aust. Nedlands.64pp.
Rosso R., 1994, Proceedings of a Workshop held in Bergamo, Italy, June 1992, 416
Sivapalan M., 1993, Exchange Processes at the Land Surface for a Range of Space and Time scales, 115
Sivapalan M., 1994, Large scale catchment modelling to predict the effects of land use and climate, Water, J. Aust. Wat. Wastewat. Assoc., 21, 33
Sivapalan M., 1994, Proc. Int. Symp. Forest Hydrology, 315
Smagorinsky J., 1974, Weather and Climate Modification, 633
Snell J. D., 1994, Threshold effects in geomorphological parameters extracted from DEM's, Trans. Jpn Geomorph. Union, 15, 67
Strahler A. N., 1964, Handbook of Applied Hydrology, 4.39
Tarboton D. G., 1991, Terrain Analysis and Distributed Modelling in Hydrology, 85
USDA‐SCS (US Department of Agriculture Soil Conservation Service)1986. ‘Urban hydrology for small watersheds’ Tech. release 55 USDA‐SCS. Washington.
Vertessy R., 1993, Scale Issues in Hydrological/Environmental Modelling, Proc. Workshop Robertson, CRES, 16
von Bandat H. F., 1962, Aerogeology, 350
Voss R. F., 1985, Scaling Phenomena in Disordered Systems, 1
Walker R. G., 1984, Facies Models, 317
Wallis J. R., 1988, Catastrophes, computing and containment: living with our restless habitat, Spec. Sci. Technol., 11, 295
Weinberg G. M., 1975, An Introduction to General Systems Thinking, 279
Wenzel H. G., 1982, Urban Storm Water Hydrology. Wat. Resour. Monogr. 7, 35
Willgoose G., 1993, Towards the 21st Century, Hydrology and Water Resources Symposium, Newcastle, 1993, 159
Williams J., 1992, Proc. Int. Workshop on Indirect Methods for Estimating the Hydraulic Properties of Unsaturated Soils, 427
World Meteorological Organisation (WMO), 1969, Manual for depth‐area‐duration analysis of storm precipitation, WMO No. 237, Tech. Pap., 129, 1
Woo M.‐K., 1983, Permafrost, Fourth International Conference, 1407
Wu Y.‐H., 1978, Effects of surface roughness and its spatial distribution on runoff hydrographs, Colo. State Univ., Fort Collins, Colo., Hydrol. Pap., 96, 47
Yang C. T., 1976, Minimum unit stream power and fluvial hydraulics, J. Hydraul. Div. ASCE., 102, 919, 10.1061/JYCEAJ.0004589
Yang C. T., 1979, Theory of minimum rate of energy dissipation, J. Hydraul. Div. ASCE, 105, 769, 10.1061/JYCEAJ.0005235
Yevjevich V., 1972, Stochastic Processes in Hydrology, 276
Zuidema P. K.1985.Hydraulik der Abflussbildung während Starkniederschlägen. Mitt. VAW 79 ETH Zürich 150pp.