Mơ hình thủy văn HYDROTEL

CHƢƠNG 2 : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Mơ hình thủy văn HYDROTEL

HYDROTEL là một dạng mơ hình thủy văn phân bố do Trung tâm Đất, Nước và Môi trường – Viện nghiên cứu Khoa học Quốc gia Québec (INRS, Institut National de la Recherche Sientifique) xây dựng trong những năm gần đây (Fortin – 2001). HYDROTEL có giao diện thuận tiện và đã được ứng dụng tại nhiều lưu vực ở Canada và trên thế giới.

Mơ hình HYDROTEL bao gồm 6 mơ hình thành phần, ứng với 6 bài tốn cụ thể: (1) tính phân bố lượng mưa trên lưu vực, (2) tính lượng tuyết tan, (3) tính bốc thốt hơi nước, (4) tính cân bằng nước theo phương đứng (tương tác với dòng chảy ngầm), (5) diễn tốn dịng chảy trên bề mặt, (6) diễn tốn dịng chảy trong hệ thống sông.

a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình HYDROTEL

 Cấu trúc khơng gian: Trên cơ sở các bản đồ cao độ số, mạng sông suối, bản đồ thảm phủ và bản đồ loại đất có độ phân giải cao, chương trình PHYSTEL tạo ra các bản đồ về độ dốc, hướng dòng chảy, mạng sông suối chi tiết, và bản đồ phân chia lưu vực thành các đơn vị thủy văn (RHHU- Relatively Homogeneous Hydrological Units) có tính tương đối đồng nhất về đặc trưng thủy văn.

Hình 2.4 : Ví dụ A) lưu vực chia thànhcác đơn vị thủy văn tương đối đồng nhất (RHHU); B) hướng dòng chảy trong RHHUs.

Hình 2.5: a) Phân loại sử dụng đất; B) Loại đất.

 Tính lượng mưa trên lưu vực: Mơ hình tính tốn lượng mưa dựa trên 2 dạng số liệu: số liệu mưa tại trạm và số liệu mưa ra đa. Số liệu mưa ra đa sẽ được phân tích và cập nhật đến từng ơ lưới trên lưu vực, trong khi đó số liệu mưa trại trạm đo được sử dụng để tính lượng mưa phân bổ theo 2 phương pháp nội suy: nội suy đa giác Thiessen và nội suy 3 trạm gần nhất.

 Tính lượng bốc hơi tiềm năng: Việc tính tốn cân bằng nước tại mỗi bước thời gian đều u cầu tính tốn lượng bốc hơi thực tế từ các thảm thực vật trên bề mặt cũng như sư bay hơi từ đất trống. Để cho phép tính tốn lượng bốc hơi tiềm năng trên các lưu vực, HYDROTEL sử dụng một trong 5 phương pháp:

Thornthwaite (1948), Hydro-Québec, Linacre (1977), Penman-Monteith (Monteith, 1965) và Priestley-Taylor (1972). Trong một vài nghiên cứu, cả 5 phương trình được so sánh với số liệu đo thực tế thì Hydro-Québec cho kết quả tốt hơn so với các phương trình khác.

 Cân bằng nước theo chiều thẳng đứng: Đây là một trong những thành phần chính trong mơ hình HYDROTEL. Thuật tốn cân bằng nước theo chiều đứng trong đất BV3C (cân bằng sử dụng 3 lớp đất) được phát triển để mơ phỏng q trình vật lý và tương thích với dữ liệu viễn thám và GIS (Fortin et al, 1995 et 2001). Trong BV3C tầng đất chứa nước được chia thành 3 lớp (Hình 2.4): lớp bề mặt tương đối mỏng (10 – 20cm) là lớp đất bị ảnh hưởng bởi sự bay hơi và có ảnh hưởng trực tiếp đến dịng chảy mặt; lớp thứ hai là lớp chuyển tiếp giữa lớp đầu tiên và lớp thứ 3, vai tròn của nó là tạo ra các dịng chảy trễ trong lớp đất khơng bão hịa; dịng chảy cơ sở (nước ngầm) được tạo ra bởi lớp thứ 3.

