Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO TẤN QUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành: Thuỷ văn học Mã số chuyên ngành: 62 44 90 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hồn thành Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Ngô Lê Long Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Bá Quỳ Phản biện 2: TS Nguyễn Lập Dân Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Hoàng Sơn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong năm gần đây, tác động tiêu cực nhân tố tự nhiên, biến đổi khí hậu tồn cầu gây nên tình trạng xói mịn, vận chuyển bùn cát, thối hóa đất lưu vực, đặc biệt vùng đất dốc Ở Việt Nam, với 3/4 diện tích đồi núi nằm vùng nhiệt đới ẩm gió mùa, nên xói mịn xem hiểm họa đất dốc Việt Nam Nếu khơng có biện pháp phịng chống xói mịn hàng trăm đất dinh dưỡng bị sau năm đất trở nên thối hóa khơng cịn khả canh tác Chính việc “Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ” cần thiết cấp bách, áp dụng tính tốn cho lưu vực sông Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu sở khoa học xây dựng mô hình mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực - Ứng dụng mơ hình xây dựng cho số lưu vực vừa nhỏ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mơ hình tốn mơ xói mịn vận chuyển bùn cát - Phạm vi nghiên cứu: Các lưu vực vừa nhỏ Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan mơ hình tốn mơ xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ giới Việt Nam Đánh giá tồn kỹ thuật vấn đề mà luận án tập trung giải - Ứng dụng sở lý thuyết chế xói mịn vận chuyển bùn cát để phát triển mơ hình mơ q trình xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ - Thử nghiệm mơ hình xây dựng cho số lưu vực vừa nhỏ địa bàn tỉnh Sơn La Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu; Phương pháp kế thừa - Phương pháp viễn thám GIS - Phương pháp mơ hình tốn mơ xói mịn vận chuyển bùn cát - Phương pháp chuyên gia tham vấn ý kiến cộng đồng Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Kết nghiên cứu luận án góp phần khẳng định việc nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mô vận chuyển bùn cát với ứng dụng công nghệ viễn thám GIS hiệu cần thiết giai đoạn Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án cung cấp cho địa phương nguồn liệu công cụ giám sát, đánh giá, tra cứu thơng tin, theo dõi tác động xói mịn vận chuyển bùn cát đến hoạt động sản xuất khai thác sử dụng đất nước để từ đề xuất giải pháp quy hoạch tài nguyên nước, quy hoạch sử dụng đất phù hợp Những đóng góp luận án - Xây dựng mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ, với thuật toán sơ đồ sai phân Lax – Friedrich có thêm trọng số thời gian, khơng gian để giải phương trình dịng chảy phương trình vận chuyển bùn cát lưu vực - Xây dựng phương trình tương quan tính tốn xói mịn liên rãnh, xói mịn rãnh lưu vực nghiên cứu, từ dự báo lượng bùn cát bị xói mịn vận chuyển lưu vực theo cường độ mưa Cấu trúc luận án: Gồm chương Chương I: Tổng quan mơ hình tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Chương II: Nghiên cứu sở khoa học xây dựng mô hình tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Chương III: Thử nghiệm mơ hình để mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát cho số lưu vực vừa nhỏ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 1.1 Tổng quan xói mịn vận chuyển bùn cát lƣu vực 1.1.1 Một số khái niệm, thuật ngữ 1.1.1.1 Xói mịn lưu vực Xói mịn tượng phần tử mảnh, cục có lớp bề mặt đất bị bào mịn, trơi sức gió sức nước Xói mịn nước phụ thuộc vào lượng xói mịn dịng nước sức kháng