3.3. Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mịn
Việc đo lường kích thước (D) và vận tốc hạt mưa (v) cho phép nội suy ra các thông số khác như động năng (KE), lượng mưa (R) và cường độ mưa (I). Đường kính hạt mưa (D, mm) và sự phân bố của nó là thơng số mơ tả sự kiện mưa, kết cấu vật lý của hạt mưa. Cường độ mưa (I) là sự phản ánh của các loại mưa khác nhau được biểu thị bằng lượng mưa rơi trên một đơn vị thể tích khơng gian trong một đơn vị thời gian [40]. Trong các nghiên cứu của Van Dijk và cộng sự năm 2002, Fornis và cộng sự năm 2005, động năng của hạt mưa (KE) là năng lượng của hạt mưa làm phá vỡ kết tụ của đất do đó thơng số này được khuyến nghị như một thước đo về sự xói mịn đất [40,54]. Động năng của hạt mưa có thể biểu thị theo hai kiểu: động năng theo thời gian KEtime là động năng được tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian có thứ nguyên là J/m2h và động năng theo lượng mưa KEmm là động năng được tính trên một đơn vị diện tích trên độ cao lượng mưa, có thứ nguyên là J/m2mm. Để xác định động năng của hạt mưa thì có các cách như từ kích thước D và vận tốc rơi v của hạt mưa hoặc nội suy từ cường độ mưa I [40, 54]. Mối quan hệ KE-I không giống nhau ở các quốc gia do đặc điểm mưa ở mỗi khu vực đều khác nhau. Do đó việc nghiên cứu các thông số mưa đặc biệt là mối quan hệ KE-I có ý nghĩa rất lớn với mỗi nước. Do đó
phần thử nghiệm này ngồi việc đánh giá độ ổn định, độ tin cậy của thiết bị đo cịn nhằm phân tích, đánh giá và tìm ra các mối quan hệ thống kê giữa các tham số hạt mưa để có thể phục vụ cho nhu cầu thực tiễn tại khu vực Hà Nội.
3.3.1. Mơ hình kịch bản đánh giá
Mơ hình thực nghiệm đo các thông số mưa được mơ tả trong hình 3.19b. Mơ hình gồm trạm đo đặt tại khu vực cần đo đạc và trạm trung tâm. Dữ liệu thời tiết ở trạm đo gửi về trạm trung tâm qua đường truyền GPRS để thu thập và phân tích, xử lý. Dữ liệu này sẽ được đối sánh với dữ liệu đo tại trung tâm khí tượng để so sánh, kiểm chứng.
a. Hình ảnh thiết bị đo mưa cải tiến
b. Mơ hình thực nghiệm đo các thơng số mưa
Hình 3.19. Thiết bị đo và mơ hình thực nghiệm đo các thông số mưa
Địa điểm và thời gian thử nghiệm: Trạm đo các thông số mưa được đặt tại vườn khí tượng của trạm khí tượng Nơng nghiệp Hà Đông Ba La, Hà Đơng, Hà Nội, Việt Nam – trạm khí tượng quốc tế đồng bằng duy nhất ở miền Bắc Việt Nam nằm tại tọa độ 20°57'25.3"Bắc và 105°45'11.2"Đơng (hình 3.20). Trạm trung tâm
đặt tại Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa. Khí hậu Hà Nội có thể tiêu biểu cho kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm ở khu vực Bắc Bộ, Việt Nam. Mùa hè nóng, mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng 9. Mùa đông lạnh, mưa ít từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Theo dữ liệu khí tượng quốc gia, nhiệt độ trung bình hàng năm cao nhất 29,8ºC, thấp nhất là 15,2ºC. Lượng mưa trung bình năm là 1.800mm và mỗi nǎm có khoảng hơn 100 ngày mưa. Do đó nhóm nghiên cứu lựa chọn khoảng thời gian thử nghiệm vào mùa mưa năm 2018.