Hình 2.6: Phân chia tầng đất chứa nước

CÂN BẰNG NƢỚC CHIỀU THẲNG ĐỨNG

Mưa và tuyết tan chảy

Lớp chứa nước 1 Lớp chứa nước 2 Lớp chứa nước 3 ĐẤT Bốc hơi nước Dòng chảy bề mặt Dòng chảy sát mặt Dòng chảy ngầm

Dòng chảy thẳng đứng giữa các lớp được xác định theo các phương trình:                    1 2 1 2 1 1 2 2 , 1 2 , 1 K Z Z Z q                          1 2 2 3 1 2 2 3 3 , 2 3 , 2 K Z Z Z Z q  

Dòng chảy ngang trong các lớp được xác định Beven (1989)

    S Z Z  K Q2 2 sin arctan n 2 1  3 23 3 k Z Z Q  r 

Trong đó: Kij là độ dẫn giữa 2 lớp i và j; θi độ ẩm trong lớp I; ψ là hàm thế bão hòa; Sn là độ dốc, Zi là cao độ đáy lớp I; kr là hệ số rút nước.

 Dòng chảy trên bề mặt: Phương pháp để xác định dịng chảy mặt là phương pháp sóng động học. Khi sử dụng phương pháp sóng động học, các phương trình cho phép tính dịng chảy có thể được coi như xấp xỉ với phương trình Saint – Vernant 1 chiều. Trong trường hợp này, các phương trình liên tục được mơ tả bởi phương trình: i t h x R       Và phương trình Manning dạng động học : R S n h  d        0 5 3 Trong đó:

R là dịng chảy giữa các ơ lưới (m2s-1); h là độ sâu của dòng chảy (m);

i dòng chảy từ sự cân bằng thẳng đứng (m s-1); n là hệ số Manning; S0 là độ dốc của bề mặt lưới (m m-1 ); d là hệ số (= 3/5); x là khoảng cách (m); t là thời gian (s).

b) Các thơng số cơ bản của mơ hình HYDROTEL

 Giới hạn lưu vực nghiên cứu và mạng sông suối: Bản đồ độ cao và mạng sông suối cần được thu thập nhằm thiết lập các đơn vị thủy văn mà trong đó mỗi đơn vị có đặc tính tương đối đồng nhất.

 Phân loại đất và thảm phủ thực vật: Các thông tin về hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ thổ nhưỡng được xử lý từ ảnh vệ tinh và tích hợp vào GIBSI thơng qua mơ hình Physitel. Trong mơ hình này, thành phần cơ giới đất được chia thành 11 loại chính dựa trên tam giác cơ giới:

Hình 2.7: Tam giác phân loại đất theo thành phần cơ giới

 Các số liệu khí tượng và thủy văn: Để phục vụ tính tốn mơ hình thủy văn cho lưu vực nghiên cứu, các số liệu khí tượng , thủy văn cần được thu thập. Số liệu khí tượng bao gồm các thơng số: nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt độ cao nhất, nhiệt độ thấp nhất, lượng mưa ngày, độ ẩm tương đối, bốc hơi ngày, tốc độ gió tối đa, hướng gió, số giờ nắng, nhiệt độ ướt. Số liệu thủy văn gồm có thơng số về mực nước, lưu lượng và lượng mưa ngày.

Trong khn khổ của đề tài nghiên cứu, mơ hình thủy văn Hydrotel được xây dựng cho phần thượng du LVS Cầu thuộc 2 tỉnh Thái Ngun và Bắc Cạn. Mơ hình

được thiết lập bao gồm 1003 đoạn sơng, 02 hồ, 1015 lưu vực đơn vị và diện tích thu nước là 4415,5km2.

 Hiệu chỉnh mơ hình:

Căn cứ vào kết quả phân tích độ nhạy của các tham số mơ hình, mơ hình được hiệu chỉnh bằng phương pháp thử - sai để xác định các thông số phù hợp cho giai đoạn 1997 – 2001.

Q trình hiệu chỉnh mơ hình Hydortel thu được bộ thông số bao gồm 7 tham số được trình bày trong bảng 2.2.