xói mịn đất đá nơi dịng nước chảy qua 1.1.1.2 Bùn cát bồi lắng Bùn cát lơ lửng hạt bùn cát có kích thước nhỏ, lơ lửng khắp chuyển động trôi theo dòng nước Tốc độ chuyển động bùn cát lơ lửng tốc độ chuyển động dòng nước Bồi lắng hạt đất tách xói mòn lắng lại đất bên nguồn nước như: hồ, suối đất ngập nước Nguyên nhân gây xói mịn, ảnh hưởng đến xói mịn 1.1.2 1.1.2.1 Các yếu tố gây xói mịn a Nhóm nhân tố mưa: Lượng mưa, cường độ mưa, phân bố định đến lực phân tán hạt đất, đến lượng nước vận tốc nước chảy tràn Thời gian mưa ngắn hạn chế xói mịn khơng đủ lượng nước hình thành dịng chảy Khi cường độ mưa lớn, thời gian mưa kéo dài xói mịn nghiêm trọng b Nhóm nhân tố thành phần lý đất: Đối với đất có thành phần giới nặng kích thước hạt nhỏ, mịn, liên kết chặt, khó bị phá vỡ nên nguy xảy xói mịn khơng cao Đối với đất có thành phần giới trung bình kích thước hạt nhỏ vừa phải, liên kết vừa phải, tơi xốp, dễ bị trôi xuất dịng chảy mặt nên nguy bị xói mịn cao Đối với đất có thành phần giới nhẹ, có kết cấu bền vững có kích thước hạt lớn khó vận chuyển nên nguy xảy xói mịn khơng cao, loại đất có khả thấm nước tốt giữ nước 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mịn Có nhân tố ảnh hưởng tới xói mịn đất địa hình, loại đất, thảm thực vật, khí hậu người 1.1.3 Phân loại xói mịn lưu vực Xói mịn bắn tóe, xói mịn bề mặt, xói mịn rãnh nhỏ, xói mịn rãnh 1.1.4 Vận chuyển bùn cát lưu vực Vận chuyển trôi di chuyển hạt bùn cát từ vùng đất cao qua sơng ngịi cuối đại dương Quá trình vận chuyển bùn cát lưu vực trình phức tạp phụ thuộc vào lưu lượng dịng chảy, q trình xói mịn, chuyển tải bồi lắng 1.2 Các nghiên cứu giới 1.2.1 Nghiên cứu đánh giá chung xói mịn Q trình xói mịn gắn với hoạt động nông nghiệp Nhiều người cho đất đai bị khai thác cạn kiệt nguyên nhân khiến văn minh khứ Vì vậy, với thối hóa đất, xói mịn tồn vấn đề suốt trình phát triển nhân loại 1.2.2 Nghiên cứu mơ hình mơ q trình xói mịn vận chuyển bùn cát 1.2.2.1 Mơ hình kinh nghiệm Mơ hình kinh nghiệm chủ yếu dựa phân tích quan sát phân tích quan hệ từ liệu đo đạc Các giá trị tham số mơ hình kinh nghiệm xác định thơng qua việc hiệu chỉnh mơ hình, thường xác định từ việc kiểm định số liệu quan trắc thực tế Mơ hình kinh nghiệm khơng đề cập đến vấn đề bồi lắng lưu vực khơng tính tốn cho trận mưa, khơng xét xói mòn rãnh, kênh xem độ sâu dòng chảy tràn khơng đổi 1.2.2.2 Mơ hình nhận thức Khác với mơ hình kinh nghiệm, mơ hình nhận thức phát triển dựa vào hiểu biết qui luật vận động chế vật lý trình xói mịn, nghĩa dựa vào hiểu biết lý thuyết hoá dạng định luật hay phương trình vật lý Các trình vật lý xói mịn: Q trình tách hạt đất; q trình chuyển tải trình bồi lắng hạt đất Các mơ hình nhận thức mơ xói mịn vận chuyển bùn cát xây dựng dựa vào phương trình tốn học mơ tượng vật lý q trình xói mịn rửa trơi đất Cơ sở tốn học mơ hình tốn phương trình liên tục Bennett Phương trình liên tục thường sử dụng mơ hình động lực học xói mịn đất dốc là: qs (cy )  s  Dr  Dl (1-11) x t 1.2.3 Các thuật tốn giải mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực Các mơ hình tốn mơ xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực dựa phương trình liên tục Bennet Các mơ hình có thuật tốn giải phương pháp số trị mơ hình CREAM, EUROSEM, mơ hình có thuật tốn giải phương pháp giải tích mơ hình SWAT, WEPP.v.v Với trường hợp giải phương pháp giải tích cho sườn dốc đồng độ dốc lượng mưa vượt thấm Với trường hợp tổng quát toán thường giải phương pháp số trị, sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn lưới thời gian không gian đặc trưng 1.3 Các nghiên cứu nƣớc 1.3.1 Nghiên