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 quá 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. Thông 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 toán 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 chun ngành. Ngồi ra tác giả vẫn đang tiếp tục công 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
[1]. Lai Thi Van Quyen; Nguyen Manh Thang; Nguyen Hong Vu; Nguyen The Truyen, Victor Ivanovich Malyugin, Dmitry Kiesewetter; “The Optical
Disdrometer”; Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO), 2017 in Riga, Latvia, Latvia; IEEE Xplore;
http://ieeexplore.ieee.org/document/8228499/; 21/12/2017
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57201118587
[2]. Lai Thi Van Quyen, Nguyen Manh Thang, Nguyen Hong Vu, Nguyen The Truyen, Victor Ivanovich Malyugin, Dmitry Kiesewetter; “Device for
measuring parameters of the meteorological precipitation”; Scientific
Conference Electronics (ET), 2017 XXVI International in Sozopol, Bulgaria,
Bulgaria; IEEE Xplore;
http://ieeexplore.ieee.org/document/8124364/; 01/12/2017
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57201118587
[3]. Lai Thị Vân Quyên, Nguyễn Hồng Vũ, Nguyễn Thế Truyện, Nguyễn Mạnh Thắng, Victor Ivanovich Malyugin, Dmitry Vladimirovich Kiesewetter; “Thiết
kế, chế tạo thiết bị đo kích thước hạt mưa bằng quang học”. Tạp chí Nghiên
cứu khoa học và Công nghệ quân sự, (2020), Vol.66. p.105-116;
https://drive.google.com/file/d/1vziCbEtz1WachtRGrBjWGiyoQZOZr4RH/view
[4]. Lai Thị Vân Quyên, Nguyễn Hồng Vũ, Nguyễn Thế Truyện, “Nghiên cứu các
thông số mưa ở khu vực hà nội bằng thiết bị đo hạt theo nguyên lý quang học”.
Tạp chí Nghiên cứu khoa học và Cơng nghệ quân sự, (2020), Vol 70, p 45-53; https://drive.google.com/file/d/13VTMgtzAo4wFQSwF9DbNGs-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Angulo-Martínez, M. and Barros, A. P., “Measurement uncertainty in
rainfall kinetic energy and intensity relationships for soil erosion studies: An evaluation using Parsivel disdrometers in the Southern Appalachian Mountains”,
Geomorphology, 2015, Vol 228, p.28–40
[2] Ali Tokay., et al, “Comparison of Raindrop Size Distribution Measurements
by Collocated Disdrometers”. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.
Vol.30 (2013). p.1672-1689.
[3] Amy Sabin, “Problems in particle size: laser diffraction observations”, As Published in GXP, Autumn 2011, Vol15/No4
[4] Anderson, D. “Preliminary evaluation of OTT and Thies Clima present
weather sensors. Program operations and standards Instrument Test Report 691”,
Bureau of Meteorology, Australian Government: Melbourne, Australia, 2009
[5] Andrew J. Ireland, Lawrence E. Hochreiter, Fan-Bill Cheung; “Droplet Size and Velocity Measurements in a Heated Rod Bundle The 6th ASME-JSME Thermal
Engineering Joint Conference, March 16-20, 2003
[6] Bryson Evan Winsky, “A redesigned instrument and new data analysis
method used to measure the size and velocity of hydrometeors”. Theses and
Dissertations. University of Iowa. (2012).
[7] Beard, K.V.; Bringi, V.N. Thurai, M. “A new understanding of raindrop
shape”. Atmos. Res. 2010, 97, 396–415
[8] Bloemink, H. I. and Lanzinger, E. “Precipitation type from the Thies
disdrometer”, WMOTechnical Conference on Meteorological and Environmental
Instruments and Methods of Observation (TECO- 2005), Bucharest, Romania, 4–7 May 2005, Vol3
[9] Bentley, W, “A. Studies of raindrops and raindrop phenomena.” Mon. Weather Rev. 1904, 32, p.450–456
[10] Clima, T. “Laser Precipitation Monitor Instruction for Use: 5.4110.X0.X00;
[11] Cloos, M. P. “Measuring Hydrometeor Size, Shape, and Velocity Using a
New Non-Video, Two - Dimensional Disdrometer”, Iowa City; 2007
[12] Derege Tsegaye Meshesha, Atsushi Tsunekawa, Mitsuru Tsubo, Nigussie Haregeweyn & Enyew Adgo. “Drop Size Distribution and Kinetic Energy Load of
Rainfall Events in The Highlands of the Central Rift Valley, Ethiopia”.