Bảng 2.2: Bộ thơng số hiệu chỉnh cho mơ hình Hydrotel

TT Dạng tham số Trị số

1 Chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (0C/100m) -0,5

2 Hệ số bốc hơi 0,9 3 Hệ số DES 0,6 4 Hệ số rút nước (m/h) 1e – 5 5 Hệ số nhám vùng rừng 0,5 6 Hệ số nhám vùng nước 0,015 7 Hệ số nhám các vùng khác 0,2

Kết quả hiệu chỉnh được đánh giá theo cá chỉ số Nash-Sutcliffe và RCEQM xác định tại bảng 2.3.

Bảng 2.3: Các tiêu chuẩn đánh giá

Chỉ tiêu Cơng thức tính Ghi chú

Chỉ số Nash – Sutcliffe ∑ ∑ ̅̅̅̅

Kết quả tính tốn tốt nhất khi chỉ số này tiến càng gần đến 1 và chấp nhận được khi lớn hơn hoặc

bằng 0,6

Chỉ số RCEQM √∑

Kết quả tính tốn tốt nhát khi chỉ số này tiến hành

càng gần đến 0. Chỉ số này đặc trưng cho tính đồng pha giữa kết quả tính

và đại lượng đo đạc.

(Nguồn: Hà Ngọc Hiến, 2012)

Trong đó: Si là các giá trị kết quả mơ phỏng Oi là giá trị quan trắc

̅̅̅ là giá trị trung bình của n thời điểm quan trắc i là thời điểm quan trắc thứ i

n là số thời điểm quan trắc

Kết quả hiệu chỉnh cho giai đoạn 1997 – 2001 thu được chỉ số Nash Sutcliffe là 0,82 và RCEQM là 1,122 m3/s, đạt mức độ mô phỏng tốt (bảng 2.4)

Bảng 2.4 : Các chỉ số đánh giá mức độ mô phỏng giai đoạn 1997 - 2001

Chỉ số Trị số Đánh giá mức độ mô phỏng

chỉ số Nash Sutcliffe 0,82 Tốt

 Kiểm định mơ hình:

Các tham số của mơ hình nhận được từ kết quả hiệu chỉnh được giữ nguyên để thực hiện kiểm định mơ hình. Các số liệu quan trắc từ năm 2002 – 2008 được sử dụng để kiểm định. Kết quả kiểm định cho chỉ số Nash-Sutcliffe là 0,75 và RECQM là 1,17 m3/s , đạt mức độ mơ phỏng tốt.

2.2.2. Mơ hình xói mịn lưu vực RUSLE

a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình RUSLE

Trong mơ hình GIBSI, q trình xói mịn do mưa và dịng chảy được mô tả bởi phương trình xói mịn của Wiliams [1] (RUSLE – Revised Universal Soil Loss Equation) có dạng tổng quát như sau:

A = R.K.LS.C.P

Trong đó:

A là khối lượng xói mịn trung bình năm R là hệ số xói mịn do mưa

K là hệ số xói mịn do kết cấu đất LS là hệ số xói mịn do địa hình

C là hệ số xói mịn do thảm phủ thực vật P là hệ số xói mịn do kỹ thuật canh tác.

b) Các thông số cơ bản của mơ hình RUSLE:

 Hệ số xói mịn do mưa (R) được xây dựng theo công thức của Nguyễn Trọng Hà (1996):

R = 0,548257P -59,5

Với R là hệ số xói mịn mưa trung bình năm (J/m2 )

P là lượng mưa trung bình năm (mm/năm). Lượng mưa trung bình năm được tính tốn bằn phương pháp nội suy Natural Neighbor cho phép nội suy giá trị mưa cho tồn lưu vực tương đối chính xác.