cứu đánh giá chung xói mịn Việt Nam nằm vùng nhiệt đới ẩm có lượng mưa tương đối lớn (từ 1800 – 2000mm) phân bố không đồng tập trung chủ yếu vào mùa mưa Lượng mưa lớn tập trung tạo dịng chảy có cường độ lớn, nguyên nhân gây tượng xói mịn đất Việt Nam 1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn mơ xói mịn vận chuyển bùn cát Nghiên cứu yếu tố gây xói mịn dự báo xói mịn đất dốc, đưa số xói mịn mưa hệ số xói mịn đất K để tiến tới áp dụng phương trình đất phổ dụng USLE Wischmeier Smith, dự báo xói mịn đất sơ thể tiềm xói mòn mưa đồ tỷ lệ nhỏ; Chưa xem xét đến yếu tố khác gây xói mịn độ dốc, độ dài sườn dốc, hệ thống trồng đa dạng, hệ số bảo vệ đất Kết nghiên cứu mức độ dự báo xói mịn khái qt Chỉ sử dụng phương trình đất phổ dụng kết hợp với GIS viễn thám nghiên cứu xói mịn đất phân tích tác động đến sản xuất nông nghiệp đem lại hiệu cao, tiết kiệm thời gian chi phí Kết dạng liệu GIS nên có tính trực quan, dễ sử dụng hiệu chỉnh Tuy nhiên hệ số K P nghiên cứu lấy tài liệu tham khảo nên phần ảnh hưởng đến kết tính tốn 1.4 Những khoảng trống nghiên cứu xói mịn vận chuyển bùn cát – Hƣớng nghiên cứu luận án 1.4.1 Những khoảng trống nghiên cứu xói mịn vận chuyển bùn cát Các nghiên cứu Việt nam chủ yếu ứng dụng mơ hình có sẵn để tính tốn xói mịn vận chuyển bùn cát Các mơ hình nước ngồi mơ hình mang tính thương mại, có giá thành cao mã nguồn đóng nên áp dụng vào lưu vực sông Việt Nam không tránh khỏi sai số định thơng số mơ hình hiệu chỉnh theo số liệu nước 1.4.2 Định hướng nghiên cứu luận án Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình hóa dịng chảy, q trình xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Từ xây dựng sơ đồ hình thành dịng chảy, vận chuyển bùn cát sơ đồ mô đường q trình dịng chảy bùn cát lưu vực Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải ổn định hội tụ phương trình liên tục dịng chảy, phương trình động lượng phương trình xói mịn vận chuyển bùn cát Kết luận chƣơng Tác giả tổng quan mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực giới Việt Nam, từ ra, Việt Nam ứng dụng mơ hình, mơ hình giới mang tính chất thương mại với giá thành cao, mã nguồn đóng, thơng số xây dựng dựa đặc điểm vật lý lưu vực giới nên ứng dụng vào lưu vực Việt nam có sai số lớn Vậy để khắc phục tồn nêu tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Việt Nam CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 2.1 Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1.1 Phương trình thấm Quá trình thấm tính tốn từ phương trình tính tốn lượng tổn thất thấm thời gian mưa Phương trình thấm Green – Ampt Mein – Larson  (  o )  c  fi  K e 1   I   (2-1) 2.1.1.2 Phương trình mơ dịng chảy a Hệ phương trình mơ dịng chảy bề mặt lưu vực h (uh) Phương trình liên tục:  r t x (2-2) Phương trình đô ̣ng lươ ̣ng: u uu g h ru    g ( S0  S f )  t x x h (2-3) với u = αhm-1 (2-5) Thay (2-5) vào phương trình (2-2) ta được: h    (h m )  r t x b Hệ phương trình mơ dòng chảy kênh/sơng: (2-6) Phương trình liên tục: A (uA)   qA t x (2-10) Phương trình động lượng: q u u uu g h    g ( S0  S f )  A t x x A (2-11) 2.1.1.3 Phương trình mơ dịng chảy a Phương trình mơ xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực Mơ hình mơ xói mịn vận chuyển bùn cát thiết lập dựa vào phương trình tốn học mơ tượng vật lý q trình xói mịn vận chuyển bùn cát Cơ sở toán học tượng vật lý phương trình liên tục Bennett Phương trình liên tục mơ xói mòn vận chuyển bùn cát biểu diễn sau:   Cs h  qs   Ch    qs  (2-14) s    ( x, t)    t x t x b Phương trình mơ xói mịn vận chuyển bùn cát kênh/sông: (CA) (CQ)   er  d  qs t x (2-17) Điều kiện biên: C(0,t) = C0(t) t≥0 (2-18) Điều kiện ban đầu: C(x,0) = x≥0 (2-19) 2.1.2 Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải Hiện có nhiều phương pháp để giải hệ phương trình diễn tốn dịng chảy hệ phương trình diễn tốn xói mịn, vận chuyển bùn cát Trong nghiên cứu luận án dùng thuật toán lược đồ sai phân hữu hạn Lax- Friedrichs thêm trọng số thời gian trọng số không gian gọi lược đồ sai phân hữu hạn LaxFriedrichs có trọng số (LFW) để giải hệ phương trình diễn tốn dịng chảy hệ phương trình diễn tốn xói mịn vận chuyển bùn cát Thuật tốn chứng minh tính hội tụ phương trình nêu 2.1.2.1 Thuật tốn giải hệ phương trình mơ ph ỏng dịng chảy bề mặt lưu vực a.Thuật toán giải: Với xj = jΔx, tn = nΔt cơng thức sai phân Lax-Friedrichs (LF) tính gần đạo hàm cấp hàm u = u(x,t) điểm (xj, tn): u   ( x j , tn )  u nj 1  (u nj 1  u nj 1 )    t t   (2-24)   u n n  (x ,t )  u j 1  u j 1 j n  2x  x   Lược đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrich có trọng số (LFW) viết:  u  n 1   n  n n  ( x j ; tn )   u j  (1   )u j  (u j 1  u j 1 )   , t     t  n 1 n 1 n n  u ( x ; t )    u j 1  u j 1   (1   )  u j 1  u j 1   x j n   2x  2x      2.2.1 2.2.1.1 Quá trình liên rãnh Khả xói mịn liên rãnh Trong tính tốn xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực phức tạp nên để đơn giản hóa tác giả chọn phương trình sau: Eil = ail.iket 2.2.1.2 (2-66) Vận chuyển bùn cát liên rãnh Trong mơ hình tác giả sử dụng phương trình Meyer Wischmeier để xác định khả vận chuyển bùn cát liên rãnh sau: Tcl = acl.Io5/3.q5/3 2.2.2 2.2.2.1 (2-70) Các q trình xói mịn rãnh Xói mịn rãnh Có nhiều cơng thức tính xói mòn rãnh phức tạp phụ thuộc vào nhiều nhân tố nên tác giả chọn phương trình có mối quan hệ nhân tố đơn giản để tính tốn mơ sau: Ei = Ciqs KCslr 2.2.2.2 (2-74) Vận chuyển bùn cát rãnh Có nhiều phương trình xây dựng để tính sức vận chuyển bùn cát phương trình điều có tính ứng dụng phù hợp với mơ hình Tác giả chọn phương trình sau để tính tốn: Tc = 3600.ac.q.ρs 2.2.3 2.2.3.1 (2-75) Q trình lịng kênh/sơng Sức tải bùn cát kênh/sông Sức tải bùn cát tính theo phương trình Parsons nnk q sl  3600  2.2.3.2 E il  A  t  q VQ (2-76) Vận chuyển bùn cát kênh/sông Vận chuyển bùn cát sông mô theo phương trình Engelund Hansen sau: TCch  0,05  v  h1/2  I 03/2  s  g1/2  d 12 (2-77) 2.3 Phân tích lựa chọn ngơn ngữ xây dựng mơ hình Ngơn ngữ lập trình C++ ngơn ngữ lập trình cấp cao, thư viện chứa nhiều hàm (function) tạo sẵn Người lập trình tận dụng hàm để giải toán mà không cần tạo Hơn nữa, ngôn ngữ C ++ hỗ trợ nhiều phép toán nên phù hợp cho việc giải tốn kỹ thuật có nhiều cơng thức phức tạp Ngồi ra, C++ cho phép người lập trình tự định nghĩa thêm kiểu liệu trừu tượng khác Chính vậy, tác giả chọn C++ để xây dựng mơ hình mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Cấu trúc chức số chƣơng trình 2.4 2.4.1 2.4.1.1 Cấu trúc số mơ đun Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần Thành phần thủy văn : Xử lý dữ liê ̣u mưa đầ u vào và tính toán lươ ̣ng mưa sinh dòng qua phương trin ̀ h Green-Ampt-Lason (1973) a b Thành phần xói mịn b ồi lắng: Tính lượng bùn cát sinh tác ̣ng mưa và dòng chảy ; Tính lượng bùn cát bồ i lắ ng lưu v ực và kênh/sông thông qua phương trình liên tu ̣c bùn cát vớ i thuâ ̣t toán lươ ̣c đồ sai phân hữu ̣n LFW 2.4.1.2 Một số mơ đun a Mơ đun tính tốn xói mịn vận chuyển bùn cát liên rãnh b Mơ đun tính tốn xói mịn vận chuyển bùn cát rãnh c Mơ đun tính lượng bùn cát vận chuyển sông đến cửa lưu vực 2.4.2 Chức số chương trình Thực hiê ̣n viê ̣c ghi chép vào nơi lưu trữ thông tin ta ̣m thời của máy