Nghiên cứu phân tích lựa chọn ngơn ngữ xây dựng phần mềm mơ hình tốn mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Đào Tấn Quy1 Phạm Thị Hương Lan1 Tóm tắt Cuộc sống ngày đại với phát triển khoa học kỹ thutậ (KHKT) đặt yêu cầu thiết công nghệ chất lượng sản phẩm cho ngành, lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực Thủy lợi Trong tiến trình phát triển xã hội, công nghệ thông tin (CNTT) ngành đầu việc đổi công nghệ, ngành đón đầu đường bước vào kỷ nguyên - kỷ nguyên phát triển giới CNTT Nhiều ngơn ngữ lập trình xuất phát triển với tốc độ nhanh Bên cạnh đó, nhiều mơ hình tốn đời ứng dụng rộng rãi Trên quan điểm tiếp cận với ngơn ngữ lập trình để xây dựng phần mềm chuyên ngành thủy lợi, báo sâu phân tích việc lựa chọn ngơn ngữ xây dựng phần mềm mơ hình tốn mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ phục vụ cho việc đào tạo nghiên cứu khoa học trường Đại học Từ khóa: Vận chuyển bùn cát; ngơn ngữ lập trình Mở đầu Hiện có nhiều dự án cơng nghệ thơng tin ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác sống Do tính chất dự án mà phần mềm cài đặt ngơn ngữ lập trình (NNLT) khác Với vốn kiến thức rộng NNLT, người làm dự án lựa chọn nhanh chóng NNLT phù hợp với đề án thực tế Chẳng hạn lựa chọn ngơn ngữ lập trình Java cho dự án lập trình truyền thơng, hay hướng lập trình logic cho dự án trí tuệ nhân tạo Xu hướng phát triển khoảng thời gian dài top 10 ngôn ngữ lập trình thể đường biểu đồ sau Hình 1: Xu hướng phát triển Top 10 ngơn ngữ lập trình 10 năm gần Nguồn: “Các ngơn ngữ lập trình phổ biến theo thống kê 12/2011 (TIOPE)” MICROSOFT VISUAL STUDIO môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment (IDE) phát triển từ Microsoft Đây loại phần mềm máy tính có cơng dụng giúp đỡ lập trình viên việc phát triển phần mềm Các môi trường phát triển hợp thường bao gồm: 1) Trường Đại học Thủy lợi - Một trình soạn thảo mã (source code editor): dùng để viết mã Trình biên dịch (compiler) và/hoặc trình thơng dịch (interpreter) Cơng cụ xây dựng tự động: sử dụng biên dịch (hoặc thông dịch) mã nguồn, thực liên kết (linking), chạy chương trình cách tự động - Trình gỡ lỗi (debugger): hỗ trợ dị tìm lỗi - Ngồi ra, cịn có hệ thống quản lí phiên cơng cụ nhằm đơn giản hóa cơng việc xây dựng giao diện người dùng đồ họa (GUI) - Nhiều môi trường phát triển hợp đại, tích hợp trình duyệt lớp (class browser), trình quản lí đối tượng (object inspector), lược đồ phân cấp lớp (class hierarchy diagram),… để sử dụng việc phát triển phần mềm theo hướng đối tượng Bài báo trình bày việc ứng dụng MICROSOFT VISUAL STUDIO để phát triển phần mềm sử dụng ngơn ngữ lập trình C++ để xây dựng phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ Sơ đồ tổng quát thực công việc xây dựng phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ sau: Hình 2: Sơ đồ thực thực việc xây dựng phần mềm với ngơn ngữ bậc cao Cụ thể hóa sơ đồ qua bước sau: Bước 1: Phân tích lựa chọn ngơn ngữ xây dựng phần mềm Bước 2: Soạn thảo phần mềm dựa phương trình vật lý, tốn mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ Bước 3: Biên dịch chương trình dị tìm, xử lý, gỡ lỗi chương trình Bước 4: Thực chương trình, liên kết chương trình (nếu có) thử nghiệm cho lưu vực cụ thể Nguyên lý chung xây dựng sơ đồ thuật tốn cho phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ Dòng chảy sông mưa xuống lưu vực tạo thành Khi mưa rơi xuống đất, phần tạo thành dịng chảy mặt đổ sơng, phần cịn lại ngấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm cung cấp cho hệ thống sơng Sự hình thành dịng chảy mặt sinh thời gian có mưa Khi có mưa, lúc đầu độ ẩm đất nhỏ, lượng mưa bị ngầm vào đất khơng sinh dịng chảy Sau thời gian kể từ lúc bắt đầu mưa, cường độ thấm giảm mặt đất bắt đầu sinh dòng chảy mặt Lượng nước chảy mặt lưu vực phần bị tổn thất điền trũng, phần bị ngấm xuống đất trình chuyển động bề mặt lưu vực, phần bị bốc hơi, phần lại chảy vào khe nhỏ tập trung dần vào khe lớn đổ vào hệ thống sông suối Thời gian tập trung nước mưa hệ thống sông suối nhanh, dịng chảy mặt khơng cịn sau mưa kết thúc khoảng thời gian không dài Lượng nước mưa ngấm vào đất bổ sung cho lượng nước ngầm có đất, làm cho mực nước ngầm tăng lên Một phần lượng nước ngấm xuống bị bốc qua mặt đất, phần rễ hút Nước ngầm vận chuyển hệ thống sông với thời gian tập trung phụ thuộc vào tương quan mực nước sông mực nước ngầm Do đó, tồn dịng chảy ngầm hệ thống sơng ngịi kéo dài sau khoảng thời gian dài Đối với sông nhỏ khe suối, thời gian trì dịng chảy ngầm vài tháng, cịn sơng lớn dịng chảy ngầm kéo dài năm Trên lưu vực sơng, bề mặt lưu vực thường xuyên chịu tác động thiên nhiên (khí hậu, địa hình, địa mạo ) chịu tác động người (khai thác rừng, canh tác nương rẫy ) nên bị bào mòn Đất bị bào mòn bị giữ lại phần, phần dịng chảy mặt mang vào sơng suối tạo thành dòng chảy bùn cát Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực bao gồm: - Mưa với động hạt mưa làm phá vỡ kết cấu bề mặt tầng đất Trong trận mưa rào, cường độ lớn, tốc độ rơi lớn hạt mưa đạt tới 7-8 m/s, chúng có lượng định Khi va vào mặt đất, hạt mưa làm bắn hạt đất nhỏ lên cao theo hình phễu, với tia nước bắn văng xa theo đường bán kính đến 50cm Tác động học hạt mưa mặt đất mạnh kích thước hạt mưa lớn, độ bắn xa hạt tăng theo hướng xuôi dốc Kết tượng mặt đất trở nên lồi lõm, tầng đất phủ ngày mỏng dần Cũng có mưa rơi sườn dốc, đặc biệt sườn dốc 350 làm bão hồ tầng phong hố có kết cấu bền vững, hình thành chủ yếu loại trầm tích bở rời (diệp thạch, sa thạch ) gây tượng sụt lở trượt chảy đất đá Tình trạng thường quan sát thấy quốc lộ (đoạn từ Hồ Bình- Lai Châu), Phong Thổ (Lai Châu), Bát Xát (Lào Cai), Bảo Lạc (Cao Bằng), Quỳ Châu (Nghệ An) suốt thời gian mùa mưa hàng năm Nước mưa rơi xuống sườn dốc, tạo thành dịng chảy tràn mặt dốc đồng thời trơi hạt đất tồn diện tích có dịng chảy, làm cho tầng đất bị lớp mỏng, hết lớp đến lớp khác Đó trình xói mịn mặt Khi nước mưa tập trung thành dịng nhỏ mặt dốc, xói mặt đất thành rãnh nhỏ, đồng thời hạt đất mịn lúc đầu dọc theo đáy rãnh Nói chung rãnh xói chạy thẳng xuống theo dốc, có chạy ngoằn ngoèo tạo thành mạng lưới phức tạp Các rãnh xói lúc đầu cạn nơng, sau rộng sâu dần đến