 Hệ số xói mịn do kết cất đất (K) là hệ số phụ thuộc nhiều vào thành phần cơ lý của đất, quan trọng nhất là kích thước hạt, tương quan giữa các thành phần khác

nhau trong đất cũng như kết cấu đất và khả năng thẩm thấu của nó. Cơng thức tính hệ số K được Wischmeier đưa ra:

K =2,1.10-4.M1,14(12-OS) +(3,25 (A-2) +2,5(D-3))

Trong đó:

K là hệ số xói mịn của đất (T/ acre.1000.foot.tonf.inch.acre-1.h-1)

M là trọng lượng cấp hạt (trọng lượng theo đường kích cấp hạt). M được xác định theo cơng thức:

(%)M = (%limon + % cát mịn) (100% -% sét)

OS : là hàm lượng chất hữu cơ trong đất (%)

D : là hệ số phụ thuộc và khả năng tiêu thấm của đất

A : là hệ số phục thuộc vào dạng hình, sắp xếp và loại kết cấu đất.

 Hệ số địa hình LS

Độ dài và độ nghiêng của sườn dốc ảnh hướng đến q trình xói mịn.Các tham số để tính tốn LSi là : (Li) độ dài của sườn dốc và θ là độ nghiên của sườn dốc trên đơn vị diện tích. Độ dài của sườn (Li) được tính trực tiếp từ GIS, cịn độ nghiêng của sườn thì tính qua mơ hình độ cao (DEM).

Với mỗi đơn vị diện tích, có thể tính tốn giá trị (LS) qua mối quan hệ theo McCool ( 1987 và 1989) là : Với θi< 9% (< 5,1428°): LSi= (l/22,13)m(10,8 sinθi+0,03) ( Và với θi ≥ 9% ( ≥ 5,1428°): LSi=(l/22,13)m(16,8sinθi-0,5) Trong đó:

LSi: yếu tố địa hình trên một đơn vị diện tích l: độ dài của sườn dốc trên một đơn vị diện tích(m)

θ: độ dốc trung bình của sườn trên một đơn vị diện tích (°)

 Hệ số xói mịn do thảm phủ thực vật (C)

Giá trị tham số của lớp phủ thực vật được xác định theo loại đất được liệt kê trên mỗi RHHU, với mỗi hệ thống quản lý nông nghiệp và mỗi thời kỳ phát triển của thực vật trong năm. Wischmeier và Smith (1978) đưa ra bảng tương ứng thể hiện giá trị (Cp) trong một số thời kỳ trong năm.

Mơ hình xói mịn đưa ra tính tốn với 5 thời kỳ: cầy cấy, gieo hạt, hình thành, sinh trưởng và phát triển, ra hoa quả và thu hoạch. Sự xác định các ngày và liên kết với những hoạt động nơng nghiệp được biểu hiện đồng thời với mơ hình vận chuyển đất ô nhiễm.

Ngày bắt đầu khoảng thời gian tính(TCp), các giá trị theo ngày của hệ số C (Cji) thì được ước tính từ giá trị Cpi theo công thức sau:

Cji= Cpi + FPOS ( C(p+1)i – Cpi)

Với: FPOS = ( JO-TCp)/ (TC(p+1) – TCp) Cji: giá trị ngày của C trên phần tử i

Cpi: giá trị trong một thời kỳ p của C trên phần tử i p: thời kỳ p từ 1 đến 5

JO: số ngày định lượng (1-365)

TCp: ngày bắt đầu khoảng thời gian tính (p)

Ngồi ra hệ số C có thể tính tốn dựa trên chỉ số NDVI của thảm phủ thực vật (Van der Knijff (2000)).

 Tính tốn hệ số xói mịn do kỹ thuật canh tác P

Hệ số P được xác định như là tỷ số giữa lượng đất mất từ khu đất có biện pháp canh tác bảo vệ đất với khu đất tương ứng khi khơng có biện pháp bảo vệ (Wischmeier & Smith, 1978). Hệ số P đặc trưng cho mức độ giảm xói mịn do các biện pháp canh tác bảo vệ đất. Rõ ràng với canh tác mà luống được trồng theo hướng đường đồng mức sẽ giảm thiểu xói mịn so với các biện pháp canh tác có luống theo hướng sườn.