tiń h Giải phương trình ẩn phi tuyến tổng t hể bằ ng cách sử du ̣ng sơ đồ lă ̣p Newton - Rapson Tính lượng bùn cát sinh dưới tá c ̣ng của mưa và ứng suấ t trươ ̣t từ dòng chảy mặt ; tính lư ợng bùn cát bồ i lắ ng ti ểu lưu vực bằ ng cách sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn LFW với phương trình liên tục bùn cát 13 Tính lượng bùn cát sinh bởi ứng suấ t trươ ̣t dòng chảy tâ ̣p trung gây ; tính lượng bùn cát bờ i lắ ng các kênh /sông bằ ng cách sử du ̣ng lươ ̣c đồ sai phân hữu ̣n LFW 2.5 Giao diện sử dụng chƣơng trình Hình 2-7 Màn hình khởi động chương trình Hình 2-8 Giao diện mở tệp liệu Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn Lax –Frierichs có thêm trọng số thời gian khơng gian (LFW) để giải phương trình dịng chảy phương trình vận chuyển bùn cát lưu vực Tác giả chứng minh tính hội tụ thuật tốn phương trình Trên sở đó, luận án sử dụng ngôn ngữ C++ để xây dựng mô hình mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ 14 CHƢƠNG THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH ĐỂ MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 3.1 Số liệu đầu vào cho mơ hình 3.1.1 Tạo sở liệu Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Số hóa đồ thổ nhưỡng, thảm phủ, địa hình hệ thống sơng Mơ hình hóa độ cao lưu vực dựa vào đồ địa hình Nhờ vào phép phân chia, chồng ghép đồ theo đồng địa hình, hướng dịng chảy, thổ nhưỡng tính chất thảm phủ lưu vực để phân chia lưu vực thành tiểu lưu vực, từ xác định hướng dịng chảy tiểu lưu vực Tạo tệp số liệu mưa, lưu lượng dòng chảy thực đo, lưu lượng bùn cát lơ lửng thực đo thơng số mơ hình 3.1.2 Chạy mơ hình Khi nhập liệu vào mơ hình, chạy chương trình ta có kết mơ dịng chảy, kết mô vận chuyển bùn cát lưu vực dạng đồ thị Trên sở hiệu chỉnh thơng số mơ hình theo số liệu thực đo thông số mô hình 3.2 Thử nghiệm mơ hình để mơ xói mòn vận chuyển bùn cát 3.2.1 Lưu vực Nậm Sập 3.2.1.1 Vị trí địa lý Lưu vực Nậm Sập thuộc địa phận huyện Mộc Châu, Yên Châu, Bắc Yên, Mai Sơn, Vân Hồ tỉnh Sơn La, có diện tích tự nhiên 1085,52km2, chiếm 7,66% tổng diện tích tồn tỉnh Nằm phạm vi địa lý: 104o11'09’’– 104o42'54 kinh độ Đơng, 20o42'8 – 21o10'15 vĩ độ Bắc, phía Tây giáp lưu vực suối Nậm Pàn, phía Đơng giáp huyện Vân Hồ, phía Nam giáp Lào 3.2.1.2 Đặc điểm địa hình Nằm cách thành phố Sơn La 40,5km trục Quốc lộ Hà Nội - Sơn La Điện Biên, lưu vực Nậm Sập lưu vực nằm sâu nội địa, có đặc điểm địa hình phức tạp, bị chia cắt mạnh độ dốc lớn, xen kẽ dãy núi 15 3.2.1.3 Đặc điểm thổ nhưỡng Lưu vực Nậm Sập có nhóm đất chính: Đất nâu vàng, đất xám feralit, đất xám mùn núi núi đá 3.2.1.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật trạng sử dụng đất Lưu vực Nậm Sập lưu vực có nhiều loại đất phù hợp với nhiều loại Diện tích rừng thuộc tiểu vùng 27.573,5ha, chiếm 25,48% diện tích tồn tiểu vùng, diện tích rừng tự nhiên giàu trung bình 8.847,06ha, diện tích rừng tự nhiên nghèo 11.752,06ha Đất trồng công nghiệp chiếm 0,93%, đất lúa màu chiếm 29,86% 3.2.1.5 Đặc điểm khí hậu Lưu vực Nậm Sập có khí hậu nhiệt đới, mang đặc điểm khí hậu chung vùng Tây Bắc: Mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm Tuy nhiên, chế độ nhiệt, chế độ mưa, số nắng có khác so với số tiểu vùng Nhiệt độ trung bình năm trạm Cị Nịi dao động khoảng từ 19,70C 22,20C, trạm Mộc Châu từ 17,00C - 20,30C, tháng có nhiệt độ cao trạm Cò Nòi 25,80C, trạm Mộc Châu 23,40C vào tháng 7, nhiệt độ thay đổi lớn mùa đông mùa hè, ngày đêm Tuy nhiên, nhiệt độ có xu tăng năm gần 3.2.1.