mức độ phần lớn hạt chuyển sang trạng thái lơ lửng dịng nước từ chảy tầng sang chảy rối Kích thước rãnh phụ thuộc đặc tính đất mặt dốc, độ dốc sườn Đó xói mịn rãnh Đây nguồn cung cấp cát bùn sơng ngịi Ở nước ta, q trình xói mịn diễn chủ yếu hai hình thức xói mịn mặt rãnh Tại Tây Bắc, cần lượng mưa 10mm cường độ mưa 0,1mm phút xuất dịng chảy mặt gây xói mịn Trung bình hàng năm, tầng đất mặt bị bào mòn từ 1,5-3 cm tức khoảng 200-400 đất Nói chung, mưa lớn, cường độ mưa cao lượng dịng chảy mặt lớn lượng đất trôi nhiều - Thảm phủ thực vật sườn dốc trước tiên ngăn cản không cho hạt mưa rơi tác động trực tiếp vào lớp đất mặt, giảm tác dụng phá hoại kết cấu tầng đất hạt mưa Tán có khả giữ lại lượng nước mưa định, khoảng 13-14% bốc Tại sườn dốc có che phủ, thối rữa, hoạt động rễ cây, tầng đất mặt thường phủ lớp mùn dày có khả thấm giữ nước cao làm cho lượng dòng chảy mặt tốc độ nước chảy giảm rõ rệt, lượng bào mịn lượng xói mịn giảm Nói chung lượng xói mịn sườn dốc dù có lớp cỏ che phủ giảm nhỏ vài lần so với sườn dốc khơng có cối Trên sườn dốc 25o, tốc độ dịng chảy chỗ khơng có mục phủ mặt lớn gấp 29 lần nơi có phủ Rừng có tác dụng hạn chế q trình bào mịn gió Tương tự với trường hợp tốc độ gió mạnh giảm tới 1-5% sườn dốc đến 30o có thực vật phát triển tốt Nhìn chung sườn dốc có độ che phủ cao, từ 0,6 trở lên, trình xói mịn diễn khơng đáng kể, sườn dốc đến 300 (Độ che phủ tỷ số diện tích tán che khuất với tồn diện tích) - Ảnh hưởng độ dốc thể qua đặc điểm hướng dốc hình dạng, độ lớn chiều dài sườn dốc Hướng dốc khác thu nhận ánh nắng mặt trời khác nên mức độ phong hoá nhiệt độ khác Hướng dốc có ảnh hưởng lớn đến lượng mưa ảnh hưởng đến phát triển thảm phủ sườn đón gió thịnh hành mang ẩm, lương mưa nhiều hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển rừng so với hướng khuất gió Vì lượng xói mịn hai phía sườn dốc khác Có ba loại hình dáng mặt dốc: mặt dốc lồi, thẳng lõm Nói chung, lượng xói mịn mặt dốc lồi thẳng cao mặt dốc lõm Trong trường hợp mà nối tiếp mặt dốc lồi hay mặt dốc thẳng thung lũng sơng suối, sản phẩm xói mòn mặt dốc đưa trực tiếp vào lưới sơng suối, tạo thành dịng chảy cát bùn Nói chung, q trình xói mịn bắt đầu phát sinh sườn dốc 2-30 tăng nhanh từ 50 trở lên Nếu điều kiện khác nhau, độ dốc tăng, tốc độ xói mịn dịng chảy mặt dốc lớn Khi tốc độ dòng chảy tăng hai lần - sức bào mòn tăng gấp khối lượng đất bị tăng gấp 32 lần; kích thước hạt đất bị tăng 64 lần - Đất đối tượng trình xói mịn Đất cấu tạo q trình phong hố loại nham thạch gốc, có thành phần tính chất hố lý khác Vì thế, loại đất khác có khả chống xói mịn khác Quyết định khả chống xói mịn đất đặc tính vất lý : khả thấm nước, khả giữ ẩm đặc biệt hàm lượng hạt có đường kính nhỏ 0,01mm (hạt mịn) Nói chung, đất nhiều mùn, xốp có khả thấm giữ nước cao có khả tốt chống lại hoạt động xói mịn mưa dịng chảy mặt Ngược lại, tầng đất chất hữu cơ, hạt thô kết cấu kém, rời rạc, khả giữ nước, dễ bị bào mịn trôi - Hoạt động kinh tế người có ảnh hưởng mạnh mẽ đến cường độ xói mịn làm cho thay đổi lớn so với trình tự nhiên Do tác động người, q trình