Kết quả và đánh giá
Với một loại cỡ đầu nhỏ giọt thả hạt nước
Hình 3.11, 3.12 lần lượt là kết quả thu được khi đo kích thước hạt ở cỡ ống nhỏ giọt riêng rẽ với tốc độ nhỏ giọt cố định và tốc độ nhỏ giọt thay đổi.
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 1
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 2
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 3
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.11. Kết quả đo kích thước hạt nước với từng cỡ đầu khi tốc độ khơng đổi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 4 (tốc độ 1)
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 4 (tốc độ 2)
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.12. Kết quả đo kích thước hạt nước khi tốc độ thay đổi
Khi thả các hạt nước qua từng cỡ đầu nhỏ giọt, các thông số hạt thống kê và lượng nước thu được với từng loại so với lượng nước đo về trên cốc đong được chỉ ra trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các kết quả đo đạc khi thả rơi từng cỡ hạt nước
Cỡ đầu Đường kính Đường kính Đường kính đo Số hạt Lượng nước Lượng nước Sai số lượng nhỏ giọt trung bình hạt đo được lớn được nhỏ nhất đo được trung bình đo đọc trên cốc nước
(mm) nhất (mm) (mm) được (ml) đo (ml)
A B B-A C C-A D E F ((F-E)/E)*100%
Đầu 1 2,65 2,8 0,15 2,42 -0,23 1044 10,23 11 -7,5% Đầu 2 2,95 3,1 0,15 2,8 -0,15 1130 15,29 17 -11,2% Đầu 3 3,48 3,57 0,09 3,4 -0,08 1275 28,24 30 -6,2% Đầu 4 với lưu lượng 4,09 4,23 0,14 3,95 -0,14 2006 71,87 73 -1,6% 1 Đầu 4 với lưu lượng 4,5 4,6 0,1 4,43 -0,07 1547 74,05 76 -2,6% 2 Đầu 5 với lưu lượng 5,09 5,17 0,08 5,03 -0,06 1399 96,62 97 -0,4%
Đầu 5 với
lưu lượng 6,21 6,31 0,1 6,06 -0,15 1425 178,63 179 -0,2%
2
Từ hình 3.11, 3.12 thấy được rằng với các cỡ đầu tạo hạt nước khác nhau và thay đổi vận tốc hạt rơi khác nhau, thiết bị đã đo được kích thước của các hạt phân bố xung quang điểm trung bình của các hạt với sai số cỡ ±5% khơng nhiều. Kích thước của các hạt rơi khá đều và phân bố đồng đều. Các hình 3.11, 3.12 và bảng 3.4 cho thấy với các hạt nước đo được có kích thước nhỏ hơn 3,5mm dao động nhiều hơn so với các hạt lớn.
Xét về lượng nước đo được, sai số lớn nhất là 11,2 % khi lượng nước nhỏ hơn 20ml. Các hạt có kích thước càng lớn thì lượng nước thu được càng gần với lượng nước đo được bằng cốc đo thể tích.
Với nhiều loại cỡ đầu nhỏ giọt thả hạt cùng một lúc
Hình 3.13 là kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt cùng lúc
Kích thước giọt nước qua đầu nhỏ giọt 1 và 2
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước giọt nước qua 5 đầu nhỏ giọt
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.13. Các kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt
Khi thả các hạt nước qua nhiều cỡ đầu nhỏ giọt cùng một lúc xảy ra hiện tượng các hạt rơi cùng lúc che lẫn nhau tạo thành hạt to do đó đường kính hạt lúc này là đường kính của ảnh thu được trên hệ quang của thiết bị chứ khơng cịn là đường kính của hạt riêng rẽ. Điều này xảy ra cũng tương tự như thí nghiệm thả nhiều viên bi cùng một lúc. Các thông số hạt thống kê và lượng nước thu được với từng loại so
với lượng nước đo về trên cốc đong được chỉ ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Các kết quả đo đạc khi thả rơi các cỡ hạt nước cùng lúc
Cỡ Đường kính Đường kính Lượng nước Lượng nước Sai số đầu trung bình đo được lớn trung bình đọc trên cốc tương đối
nhỏ hạt (mm) nhất (mm) đo được (ml) đo (ml) lượng
giọt nước
Đầu 1 2,79 3,68 22.16 24 -8.3%
và 2
Cả 5 4,47 6,24 65.97 67 -1.6%
đầu
Xét về lượng nước đo được, với các hạt có kích thước trung bình nhỏ, lượng nước đo được có sai số lớn hơn so với trung bình các hạt có kích thước to. Điều này đúng với đo từng hạt với từng cỡ đầu nhỏ giọt.
3.2.3. Kịch bản đánh giá 3 thử nghiệm với mơ hình tạo mưa Mơ hình kịch bản đánh giá
Thử nghiệm với các dòng hạt nước được tạo ra từ một mơ hình tạo mưa. Mơ hình tạo mưa có khả năng: điều chỉnh được lưu lượng phun hạt nước và đạt tương đương lưu lượng mưa trong dải đo của thiết bị; điều chỉnh được đường kính các hạt nước mô phỏng cơn mưa trong dải đo của thiết bị đo; tạo được luồng gió giống trong tự nhiên, điều khiển được lưu lượng và tính chất dịng chảy khơng khí do đó sẽ có khả năng tạo được những mơi trường gần giống với môi trường thực tế để thử nghiệm.