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn Lưu vực Nậm Sập có trạm đo mưa xây dựng hoạt động từ năm 60 kỷ 20, có trạm ngừng hoạt động, trạm Mộc Châu, Cò Nòi Tà Làng hoạt động với chất lượng đo đạc đáng tin cậy 3.2.1.7 Yêu cầu số liệu đầu vào mơ hình - Số liệu khí tượng thủy văn lưu vực năm 1962, 1973, 1980, 2010, 2011, 2012 2013 bao gồm số liệu mưa (giờ), nhiệt độ, bốc số liệu lưu lượng dòng chảy (giờ), lưu lượng bùn cát (giờ) trạm Thác Mộc - Số liệu tình hình sử dụng đất, loại đất lưu vực Nậm Sập tính đến trạm Thác Mộc - Các đồ địa hình, đồ mạng lưới sơng suối, lưới trạm khí tượng thủy văn, đồ thổ nhưỡng, đồ sử dụng đất 16 3.2.1.8 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình a Hiệu chỉnh mơ hình Tác giả chọn trận lũ tháng 9/1962 để hiệu chỉnh thơng số mơ hình Kết hiệu chỉnh mơ hình thể (hình 3-9) dạng biểu đồ so sánh kết tính tốn thực đo vị trí trạm thủy văn kiểm tra số kiểm định NASH tương ứng trạm Kết tính tốn hiệu chỉnh thơng số mơ hình cho hệ số Nash đạt 81%, chênh lệch đỉnh lũ tính tốn thực đo 13m3/s Hệ số tương quan kết tính tốn số liệu thực đo đạt 0.93 Các thơng số mơ hình vận chuyển bùn cát: Hệ số xói mịn tách rời liên rãnh (ail) Hệ số khả xói mịn đất (ket) Hệ số vận chuyển bùn cát liên rãnh (acl) Hệ số xói mịn rãnh (Ci) Hệ số vận chuyển bùn cát rãnh (ac) b Kiểm định mơ hình Hình 3-9 Đường q trình lưu lượng tính tốn thực đo 17 Hình 3-10 Đường q trình hàm lượng bùn cát tính tốn thực đo Hình 3-11 Lưu lượng bùn cát lưu vực Thác Mộc 3.2.2 Lưu vực Phiêng Hiềng 3.2.2.1 Vị trí địa lý Lưu vực Phiêng Hiềng thuộc địa phận huyện Bắc Yên, Phù Yên tỉnh Sơn La, có diện tích tự nhiên 431km2, chiếm 3,04% tổng diện tích tồn tỉnh Nằm phạm vi địa lý: 104o24'41’–104o38'8’’ kinh độ Đơng, 21o24'49’’– 21o05'38’’ vĩ độ Bắc, phía Tây giáp lưu vực suối Gạo huyện Bắc Yên, phía Bắc 18 giáp với tỉnh n Bái, phía Đơng giáp với lưu vực Suối Tốc huyện Phù Yên, phía Nam giáp với xã Chiềng Sại huyện Bắc Yên 3.2.2.2 Đặc điểm địa hình Lưu vực Phiêng Hiềng lưu vực nằm sâu nội địa, có đặc điểm địa hình phức tạp, bị chia cắt mạnh độ dốc lớn, 100% diện tích tự nhiên thuộc lưu vực sơng Đà, xen kẽ dãy núi 3.2.2.3 Đặc điểm thổ nhưỡng Lưu vực Phiêng Hiềng có nhóm đất chính: Đất xám feralit, đất nâu đỏ, đất xám mùn núi 3.2.2.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật trạng sử dụng đất Lưu vực Phiêng Hiềng có nhiều loại đất phù hợp với nhiều loại cây, diện tích đất trống chiếm 0,26%, đất trống có cỏ chiếm 29,60%, diện tích rừng nghèo chiếm 9,07%, diện tích rừng non có trữ lượng 1.57% v.v 3.2.2.5 Đặc điểm khí hậu Lưu vực Phiêng Hiềng có khí hậu nhiệt đới, mang đặc điểm khí hậu chung vùng Tây Bắc: Mùa đơng lạnh, mùa hè nóng ẩm Tuy nhiên, chế độ nhiệt, chế độ mưa, số nắng có khác so với số tiểu vùng Do lưu vực khơng có trạm đo nên sử dụng số liệu trạm Phù Yên, Bắc Yên trạm thuộc vùng phụ cận tiểu lưu vực Độ ẩm trung bình năm trạm Phù Yên đạt khoảng 77% - 83%, trạm Bắc Yên đạt khoảng 78% - 84%, độ ẩm tương đối cao, độ ẩm thấp vào tháng 3, xuống đến 78% - 79% 3.2.2.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn Do lưu vực Phiêng Hiềng nhỏ nên khơng bố trí trạm đo mưa, vùng phụ cận lưu vực có trạm đo mưa Bắc Yên Phù Yên với chất lượng đo đạc đáng tin cậy 3.2.2.7 Yêu cầu số liệu đầu vào - Số liệu khí tượng thủy văn lưu vực năm 1973, 1976 bao gồm số liệu mưa (giờ), nhiệt độ, bốc trạm Phù Yên số liệu lưu lượng (giờ), lưu lượng bùn cát (giờ) trạm Phiêng Hiềng - Số liệu tình hình sử dụng đất, loại đất lưu vực Phiêng Hiềng - Các đồ địa hình, đồ mạng lưới sơng suối, lưới trạm khí tượng thủy 19 văn, đồ thổ nhưỡng, đồ sử dụng đất 3.2.2.8 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình Sau thiết lập mơ hình, tiến