Hình 3.20. Trạm đo các thơng số mưa đặt tại trạm khí tượng Hà Đơng
Phương pháp xử lý số liệu đo được tiến hành như sau: Số liệu đo lượng mưa R
sẽ được so sánh, đối chiếu với các số liệu của trạm khí tượng quốc tế để đánh giá độ tin cậy. Sử dụng lý thuyết thống kê và phân tích hồi quy đa thức sẽ tiến hành phân tích các giá trị đo kích thước hạt mưa D, động năng KE và tìm mối quan hệ giữa kích thước hạt mưa với xác suất xuất hiện, mối quan hệ KE-I để phục vụ cho những ứng dụng đánh giá về độ xói mịn đất. Các đường kính, vận tốc đã được chỉ ra trong biểu thức 2.6 ; 2.8 ; 2.9 ; 2.14 ; 2.15 ở chương II. Lượng mưa được tính ở biểu thức 3.16. Cường độ mưa (mm/h) là lượng mưa R trong khoảng đơn vị thời gian theo giờ. Động năng KE: Theo cơng trình của Sempere-Torres vào cộng sự [54], mối quan hệ của KEtime-𝐼 có phương sai thay đổi ít hơn so với của KEmm-𝐼 và KEmm nhạy cảm với phân bố kích thước hạt mưa hơn nên trong cơng trình này sẽ tìm mối quan hệ giữa KEtime-𝐼 [21]. Động năng theo thời gian ở đây sẽ tính tốn động năng
theo thời gian mỗi phút KEtime do Fornis và cộng sự (2005) đề xuất biểu thức (3.17). 2 e 6 1 1 3600 1 . . . . ( )( ) 12 10 n tim i i i KE D v t A (3.17)
Trong đó: 𝜌: khối lượng riêng của nước (𝜌=1g/cm3) A: diện tích khoảng lấy mẫu A=0,00105 m2
t: khoảng chu kỳ tính KE (t=60s)
n: số lượng hạt trong khoảng chu kỳ 1 phút
Di: đường kính hạt thứ i trong n hạt đo đường ở khoảng 1 phút (mm) vi: vận tốc hạt thứ i trong n hạt đo đường ở khoảng 1 phút (m/s)
3.3.2. Phân tích, xử lý số liệu thông số trận mưa đo được và đề xuất ứng dụng
đánh giá xói mịn đất ở Việt Nam
Về lượng mưa đo được, khi tiến hành hiệu chuẩn tại Trung tâm khí tượng quốc
gia và thử nghiệm thiết bị cải tiến đo mưa thực tế tại trạm Hà Đông – trạm khí tượng quốc tế và đối sánh với thiết bị đo mưa tại trạm. Kết quả (bảng 3.6- trích một phần số liệu đo thử nghiệm) cho thấy, ở dải lượng mưa lớn hơn 10 mm, sai lệch lượng mưa lớn nhất là 0,86 mm. Ở dải lượng mưa nhỏ hơn hoặc bằng 10mm, sai lệch lượng mưa lớn nhất là 0,18mm. Lượng mưa đo được bằng thiết bị cải tiến thấp hơn so với kết quả đo bởi thiết bị tại trạm khí tượng. Tuy nhiên, sai số lượng mưa vẫn trong khoảng cho phép.
Bảng 3.6. Bảng số liệu đo thử nghiệm thiết bị đo của luận án với mưa thực tế
Ngày Giá trị đo lượng mưa
trạm khí tượng đề tài VIELINA-MS.04
(mm)
Giá trị đo lượng mưa của trạm khí tượng Hà Đơng (mm) Sai lệch (A) (B) |A-B| Giờ 19-7 7-19 19-7 7-19 19-7 7-19 15/6 22,94 0,02 23,8 0,0 0,86 0,02 16/6 0,87 0,12 0,7 0,0 0,17 0,12 17/6 0,45 4,12 0,5 4,3 0,05 0,18
Về kích thước, vận tốc và phân bố hạt, hình 3.21 mơ tả phân bố kích thước hạt
trong một trận mưa điển hình đo được trong ngày 16/6/2018 tại Hà Nội. Phân bố kích thước hạt nhỏ hơn 2 mm chiếm cao nhất hơn 33% tổng số hạt mưa rơi đo được trong trận đó. Kích thước trung bình của hạt mưa trong trận là 2,1mm. Trong giai đoạn thử nghiệm, với một trận mưa điển hình, kích thước hạt mưa phân bố rải rác từ dưới 7mm, vận tốc dưới 10mm. Tiến hành khảo sát, phân tích các trận mưa xảy ra trong tháng 6/2018, có thể thấy được mối quan hệ giữa tần suất xuất hiện với kích thước hạt mưa tuân theo hàm Polynome bậc 6 với hệ số xác định R2 >0,9. Trong đó, x là kích thước hạt (đơn vị mm). Hàm Polynome biến thiên từ 0 đến 1. Ví dụ với hạt có kích thước 8mm, trong trận mưa như hình 3.22 thì xác suất xuất hiện tính theo hàm là: 0,17. Với hạt 3mm thì xác suất tính theo hàm là 0,18. Những con số này rất gần với giá trị rời rạc thu được khi khảo sát trận mưa đó.