xói mịn sườn dốc giảm tăng lên Cụ thể sau: Tiến hành khai thác rừng không hợp lý, với phát triển nương rẫy bừa bãi sườn dốc để trồng lồi thực vật có thời gian ngắn (dưới năm), kể sườn dốc có độ dốc 250 dẫn đến việc huỷ diệt lớp phủ thực vật, phá vỡ cấu trúc tầng đất, phơi đất cho nắng mưa, gió trực tiếp phá hoại làm tăng đáng kể lượng xói mịn Ngược lại, việc trồng rừng với việc áp dụng biện pháp sản xuất hợp lý kết hợp với phương thức chống xói mịn làm giảm đáng kể lượng xói mịn sườn dốc Theo kết nghiên cứu Liên Xô Mỹ, xói mịn sườn dốc bị cầy xới lớn hàng trăm lần so với sườn dốc có lớp phủ thực vật tự nhiên hay lớp phủ thực vật cấy trồng Việc cầy xới trồng ngang theo đường bình độ cày xới dọc có ảnh hưởng khác đến trình xói mịn sườn dốc Cày xới trồng trọt ngang dốc làm tăng khả thấm nước, giữ nước, giảm nhỏ tốc độ dòng chảy sườn dốc làm giảm lượng xói mịn Thí nghiệm cho thấy, lượng đất bị bào mòn trường hợp cày xới ngang dốc giảm đến 20 lần so với cày xới dọc dốc Theo hình thức vận động bùn cát, chia loại: Bùn cát lơ lửng bùn cát theo dòng nước trạng thái lơ lửng bùn cát đáy loại bùn cát lăn chuyển đáy dịng sơng Giữa dịng chảy sơng ngịi bùn cát có quan hệ chặt chẽ với Vào mùa lũ Q lớn bùn cát nhiều, vào mùa kiệt Q nhỏ bùn cát Sơ đồ hình thành dịng chảy bùn cát lưu vực mơ hình vẽ sau: Hình 3: Sơ đồ hình thành dịng chảy bùn cát lưu vực Mơ đường q trình dịng chảy bùn cát lưu vực thể qua hình vẽ sau: Hình 4: Mơ đường q trình dịng chảy bùn cát lưu vực Phân tích lựa chọn ngơn ngữ xây dựng sơ đồ khối phục vụ việc xây dựng phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ Ngơn ngữ lập trình C++ biết đến ngôn ngữ lập trình mạnh nhờ khả việc triển khai phần mềm mức độ khác Từ mức hệ thống đến mức ứng dụng; từ lập trình cấu trúc đến lập trình hướng đối tượng, từ lập trình dựa thuật giải đến lập trình trí tuệ nhân tạo, từ lập trình sở liệu đến lập trình sở tri thức…, đâu, mà người lập trình muốn thể ý tưởng khoa học nghệ thuật máy tính C++ ngơn ngữ nghĩ đến trước tiên Microsoft Visual C++, sản phẩm Microsoft, với khả biên dịch ưu việt lối khai thác hệ thống rộng mở nhờ tập hợp lớp thư viện MFC cho C++ có đầy đủ tiện ích giúp dễ dàng tiếp cận theo kiểu menu cửa sổ Windows phục vụ cho ứng dụng Chúng tơi chọn ngơn ngữ VC++ để lập trình xây dựng phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực với lý ngôn ngữ VC++ mạnh việc hỗ trợ lớp thư viện dùng sẵn Có bốn sở cho ứng dụng xây dựng ngơn ngữ VC++, là: - Tạo cửa ứng dụng dễ dàng - Các lớp MFC cung cấp nhiều lớp xây dựng sẵn Window - VC++ MFC giúp rút ngắn thời gian lập trình phát triển, chương trình ứng dụng khơng bị làm giảm tính mềm dẻo hỗ trợ công nghệ phát triển ActiveX hay Internet - Hỗ trợ truy cập sở liệu qua OLE DB ADO hỗ trợ lập trình qua mạng Window socket Cho phép tạo thành phần giao diện trang thuộc tính - Khi lập trình VC++ với MFC ta phải xây dựng lớp kế thừa từ lớp có sẵn MFC Việc xử lý ánh xạ định nghĩa thành phương thức lớp tương ứng Trên sở lựa chọn ngơn ngữ lập trình nêu trên, tiến hành soạn thảo phần mềm ngơn ngữ lập trình VC++ dựa nguyên