Tham số đánh giá:
Kịch bản thử nghiệm ba chủ yếu đánh giá về lượng mưa (biểu thức 3.14). Đây là một cách đánh giá độ chính xác gián tiếp về kích thước hạt mưa vì lượng mưa được tính bằng việc cộng dồn thể tích các hạt mưa đo được chia cho diện tích chứa mẫu.
Tính tốn lượng mưa H_sum được: n 4 D3 . . i 3 2 R = i 1 (3.14) S s ample _ holding Trong đó: R (mm): lượng mưa
Di (mm): đường kính hạt mưa thứ i đo được
i trong dải (1 n ) là số lượng hạt mưa đếm từ lúc bắt đầu mưa đến khi kết thúc. Ssample _ hol ding (mm2) : diện tích lấy mẫu tính theo biểu thức 3.15
S
s ample _ hol d ing L
sample _ holding l (3.15) với Lsample _ holding : chiều dài khoảng lấy mẫu. Theo thực nghiệm, với mưa tại khu vực Hà Nội, Lsample _ holding =35mm là phù hợp với phân bố khoảng cách giữa các hạt mưa.
l: Chiều dài của khe nhạy sáng l=30mm
Thay vào biểu thức 3.15 tính được S sample _ hol ding 35*30 1050mm2
Lúc này biểu thức 3.14 trở thành: n 4 Di 3 . . 3 R = i 1 2 .kR (3.16) 1050
Trong đó: kR: là hệ số hiệu chỉnh lượng mưa được xây dựng khi hiệu chỉnh lượng mưa với những lượng nước biết trước thả giọt qua thiết bị đo.
Việc đánh giá về lượng mưa sẽ được tiến hành theo cách so sánh đối chứng với thiết bị đo mưa chuẩn. Khi thử nghiệm với mưa thực tế, thiết bị đo mưa chuẩn là thiết bị đo mưa của trạm khí tượng đang chạy. Khi thử nghiệm với hệ tạo mưa, thiết bị đo mưa chuẩn là thiết bị đo mưa kiểu chao lật The Rain Collector II của Davis Mỹ (hình 3.14) với các thơng số kỹ thuật:
- Đường kính miệng ống: 16,5 cm
- Chiều cao ống đựng: 24 cm
-Độ phân giải là: 0,2 mm
- Sai số: ±0,4mm khi lượng mưa ≤ 10mm
±4% khi lượng mưa >10mm
Hình 3.14. Thiết bị đo mưa The Rain Collector II của Davis Mỹ Mơ hình thực nghiệm được bố trí như trong hình 3.15
Hệ tạo mưa và mưa thực tế
Trung tâm
TCP/IP
TCP/IP Thiết bị đo mưa
quang học
Thiết bị đối sánh Hình 3.15. Mơ hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 3
Thiết bị đo mưa của luận án và thiết bị đo mưa chao lật làm đối chứng sẽ được bố trí đặt song song với nhau gần nhất có thể để kết quả đo được sẽ gần giống nhất
có thể. Các thiết bị này được bố trí như trong hình 3.18.
Tiến hành thực nghiệm với hệ tạo mưa trong nhiều khoảng thời gian liên tục sau khi đặt thiết bị đo mưa chao lật và thiết bị đo mưa thiết kế vào khu vực đo lường, theo dõi giá trị đo được và so sánh với thiết bị chuẩn.
Kết quả đánh giá
Hình 3.16. Trung bình lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3
Hình 3.17. Sai số tuyệt đối lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3 Kết quả thử nghiệm chỉ ra: sai số tuyệt đối cao nhất khi thử nghiệm giá trị đo là 0,3 mm. Thiết bị đo chuẩn có sai số ±4% khi lượng mưa >10mm tức với lượng mưa
40 mm thì sai số tuyệt đối sẽ là 40 x ±4% = ±1,6mm. Như thế thiết bị đo mưa thiết kế với thiết bị đo chuẩn là tương đương.
Hình 3.18. Bố trí thiết bị trong hệ thử nghiệm đo mưa.
3.3. Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mịn Việcđo lường kích thước (D) và vận tốc hạt mưa (v) cho phép nội suy ra các thông số khác 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 thơng 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 thơng 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 b
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 thơng 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 Đơng 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 đơng 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- có phương sai thay đổi ít hơn so với của KEmm- và KEmm nhạy cảm với phân bố kích thước hạt mưa hơn nên trong cơng trình này sẽ tìm mối quan hệ giữa KEtime- [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). 1 3600 1 n 2 KE tim e . . . . i 1( Di )(vi ) (3.17) 12 106 t A
Trong đó:: khối lượng riêng của nước ( =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 thơng 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 Đơng – 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 Giá trị đo lượng mưa Sai lệch trạm khí tượng đề tài của trạm khí tượng Hà
VIELINA-MS.04 Đơng (mm) (mm) (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 3.21. Phân bố kích thước, vận tốc hạt trong một trận mưa điển hình