Hydrological Processes

Bài báo này mô tả một phương pháp hiệu chuẩn và ước lượng không chắc chắn cho các mô hình phân phối dựa trên các biện pháp khả năng tổng quát. Quy trình GLUE hoạt động với nhiều bộ giá trị tham số và cho phép rằng, trong các giới hạn của một cấu trúc mô hình nhất định và các lỗi trong điều kiện biên và quan sát thực địa, các bộ giá trị khác nhau có thể có khả năng tương đương nhau như các mô phỏng của một lưu vực. Các quy trình đưa các loại quan sát khác nhau vào hiệu chuẩn; cập nhật Bayes về các giá trị khả năng và đánh giá giá trị của các quan sát bổ sung vào quy trình hiệu chuẩn được mô tả. Quy trình này đòi hỏi tính toán nặng nhưng đã được triển khai trên một máy tính xử lý song song tại chỗ. Phương pháp này được minh họa bằng một ứng dụng của Mô hình Phân phối Viện Thủy văn đối với dữ liệu từ lưu vực thử nghiệm Gwy ở Plynlimon, miền Trung xứ Wales.

Địa hình của một lưu vực có ảnh hưởng lớn đến các quá trình thủy văn, địa mạo học và sinh hóa đang hoạt động trong cảnh quan. Phân bố không gian của các thuộc tính địa hình thường có thể được sử dụng như một phép đo gián tiếp của sự biến thiên không gian của các quá trình này, cho phép chúng được lập bản đồ bằng các kỹ thuật tương đối đơn giản. Nhiều hệ thống thông tin địa lý đang được phát triển để lưu trữ thông tin địa hình như là dữ liệu chính cho việc phân tích các vấn đề về tài nguyên nước và sinh học. Hơn nữa, địa hình có thể được sử dụng để phát triển các cấu trúc thực tế hơn cho các mô hình thủy văn và chất lượng nước, mà trực tiếp xem xét tác động của địa hình đến thủy văn. Các mô hình độ cao số là dữ liệu chính được sử dụng trong phân tích địa hình lưu vực. Chúng tôi mô tả các nguồn dữ liệu độ cao, cấu trúc của các mô hình độ cao số, và phân tích dữ liệu độ cao số cho các ứng dụng thủy văn, địa mạo học và sinh học. Một số mô hình thủy văn sử dụng các biểu diễn số của địa hình cũng được xem xét.

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.

A độ chính xác của các dự đoán của các mô hình thủy văn phân tán phần nào phụ thuộc vào việc xác định đúng các đường chảy. Bài báo này khảo sát một số vấn đề trong việc xác định các đường chảy từ dữ liệu địa hình số raster trong bối cảnh dự đoán thủy văn sử dụng TOPMODEL. Trạng thái độ ẩm phân tán được dự đoán trong TOPMODEL dựa trên các chỉ số không gian phụ thuộc vào định nghĩa đường chảy. Độ nhạy của chỉ số này đối với thuật toán đường chảy và kích thước lưới được khảo sát trong trường hợp mà địa hình bề mặt là chỉ số tốt cho các градиент thủy lực địa phương. Một chiến lược cho trường hợp mà các đường chảy ngầm xuống dốc có thể khác biệt so với những gì được chỉ ra bởi địa hình bề mặt được mô tả qua một ứng dụng ví dụ.