hành hiệu chỉnh thơng số mơ hình Số liệu lưu lượng trạm Phiêng Hiềng năm 1973 sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình Kết hiệu chỉnh mơ sau: Hình 3-20 Đường q trình lưu lượng tính tốn thực đo Hình 3-21 Đường trình hàm lượng bùn cát tính tốn thực đo 20 3.2.3 Xây dựng phương trình tương quan 3.2.3.1 Phân tích độ nhạy thơng số mơ hình a Phương pháp phân tích độ nhạy thơng số Phân tích độ nhạy nghiên cứu mối quan hệ thông tin vào mơ hình Độ nhạy tính tốn nhiều phương pháp hay phân tích định tính định lượng Để phân tích độ nhạy thơng số mơ hình tốn, người ta đưa khái niệm véc tơ ứng với thơng số (ví dụ véc tơ x nhận giá trị khoảng a  b, ta viết x[a,b] Số lượng trị nhân tố thuộc [a,b] nhiều hay tùy thuộc yêu cầu xác phương pháp b Kết phân tích độ nhạy thơng số Có nhiều thơng số tham gia vào trình hình thành vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ mà mô hình hóa thơng qua mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực Phương pháp phân tích độ nhạy thơng số có vai trị quan trọng mơ hình, thơng số khơng quan trọng Luận án phân tích độ nhạy tổ hợp thơng số: Cường độ mưa, hệ số xói mòn bong tách liên rãnh, độ dốc lưu vực, mật độ rãnh, độ che phủ đất khả xói mịn đất 3.2.3.2 Phân tích tương quan xói mòn liên rãnh lưu vực với độ dốc cường độ mưa Lượng bùn cát bị xói mịn liên rãnh lưu vực hàm số cường độ mưa độ dốc lưu vực Thử nghiệm tính tốn với cường độ mưa khác lưu vực Phiềng Hiềng lưu vực Nậm Sập cho ta kết tính tốn xói mịn liên rãnh lưu vực Phương trình cho bong tách liên rãnh có dạng tổng quát: Ei= a.i2.Iob (3-2) Từ kết tính tốn xây dựng phương trình cho bong tách liên rãnh lưu vực vừa nhỏ thuộc tỉnh Sơn La dựa số liệu tính toán sau: Ei  0,0002  i  I o 1,6 21 (3-3) 3.2.3.3 Phân tích tương quan xói mịn rãnh lưu vực với độ dốc cường độ mưa Lượng bùn cát xói mịn rãnh lưu vực hàm số cường độ mưa độ dốc lưu vực Thử nghiệm tính tốn với cường độ mưa khác lưu vực cho ta kết tính tốn xói mịn rãnh lưu vực Phương trình cho xói mịn rãnh có dạng tổng quát sau: Er= c.i2.Iod (3-4) Kết phân tích tương quan xói mịn rãnh lưu vực với độ dốc cường độ mưa hình vẽ sau: Hình 3-26 Tương quan xói mịn rãnh độ dốc, cường độ mưa 22 Kết luận chƣơng Tác giả chọn hai lưu vực để kiểm tra độ tin cậy mơ hình, kết cho thấy đường biểu diễn dòng chảy đường biểu diễn vận chuyển bùn cát hai lưu vực tính tốn thực đo phù hợp dạng đường đỉnh Ngoài ra, chúng tơi xây dựng phương trình tương quan xói mòn liên rãnh với độ dốc cường độ mưa, phương trình tương quan xói mịn rãnh với độ dốc cường độ mưa dựa trình phân tích độ nhạy thơng số KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết nghiên cứu luận án việc nghiên cứu sở khoa học xây dựng mơ hình tốn mơ q trình vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ, áp dụng cho lưu vực miền núi phía Bắc thuộc tỉnh Sơn La quan điểm tiếp cận trình vật lý trình vận chuyển bùn cát với phương pháp cơng cụ tính tốn tiên tiến, đặc biệt việc giải phương trình tốn học, kết hợp với việc lập trình ngơn ngữ C++ rút số kết luận sau: - Trên sở tổng quan mơ hình mơ q trình vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ áp dụng giới Việt Nam, điều kiện lưu vực có địa hình dốc, việc lựa chọn ngôn ngữ C++ mô trình vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ hợp lý, thích hợp điều kiện nay, xây dựng công cụ để mô phát triển cơng nghệ tính tốn dịng chảy bùn cát lưu vực vừa nhỏ có sở khoa học - Sơn La tỉnh miền núi phía Bắc với điều kiện địa hình dốc, nguy xảy xói mịn, thối hóa đất vận chuyển dịng bùn cát bề mặt lưu vực lớn, yếu tố ảnh hưởng đến việc