Bảng 2.6: Giá trị hệ số xói mịn ( Bernard 1990) Kỹ thuật canh tác (làm đất) Độ dốc <2% <7% <12% >12% Theo sườn dốc 1 1 1 1 Ngang sườn dốc 0.75 0.8 0.9 1

Mỗi giá trị của Pji sẽ phân định mỗi hệ thống quản lý lưu vực.

Điểm đáng chú ý là yếu tố C và P là các yếu tố đặc biệt trong việc mô phỏng kịch bản nông nghiệp và khả năng ảnh hưởng đến sự xói mịn của đất, chủ yếu dựa trên những loại hình canh tác, thời gian hoạt động nơng nghiệp.

 Tính tốn lượng xói mịn đất

Xói mịn đất trên tồn lưu vực được tính bằng cách chia lưu vực ra thành nhiều phần nhỏ ( phần tử) và ước tính hệ số xói mịn Ai qua mỗi ngày dựa trên những yếu tố được trình bày trước đây:

Aji =Rji Kji LSji Cji Pji

Lượng đất xói mịn được tạo ra theo ngày trên một phần tử ( đơn vị là tấn) được thể hiện là:

EROSTji= AjiSj

EROSTji: lượng xói mịn theo ngày trên diện tích của phần tử i (t/ha) Aji: tỉ lệ xói đặc thù theo ngày trên một đơn vị diện tích (t/ha/ngày) Si: diện tích bề mặt của phần tử i (ha)

 Khả năng vận chuyển

Lượng vật chất do xói mịn có thể được vận chuyển xuống dưới hạ lưu tùy thuộc vào đặc tính của lịng dẫn bề mặt và vật liệu xói mịn. Khi lượng vật chất xói tạo ra từ đất ( EROSTji) vượt qua ngưỡng của lịng dẫn, sẽ có lượng trầm tích bị giữ lại. Nhìn chung, vấn đề là so sánh khả năng vận chuyển của dòng chảy với lượng vật chất xói được tạo ra nhằm xác định cơ chế là vận chuyển hay lắng đọng.

Tác giả Finkner (1989) đưa ra phương pháp đơn giản đánh giá khả năng vận chuyển từ việc thay đổi phương trình vận chuyển của Yalin (1963). Phương pháp được đưa ra dựa trên lực ma sát giữa lòng dẫn bề mặt với vật liệu xói mịn. Khả năng vận chuyển trong ngày của phần tử I được tính theo phương trình:

Tji = Kt 5 , 1 1000 tan       pgQji i

Kt là hệ số vận chuyển phụ thuộc lịng dẫn và loại đất. Khối lượng trầm tích ( tấn ) có thể vận chuyển là:

CTSji = TjiWri( ) = TjiWri(86,4) CTSji: lượng vận chuyển theo ngày trên phần tử I ( tấn/ ngày) Tji: lượng vận chuyển theo ngày trên phần tử (kg/m s)

Wri: độ rộng của lòng dẫn trên phần tử (m)

Độ rộng của lòng dẫn liên quan tới độ rộng của lịng sơng giả định trên một phần tử. với cách này cho chúng ta thấy mối quan hệ thủy động lực lịng sơng (Ferguson 1986). Phương trình dưới đây ước tính độ rộng của lịng dẫn:

Wri = n(QJO)j°

QJOi: lưu lượng trung bình theo ngày trên phân tử i (m3 /s) Wri: độ rộng của lòng dẫn đến phân tử i (m)

n, o: hệ số điều chỉnh

Leclerc và Lapointe(1994) đã thực nghiệm hình thái thủy độnglực của dịng chảy tại vị trí xác định ở vùng Bois-Francs phía nam Quebec và chỉ ra mối quan hệ đầu vào của lưu lượng trung bình năm (Qm) và độ rộng lịng dẫn (W) từ việc đo thực nghiệm tại một số điểm quan trắc. Mối quan hệ này thể hiện dưới công thức sau:

W= 15,42Qm0,51, r2=91,8% (2.41) Với hệ số n= 15,42 và o= 0,51.

Tiếp theo, khả năng vận chuyển (CTSji) được so sánh với lượng vật liệu xói nhằm xác định lượng vận chuyển vật liệu xuống hạ lưu ( PSOLji):