Hydrological Sciences Journal, (2014), 59:12, 2203-2215, DOI: 10.1080/02626667.2013.865030
[13] De Moraes Frasson, R.P.; da Cunha, L.K.; Krajewski, W.F. Assessment of the Thies optical disdrometer performance. Atmos. Res. 2011, Vol 101, 237–255. [14] D.V. Kiesewetter, V.I. Malyugin, “Simultaneous measurements of velocity
and size of moving particles”. J. Tech. Phys., Vol. 79, No 2, (2009), p. 90-95.
[15] David W. Hahn, “Light Scattering Theory”; Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Florida (dwhahn@ufl.edu); July 2009.
[16] D.V. Kiesewetter, V.I. Malyugin, “Simultaneous measurements of velocity
and size of moving particles”. Proc “Lasers for Measurements and Information
Transfer 2003”, SPIE, Vol. 5381, (2004), p. 200-209.
[17] D. Petrak, “Simultaneous measurements of particle size and velocity with
spatial filtering technique in comparison with coulter multisizer and laserdoppler velocimetry”, Department of Technical Thermodynamics, Chemnitz University of
Technology, Germany; 4th International Conference On Multiphase Flow; New Orleans, Louisiana, U.S.A., May 27-June 1, 2001
[18] D.V. Kiesewetter, V.1. Malyugin, M.Y. Litvak, “Method for the drops
velocity measurement”. A.c. N2177091 1, USSR, Bul. Izobret (in Russian)., 39,
(1992).
[19] F. Y. Testik và M. K. Rahman, “High-Speed Optical Disdrometer for
Rainfall Microphysical Observations”. Journal of atmospheric and oceanic
technology. Vol.33 (2015). p.231-242.
[20] Friedrich, K.; Higgins, S.; Masters, F.J.; Lopez, C.R. Articulating and stationary PARSIVEL disdrometer measurements in conditions with strong winds and heavy rainfall. J. Atmos. Ocean. Technol. 2013, Vol 30, 2063–2080.
[21] Fuchs, N.; Petrjanoff, I, “Microscopic examination of fog, cloud and rain
droplets.” Nature 1937, 139, p.111–112
[22] Gopinath Kathiravelu, Terry Lucke, and Peter Nichols, “Rain Drop
Measurement Techniques: A Review”, Water 2016, 8, 29; doi:10.3390/w8010029
[23] Golan, L. & Shoham, S. “Speckle elimination using shift-averaging in high-
rate holographic projection.”; Opt. Express 17(3), 1330–1339 (2009).
[24] Graham Upton, Dan Brawn, “An investigation of factors affecting the
accuracy of Thies disdrometers”; OTT Parsivel® - Enhanced precipitation identifier
and new generation of present weather sensor by OTT Messtechnik, Germany,
2008, https://www.researchgate.net/publication/237690271;
[25] George M. Crawley, Soren Jensen, Al Godek, Andrew P. Malcolmson, Don Holve, “Real-time process optimisation using dry in-line particle sizing”; International Congress for Particle Technology; 2001
[26] Grossklaus, M.; Uhlig, K.; Hasse, L. “An optical disdrometer for use in high
wind speeds”, J. Atmos. Ocean. Technol. 1998, Vol 15, p.1051–1059
[27] Hahn, J., Kim, H., Lim, Y., Park, G. & Lee, B. “Wide viewing angle dynamic
holographic stereogram with a curved array of spatial light modulators.” Opt.
Express 16, 12372–12386 (2008).
[28] Hironobu Ueki, Masahiro Ishida, Daisaku Sakaguchi, and Oluwole Amida, “Measurement of droplet size distribution in core region of high-speed spray by
micro-probe L2F”; Proceedings of the 8th International Symposium on
Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows; Lyon, July 2007
[29] Hayton S, Nelson CS, Ricketts BD, Cooke S, Wedd MW; “Effect of Mica on
Particle-Size Analyses Using the Laser Diffraction Technique”; Journal of
Sedimentary Research. 2001; 71 (3): 507–509. doi:10.1306/2dc4095b-0e47-11d7-
8643000102c1865d.
[30] Illingworth, A.J.; Stevens, C.J. “An optical disdrometer for the measurement
of raindrop size spectra in windy conditions”, J. Atmos. Ocean. Technol. 1987, Vol
[31] Kougbéagbédè Hilaire1, Houngninou B. Etienne1 and Moumou Sounmaila,
“Modeling Rain Rate Distribution Per Diameter Class from Disdrometer Data Collected in Northern Benin (AMMACampaign): A New Relationship Between
Radar Reflectivity and Rainfall Rate”, International Journal of Research and
Innovations in Earth Science, 2017, Vol 4, Issue 3, ISSN (Online): 2394-1375 [32] K. Tuntivoranukul, P. Vallikul, B. Fungtammasan, P. Yongyingsakthavorn, and C. Dumouchel, “Application of the D2 -Law to Determine Time Evolution and
Burn-Out Time of Evaporating Biodiesel Spray Drop-Size Distribution”, Journal of
Sustainable Energy & Environment 1, 2010, 59-63
[33] Kruger, A.; Krajewski, W.F. “Two-dimensional video disdrometer: A
description” J. Atmos. Ocean. Technol. 2002, 19, p.602–617.
[34] Krajewski,W.F; Kruger, A.; Caracciolo, C.; Golé, P.; Barthes, L.; Creutin, J.D.; Vinson, J.P. DEVEX-disdrometer evaluation experiment: Basic results and implications for hydrologic studies. Adv. W. Res. 2006, Vol 29, 311–325.
[35] Kristopher Garibay, Eric Olson, Jonathon S. Salsbury; “Understanding the
Relationship Between the Red and Blue Light Sources in the Determination of Particle Size Distribution Profiles”;
[36] Lisbeth Lolk Johannsen, Nives Zambon, Peter Strauss, Tomas Dostal, Martin Neumann, David Zumr, Thomas A. Cochrane 4 and Andreas Klik, “Impact of
Disdrometer Types on Rainfall Erosivity Estimation”, Water. MPDI, 2020, 12, 963
[37] Lisbeth Lolk Johannsen, Nives Zambon, Peter Strauss, Tomas Dostal, Martin Neumann, David Zumr, Thomas A. Cochrane, Günter Blöschl & Andreas Klik “Comparison of three types of laser optical disdrometers under natural rainfall
conditions”, Hydrological Sciences Journal, 2020 65:4, 524-535, DOI:
10.1080/02626667.2019.1709641
[38] Löffler-Mang, M.; Joss, J. “An optical disdrometer for measuring size and
velocity of hydrometeors”, J. Atmos. Ocean. Technol. 2000, 17, p.130–139.
[39] Lowe, E.J. “Rain drops.” Q. J. R. Meteorol. Soc. 1892, 18, p.242–245.
[40] Mahadi Lawan Yakubu, Zulkifli Yusop & Mohamad Ali Fulazzaky. “The Influence of Rain Intensity on Raindrop Diameter and The Kinetics of Tropical Rainfall: case study
of Skudai, Malaysia”. Hydrological Sciences Journal, 2016, 61:5, 944-951, DOI: 10.1080/02626667.2014.934251
[41] Mahadi Lawan Yakubu, Zulkifli Yusop & Mohamad Ali Fulazzaky, “The
influence of rain intensity on raindrop diameter and the kinetics of tropical rainfall:
case study of Skudai, Malaysia”, Hydrological Sciences Journal, 2016, 61:5, 944-
951, DOI: 10.1080/02626667.2014.934251
[42] Mohsen Jahanmir, “Particle Image Velocimetry: Fundamentals and Its
Applications” Research report 2011:03
[43] Mehta, D. S., Saxena, K., Dubey, S. K. & Shakher, C. “Coherence
characteristics of light-emitting diodes.” J. Lumin. 130, 96–102, 2010
[44] Nicolas Fdida*, Jean-Bernard Blaisot°, Alain Floch$, David Dechaume, “Drop size measurement techniques applied to gasoline sprays”, ILASS 2008 [45] Nešpor, V.; Krajewski, W.F.; Kruger, “A. Wind-induced error of raindrop
size distribution measurement using a two-dimensional video disdrometer”, J.
Atmos. Ocean. Technol. 2000, 17, p.1483–1492.
[46] Jan PETRŮ and Jana KALIBOVÁ, “Measurement and Computation of