lý chung xây dựng sơ đồ thuật tốn cho phần mềm mơ dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ Sơ đồ khối tính tốn dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực thể hình vẽ 5, Ei lượng bùn cát xói mịn bề mặt lưu vực (kg/m2.s), Er lượng bùn cát xói mịn rãnh (kg/m2.s), qs lưu lượng bùn cát (kg/s.m), gs sức tải cát (kg/s.m), D lượng bùn cát bị bồi lắng (kg/s.m) Hình 5: Sơ đồ khối tính tốn vận chuyển bùn cát lưu vực Với mơđuyn tính tốn, chúng tơi tiến hành xây dựng lớp MFC VC++ để xây dựng phần mềm mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực Phần mềm mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực ứng dụng cho lưu vực nhỏ giới thiệu báo tới, khuông khổ báo giới thiệu phân tích việc lựa chọn ngơn ngữ xây dựng phần mềm mơ hình tốn mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Kết luận Để mơ dịng chảy lưu vực trình vận chuyển bùn cát, giới sử dụng công cụ mơ hình tốn để mơ phỏng, mơ hình thủy văn mơ hình mơ vận chuyển bùn cát Tuy nhiên mơ hình mô vận chuyển bùn cát chủ yếu mô kênh dẫn, chưa mơ cụ thể q trình vận chuyển bùn cát bề mặt lưu vực đến kênh dẫn, mơt số mơ mơ hình SWAT có q nhiều thơng số, số liệu đầu vào cần chi tiết, bao gồm số liệu thảm phủ, số liệu thổ nhưỡng, hệ thống canh tác…Mơ hình HEC – HMS không mô vận chuyển bùn cát lưu vực… Vì việc tiếp cận ngơn ngũ máy tính để xây dựng phần mềm tính tốn mơ dòng chảy lưu vực vận chuyển bùn cát cần thiết cấp bách, sở ứng dụng vào lưu vực cụ thể Việt Nam, với giá thành rẻ Tài liệu tham khảo Giáo trình ngơn ngữ lập trình ThS Nguyễn Văn Linh trường Đại học Cần Thơ Quy trình xây dựng phần mềm – Giáo trình môn học Công nghệ phần mềm – Trường Đại học cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ENGELUND, F (1981) Transport of Bed Load at high Shear Stress ISVA, Techn Univ Denmark, Progress Rep 53 PEDERSEN, C (1994) Numerical Simulation of Sediment Transport due to Plunging Breakers ISVA Series Paper No 58 Giesecke, J., Mosonyi, E (1998): Wasserkraftanlagen, Planung, Bau und Betrieb, Zweite, überarbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin Abstract Study on analyzing and choosing the programming language for developing a software to simulate runoff and sediment transportation in small and medium- sized basin Modern life and the development of science and technology have given the urgent requirements on technology and quality products to all fields including water resources During the process of social development, information technology is regarded as one of the leading sectors in technological innovation on the way to the new era - the era of information technology There appear many programming languages which are spreading widely In addition to this, a lot of mathematical models are written and widely used The article aims at analyzing and choosing the programming language for developing a software to simulate runoff and sediment transportation in small and medium- sized basin which is useful for the training and scientific research in universities Keyword: Sediment transport; programming