vận chuyển bùn cát lưu vực gồm mưa, thảm phủ thực vật, độ dốc, đất hoạt động khai thác người Các yếu tố tạo nguồn vật chất cho việc vận chuyển bùn cát bề mặt lưu vực thổ nhưỡng - Nghiên cứu lý luận thực nghiệm số sơ đồ giải phương pháp sai phân Lax- Friedrichs quy mô không gian thời gian nhằm nâng cao độ 23 xác độ ổn định mơ hình tính tốn, có độ ổn định cao - Việc vận dụng mơ hình tính tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực cho thấy mưa yếu tố gây nên vận chuyển bùn cát lưu vực Độ dốc nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến xói mịn dịng chảy mặt Độ dốc lớn xói mịn mặt lớn ngược lại Nếu độ dốc lưu vực tăng lên 30% lượng bùn cát lưu vực tăng lên khoảng 12% - Từ lượng mưa độ dốc lưu vực, thơng qua phương trình tương quan xói mòn rãnh, liên rãnh với lượng mưa độ dốc, tính tốn lượng xói mịn rãnh liên rãnh, từ tính lượng bùn cát vận chuyển đến cửa lưu vực Những đóng góp luận án - Xây dựng mơ hình mô vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ, với thuật toán sơ đồ sai phân Lax – Friedrichs có thêm trọng số thời gian, khơng gian để giải phương trình dịng chảy phương trình vận chuyển bùn cát lưu vực - Xây dựng phương trình tương quan tính tốn xói mịn liên rãnh, xói mịn rãnh lưu vực nghiên cứu, từ dự báo lượng bùn cát bị xói mòn vận chuyển lưu vực theo cường độ mưa Kiến nghị Việc tính tốn mơ vận chuyển bùn cát sơng tính dựa cân bùn cát, tính tốn cho hạt bùn cát đồng Vì thời gian tới cần tiếp tục nghiên cứu tính tốn cho xói mịn đáy xói mịn bờ Việc ứng dụng mơ hình dựa hai lưu vực nghiên cứu thuộc tỉnh Sơn La, cần tiếp tục hồn thiện mơ hình, nghiên cứu thử nghiệm cho lưu vực khác Cần kết nối công nghệ GIS để thiết lập mơ hình sở mơ địa hình chi tiết lưu vực, tăng mức độ xác mơ hình 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Đào Tấn Quy Phạm Thị Hương Lan “Xây dựng đồ hiểm họa trượt lở đất tỉnh Sơn La” Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy Lợi Môi trường Số 51 T12/2015) Đào Tấn Quy “Xây dựng mơ hình tốn mơ q trình vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ (Áp dụng cho lưu vực suối Sập tỉnh Sơn La)” Tạp chí Khí tượng thủy văn Số 657 T9/2015 Đào Tấn Quy “Xây dựng mơ đun tính tốn dịng chảy mơ hình mơ trình vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ (Áp dụng cho lưu vực suối Sập tỉnh Sơn La)” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy Lợi Môi trường Số 48 T3/2015 Đào Tấn Quy, Trần Kim Châu, Phạm Thị Hương Lan Nguyễn Thế Tồn “Ứng dụng hệ thơng tin địa lý q trình phân tích cấp bậc để tiến hành xây dựng đồ hiểm họa trượt lở đất tỉnh Sơn La” Hội nghị khoa học thường niên ĐHTL năm 2014 Trang 474-476 Đào Tấn Quy Phạm Thị Hương Lan “Nghiên cứu sở lý thuyết xây dựng mô hình tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ” Hội nghị khoa học thường niên ĐHTL năm 2013 Trang 175-177 Đào Tấn Quy Phạm Thị Hương Lan “Nghiên cứu phân tích lựu chọn ngơn ngữ phần mềm mơ hình tốn mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy Lợi Môi trường Số 40 T3/2013 ... tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Việt Nam CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 2.1... mơ hình tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Chương II: Nghiên cứu sở khoa học xây dựng mơ hình tốn mơ vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Chương III: Thử nghiệm mơ hình để mơ dịng chảy vận. .. trình xói mịn vận chuyển bùn cát lưu vực vừa nhỏ Từ xây dựng sơ đồ hình thành dịng chảy, vận chuyển bùn cát sơ đồ mơ đường q trình dịng chảy bùn cát lưu vực Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải ổn