Hình 3.22. Mối quan hệ giữa xác suất xuất hiện và kích thước hạt
Về mối quan hệ động năng KEtime - cường độ mưa I và độ xói mịn đất do hạt
mưa rơi: tùy theo những điều kiện địa lý và khí tượng, các kiểu mưa của từng khu vực sẽ không giống nhau dẫn đến sự khác nhau về phân bố kích thước và vận tốc hạt mưa làm cho mối quan hệ KEtime – I thay đổi theo. Trong cơng trình [54], từ nhiều nghiên cứu ở các nơi khác nhau trên thế giới, những mối quan hệ giữa động năng hạt mưa KEtime và cường độ mưa I được tìm ra dưới dạng hàm mũ (3.18), hàm logarit (3.19), hàm tuyến tính (3.20) và hàm power-law (3.21). Các hệ số a, b, c trong phương trình mơ tả này được tìm ra nhờ q trình thực nghiệm.
KEtime =a.I(1 - b.e-c.I) (3.18)
KEtime =I(a + b.log (I)) (3.19)
KEtime =a(I - b) (3.20)
KEtime =a.Ib (3.21)
Việc tìm ra mối quan hệ KEtime – I ở khu vực Hà Nội nói riêng và các khu vực
khác tại Việt Nam nói chung cần nhiều thời gian quan sát với nhiều loại mưa khác nhau. Trong thời gian thử nghiệm với mưa thực tế tại Hà Nội, nghiên cứu đã tìm ra mối quan hệ KEtime(I). Mối quan hệ này được mơ tả trong hình 3.23. Trong đó, hàm mơ tả quan hệ KEtime(I) là hàm tuyến tính (biểu thức 3.22) với hệ số xác định R2 > 0,8. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Xac suat
Polynomial Fit of Sheet1 Xac suat
X a c su at Co hat (mm) Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 + B3*x^3 + B4*x^ 4 + B5*x^5 + B6 *x^6 Weight No W eighting Residual Sum of Squares 9.98037E-4 Adj. R-Square 0.92254
Value Standard Error Xac suat Intercept 0.64193 0.24991 Xac suat B1 -0.87384 0.80057 Xac suat B2 0.61635 0.80204 Xac suat B3 -0.20752 0.35868 Xac suat B4 0.0355 0.0796 Xac suat B5 -0.00303 0.00857 Xac suat B6 1.03648E-4 3.56462E-4
Phan bo kich thuoc hat Phân bố kích thước hạt Cỡ hạt (mm) X ác s uấ t
KEtime =a+b.I (3.22) Trong đó a, b lần lượt là hệ số tìm được nhờ quá trình thực nghiệm nhiều lần.
Hình 3.23. Mơ tả mối quan hệ KEtime(I) trong khoảng thời gian quan sát
Trong nghiên cứu của Renard và cộng sự năm 1997, độ mất đất được tính theo biểu thức (3.23) – biểu thức RUSLE
A = R. K. L. S .C .P (3.23)
trong đó:
A: Độ mất đất trung bình hàng năm (độ xói mịn) R: là hệ số xói mịn do mưa
K: là hệ số xói mịn của đất thay đổi tùy theo loại đất
L và S: lần lượt là yếu tố địa hình chiều dài và độ dốc của khu vực khảo sát C: hệ số quản lý độ che phủ đất của cây
P: hệ số kiểm sốt xói mịn thực nghiệm
Theo cơng trình [12], hệ số xói mịn do mưa R là tích của động năng KE và
cường độ mưa lớn nhất trong 30 phút I30 (biểu thức (3.24)).
R=KE. I30 (3.24)
Từ mối quan hệ KE – I tìm được bằng thực nghiệm, dựa vào cường độ mưa I là một tham số được đo rộng rãi có thể suy ngược ra động năng KE. Vì vậy mối quan hệ KE - I trở nên hữu ích trong việc ước tính độ xói mịn của đất theo thời gian và
khơng gian rồi từ đó lập bản đồ các khu vực có nguy cơ xói mịn, dự báo về lượng mưa xói mịn trong tương lai.
3.4. Kết luận chương III
Chương III của Luận án đã trình bày một số kết quả đánh giá hiệu quả giữa phương pháp tính kích thước hạt đề xuất và phương pháp tính kích thước hạt thơng qua độ sâu điều chế do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất [14, 16].