SWAT (Công cụ Đánh giá Đất và Nước) là một mô hình lý thuyết, thời gian liên tục được phát triển vào đầu những năm 1990 nhằm hỗ trợ các nhà quản lý tài nguyên nước trong việc đánh giá tác động của quản lý và khí hậu đến nguồn nước và ô nhiễm từ nguồn không điểm tại các lưu vực và lưu vực sông lớn. SWAT là sự tiếp nối của hơn 30 năm phát triển mô hình trong Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ thông qua Dịch vụ Nghiên cứu Nông nghiệp và được phát triển để 'mở rộng' mô hình quy mô thực địa trước đây đến các lưu vực sông lớn. Các thành phần của mô hình bao gồm thời tiết, thủy văn, xói mòn/sedimentation, sự phát triển thực vật, chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu, quản lý nông nghiệp, định tuyến dòng chảy và định tuyến hồ/bể chứa. Phiên bản mới nhất, SWAT2000, có một số cải tiến đáng kể bao gồm: quy trình vận chuyển vi khuẩn; quy trình đô thị; phương trình thấm Green và Ampt; trình tạo thời tiết được cải thiện; khả năng đọc dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm tương đối, tốc độ gió và ET tiềm năng; định tuyến kênh Muskingum; và tính toán thời kỳ nghỉ ngơi được điều chỉnh cho các khu vực nhiệt đới. Một bộ tài liệu hoàn chỉnh cho mô hình về các phương trình và thuật toán, hướng dẫn người dùng mô tả đầu vào và đầu ra của mô hình, cùng với hướng dẫn giao diện ArcView hiện đã hoàn tất cho SWAT2000. Mô hình đã được mã lại bằng Fortran 90 với một từ điển dữ liệu hoàn chỉnh, cấp phát động của các mảng và các chương trình con theo mô-đun. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào vi khuẩn, các khu vực ven sông, địa hình hố nước, sự phát triển rừng, việc khoét sâu và mở rộng kênh, cùng với phân tích không chắc chắn đầu vào.

Mô hình SWAT hiện được sử dụng tại nhiều quốc gia trên toàn thế giới. Những phát triển gần đây trong Chính sách Môi trường Châu Âu, chẳng hạn như việc thông qua chỉ thị Khung Nước Châu Âu vào tháng 12 năm 2000, yêu cầu các công cụ cho quản lý lưu vực sông tích hợp. Mô hình SWAT có thể áp dụng cho mục đích này. Đây là một mô hình linh hoạt có thể được sử dụng dưới nhiều điều kiện môi trường khác nhau, như bài chuyên đề này sẽ cho thấy. Các bài báo được biên soạn ở đây là kết quả của Hội nghị SWAT Quốc tế lần thứ nhất được tổ chức vào tháng 8 năm 2001 tại Rauischholzhausen, Đức. Hơn 50 người tham gia từ 14 quốc gia đã thảo luận về kinh nghiệm mô hình hóa của họ với đội ngũ phát triển mô hình từ Hoa Kỳ. Mười chín bài báo được chọn với các vấn đề từ những phát triển mới nhất, đánh giá quản lý lưu vực sông, các cách tiếp cận liên ngành cho quản lý lưu vực sông, tác động của thay đổi sử dụng đất, các khía cạnh phương pháp và các mô hình được derived từ SWAT đã được công bố trong số đặc biệt này. Bản quyền © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Các mạng lưới kênh với mật độ thoát nước hoặc độ phân giải tùy ý có thể được trích xuất từ dữ liệu độ cao số. Tuy nhiên, để các mạng lưới từ dữ liệu độ cao số trở nên hữu ích, chúng phải được trích xuất ở thang đo chiều dài hoặc mật độ thoát nước chính xác. Ở đây, chúng tôi đề xuất một tiêu chí để xác định mật độ thoát nước thích hợp mà từ đó có thể trích xuất mạng lưới từ dữ liệu độ cao số. Tiêu chí này về cơ bản là trích xuất mạng lưới có độ phân giải cao nhất (mật độ thoát nước cao nhất) mà thỏa mãn các quy luật tỉ lệ mà từ trước đến nay đã được tìm thấy áp dụng cho các mạng lưới kênh. Các quy trình sử dụng tiêu chí này được trình bày và thử nghiệm trên 21 tập dữ liệu độ cao số được phân bố tốt trên toàn nước Mỹ.

Một mô hình được đề xuất để dự đoán sự biến thiên không gian của độ sâu đất colluvial, kết quả của mô hình này được sử dụng trong một mô hình riêng biệt để xem xét ảnh hưởng của sức mạnh rễ và độ dẫn ngang bão hòa thay đổi theo chiều dọc lên độ ổn định của sườn đất. Mô hình độ sâu đất giải quyết cân bằng khối lượng giữa sự sản xuất đất từ đá mẹ phía dưới và sự phân kỳ của việc vận chuyển đất qua khuếch tán. Mô hình này được áp dụng sử dụng dữ liệu độ cao số với độ phân giải cao của một địa điểm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng tại miền Bắc California, và sự thay đổi độ sâu đất được tính toán bằng mô hình sai phân hữu hạn dưới các điều kiện ban đầu khác nhau. Dữ liệu hiện trường hỗ trợ việc giảm sản xuất đất theo cấp số nhân với độ sâu đất tăng lên và độ khuếch tán khoảng 50 cm²/năm. Mô hình dự đoán về sự dày và mỏng của đất colluvium tương ứng tốt với các quan sát thực địa. Độ dày của đất trên các đỉnh nhanh chóng đạt được độ sâu cân bằng, điều này gợi ý rằng các quan sát thực địa chi tiết liên quan đến độ sâu đất với độ cong địa hình địa phương có thể kiểm tra mô hình này tốt hơn. Đá mẹ xuất hiện nơi mà độ cong gây ra sự vận chuyển phân kỳ vượt quá tỷ lệ sản xuất đất, do đó, mô hình không gian của các lớp đá mẹ đặt ra những hạn chế đối với luật sản xuất.

Các lớp vỏ đất sinh học (BSC) là lớp che phủ sống chủ yếu trong nhiều vùng khô cằn trên thế giới. Chúng có nhiều đặc điểm có thể ảnh hưởng đến các khía cạnh khác nhau của chu trình thủy văn địa phương, bao gồm độ rỗng của đất, khả năng hấp thụ, độ nhám, độ ổn định của tổ hợp hạt, kết cấu, sự hình thành lỗ, và khả năng giữ nước. Ảnh hưởng của các lớp vỏ đất sinh học đến những yếu tố này phụ thuộc vào cấu trúc nội tại và bên ngoài của chúng, thay đổi theo khí hậu, loại đất và lịch sử can thiệp. Bài báo này trình bày các loại lớp vỏ đất sinh học khác nhau, thảo luận về cách mà loại lớp vỏ có thể ảnh hưởng đến các khía cạnh khác nhau của chu trình thủy văn, và tổng hợp những gì được biết và chưa được biết về ảnh hưởng của các lớp vỏ sinh học đến sản xuất trầm tích và khả năng thấm nước so với dòng chảy trong các vùng khô cằn khác nhau trên thế giới. Hầu hết các nghiên cứu xem xét tác động của lớp vỏ đất sinh học đến thủy văn địa phương được thực hiện bằng cách so sánh các địa điểm không bị xáo trộn với những địa điểm gần đây bị xáo trộn bởi các nhà nghiên cứu. Thật không may, điều này làm phức tạp đáng kể việc giải thích kết quả. Những can thiệp áp dụng làm biến đổi nhiều đặc điểm của đất như kết cấu đất, độ nhám, độ ổn định của tổ hợp hạt, sự hình thành lớp vỏ vật lý, độ rỗng, và mật độ khối theo những cách có thể không giống nhau nếu lớp vỏ không tự nhiên hiện diện. Tổng hợp lại, những nghiên cứu này cho thấy ít có sự đồng thuận về cách mà các lớp vỏ sinh học ảnh hưởng đến khả năng thấm nước hay dòng chảy. Tuy nhiên, khi các nghiên cứu được phân tách theo loại lớp vỏ sinh học và sử dụng những khác biệt tự nhiên giữa các loại này, các kết quả cho thấy rằng các lớp vỏ sinh học trong các vùng cực khô làm giảm khả năng thấm và tăng dòng chảy, có tác động hỗn hợp trong các vùng khô cằn, và tăng khả năng thấm và giảm dòng chảy trong các vùng khô cằn mát và lạnh. Tuy nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn trước khi có thể đưa ra những khái quát rộng rãi về cách mà các lớp vỏ sinh học ảnh hưởng đến khả năng thấm và dòng chảy. Chúng ta cần đặc biệt các nghiên cứu kiểm soát các đặc điểm đất dưới bề mặt như mật độ khối, lỗ vi mô và vĩ mô, và cấu trúc lớp vỏ sinh học. Không giống như những tác động hỗn hợp của lớp vỏ sinh học lên khả năng thấm và dòng chảy giữa các vùng, hầu hết các nghiên cứu cho thấy rằng các lớp vỏ sinh học đều làm giảm sản xuất trầm tích, bất kể loại lớp vỏ hay loại vùng khô cằn.