Thiết bị đo mưa cải tiến cho phép đo các thơng số đường kính, vận tốc hạt mưa từ đó tính ra lượng mưa, cường độ mưa. Từ việc thử nghiệm mơ hình với các viên bi có đường kính biết trước, sai số của đường kính hạt đo được tương đồng với kết quả đánh giá so sánh. Khi thử nghiệm đo mưa, mơ hình đã tiến hành đo và đánh giá lượng mưa đo được với lượng mưa do thiết bị đo kiểu chao lật đang dùng phổ biến để so sánh và tìm ra hệ số hiệu chỉnh của thiết bị đo mưa đề xuất với thiết bị đo kiểu chao lật. Kết quả cho thấy là lượng mưa đo được bằng hai thiết bị là tương đương nhau. Ngồi thơng số lượng mưa, thiết bị đo mưa của Luận án cịn đo được thơng số kích thước hạt để từ đó biết được phân bố kích thước hạt trong một trận mưa, trong một ngày có mưa, trong một tháng, trong một năm. Thơng số này kết hợp với các thơng số khí tượng thủy văn, thơng số đo LIDAR bên vật lý địa cầu có thể dự đốn được các vấn đề về mơi trường, độ xói mịn đất....
Trong khuôn khổ thời gian dành cho luận án, những số liệu thu được còn hạn chế song kết quả thử nghiệm cũng cho thấy việc sử dụng thiết bị đo xây dựng trong nghiên cứu và phương pháp thu thập, xử lý số liệu được để xuất trong luận án đáp ứng được yêu cầu của việc khảo sát, đánh giá các thông số mưa về độ tin cậy và xác định được mối quan hệ giữa động năng KEtime của hạt mưa với cường độ mưa I. Đây là giá trị khoa học và thực tiễn của cơng trình.
Việc tiếp tục mở rộng phạm vi, thời gian đo đạc thực nghiệm sẽ cho phép xác định được những yếu tố giúp cho việc dự báo về lượng mưa cũng như tác động xói mịn gây sạt lở đất do hạt mưa rơi chính xác và đầy đủ hơn.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Kết luận
Nâng cao độ chính xác của kết quả đo kích thước và vận tốc hạt mưa bằng quang học là một vấn đề rất được quan tâm hiện nay trong lĩnh vực đo lường. Hiện có rất nhiều phương pháp chế tạo thiết bị đo mưa khác nhau, luận án lựa chọn mơ hình đo mưa của các giáo sư D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin để nghiên cứu, nâng cao hiệu quả đo. Kêt quả nghiên cứu của luận án đã đã góp phần làm phong phú thêm kho tàng kiến thức về phương pháp đo lường quang học nói chung và đo mưa bằng phương pháp quang học nói riêng. Một số kết quả mới của luận án như sau:
Về mặt khoa học:
Luận án đã đề xuất các biểu thức tốn học tính kích thước, vận tốc tương đương của hạt mưa dựa vào dạng xung quang điện thu được và các điểm đặc trưng của xung thu được. Biểu thức tính kích thước hạt mưa đã nâng cao được độ chính xác của phép đo và đặc biệt là không phụ thuộc vào vận tốc rơi của hạt.
Từ những biểu thức tính tốn, luận án đã đề xuất thuật tốn tính kích thước, vận tốc hạt mưa có thể nhúng trên vi điều khiển tốc độ cao và cho phép chế tạo thiết bị độc lập sử dụng trong thực tế.
Về mặt công nghệ:
Luận án đã chỉ ra hạn chế và đề xuất những vấn đề cơng nghệ cần hồn thiện để chế tạo thành công thiết bị đo mưa sử dụng được trong thực tế.
Thiết bị chế tạo trên cơ sở kết quả của luận án đã được lắp đặt, sử dụng để đánh giá tại trạm khí tượng quốc tế đồng bằng miền Bắc Việt Nam. Kết quả đo mưa của thiết bị được đánh giá là tương đương với các thiết bị đang sử dụng phổ biến hiện nay.
Về mặt thực tiễn:
Ngoài việc cung cấp các kết quả đo mưa (như các thiết bị đang sử dụng), luận án bước đầu đề xuất việc xử lý các kết quả đo thông số hạt mưa, trận mưa của thiết bị để đưa ra các cảnh báo phục vụ cơng tác dự báo xói mịn, lở đất….
các tạp chí, Hội nghị chuyên ngành. Ngồi ra tác giả vẫn đang tiếp tục cơng bố thêm về nghiên cứu.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng dải đo các hạt mưa nhỏ hơn 0,5mm là hạt mưa hay xuất hiện trong các trận mưa phùn. Với dải hạt tạo ra dạng chỉ có một chồi xung, có thể nghiên cứu, đưa ra hướng tìm tham số hiệu chỉnh km so với hàm tính theo biến số k075.
- Tiếp tục thử nghiệm đo và đánh giá.
- Giảm thiểu ảnh hưởng của hơi ẩm, côn trùng bay vào khu vực đo
- Tiếp tục thử nghiệm thực tế, thu thập phân tích số liệu mưa để góp phần vào việc đánh giá các vấn đề về biến đổi khí hậu.
CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN