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 MÔ HÌNH TOÁN
MÔ 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


Công trình được hoàn thành tại 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 sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
vào lúc
giờ
ngày
tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những năm gần đây, dưới tác động tiêu cực của các nhân tố tự nhiên, sự
biến đổi khí hậu toàn cầu gây nên tình trạng xói mòn, vận chuyển bùn cát, thoái
hóa đất trên lưu vực, đặc biệt là các vùng đất dốc.
Ở Việt Nam, với 3/4 diện tích là đồi núi và nằm trong vùng nhiệt đới ẩm gió
mùa, nên xói mòn được xem là một hiểm họa đối với đất dốc ở Việt Nam. Nếu
không có biện pháp phòng chống xói mòn thì hàng trăm tấn đất và dinh dưỡng
sẽ bị mất sau mỗi năm và đất trở nên thoái hóa không còn khả năng canh tác.
Chính vì vậy việc “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và
vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ” là cần thiết và cấp bách, áp dụng

tính toán cho các lưu vực sông ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy và vận
chuyển bùn cát trên lưu vực.
- Ứng dụng mô hình đã xây dựng cho một số lưu vực vừa và nhỏ.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn
cát.
- Phạm vi nghiên cứu: Các lưu vực vừa và nhỏ.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển
bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về
kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết.
- Ứng dụng cơ sở lý thuyết về cơ chế xói mòn và vận chuyển bùn cát để phát
triển mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực
vừa và nhỏ.
- Thử nghiệm mô hình đã xây dựng cho một số lưu vực vừa và nhỏ trên địa bàn
tỉnh Sơn La.
1


5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu; Phương pháp kế thừa.
- Phương pháp viễn thám và GIS.
- Phương pháp mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát.
- Phương pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần khẳng định
việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát với ứng
dụng công nghệ viễn thám và GIS là rất hiệu quả và cần thiết trong giai đoạn

hiện nay.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp cho địa phương
nguồn dữ liệu và công cụ có thể giám sát, đánh giá, tra cứu thông tin, theo dõi tác
động của xói mòn và vận chuyển bùn cát đến các hoạt động sản xuất khai thác sử
dụng đất và nước để từ đó đề xuất các giải pháp quy hoạch tài nguyên nước, quy
hoạch sử dụng đất phù hợp.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng được mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và
nhỏ, với thuật toán sơ đồ sai phân Lax – Friedrich có thêm trọng số thời gian,
không gian để giải phương trình dòng chảy và phương trình vận chuyển bùn cát
trên lưu vực.
- Xây dựng được phương trình tương quan giữa tính toán xói mòn liên rãnh, xói
mòn rãnh trên lưu vực nghiên cứu, từ đó có thể dự báo lượng bùn cát bị xói
mòn và vận chuyển trên lưu vực theo cường độ mưa.
8. Cấu trúc của luận án: Gồm 3 chương
Chương I: Tổng quan về mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu
vực vừa và nhỏ.
Chương II: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng vận
chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ.
Chương III: Thử nghiệm mô hình để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn
cát cho một số lưu vực vừa và nhỏ.
2


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN
CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ
1.1 Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực
1.1.1 Một số khái niệm, thuật ngữ
1.1.1.1 Xói mòn lưu vực
Xói mòn là hiện tượng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề mặt đất bị bào

mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nước.
Xói mòn do nước phụ thuộc vào năng lượng xói mòn của dòng nước và sức
kháng đối với xói mòn của đất đá nơi dòng nước chảy qua.
1.1.1.2

Bùn cát và bồi lắng

Bùn cát lơ lửng là những hạt bùn cát có kích thước nhỏ, nổi lơ lửng khắp và
chuyển động trôi theo dòng nước. Tốc độ chuyển động của bùn cát lơ lửng bằng
tốc độ chuyển động của dòng nước.
Bồi lắng là các hạt đất tách ra do xói mòn được lắng lại trong đất hoặc bên
trong các nguồn nước như: hồ, suối và đất ngập nước.
Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn

1.1.2
1.1.2.1

Các yếu tố gây xói mòn

a. Nhóm nhân tố mưa: Lượng mưa, cường độ mưa, và sự phân bố sẽ
quyết định đến lực phân tán các hạt của đất, đến lượng nước và vận tốc của
nước chảy tràn. Thời gian mưa ngắn cũng hạn chế xói mòn do không đủ lượng
nước hình thành dòng chảy. Khi cường độ mưa lớn, thời gian mưa kéo dài thì
xói mòn rất nghiêm trọng.
b. Nhóm nhân tố thành phần cơ lý của đất: Đối với đất có thành phần cơ
giới nặng thì kích thước các hạt nhỏ, mịn, liên kết chặt, khó bị phá vỡ nên nguy
cơ xảy ra xói mòn là không cao. Đối với đất có thành phần cơ giới trung bình
thì kích thước hạt nhỏ vừa phải, liên kết vừa phải, tơi xốp, dễ bị cuốn trôi khi
xuất hiện dòng chảy mặt nên nguy cơ bị xói mòn cao. Đối với đất có thành
phần cơ giới nhẹ, mặc dù có kết cấu kém bền vững nhưng có kích thước hạt lớn

khó vận chuyển nên nguy cơ xảy ra xói mòn là không cao, loại đất này có khả
năng thấm nước tốt nhưng giữ nước kém.

3


1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn
Có 5 nhân tố chính ảnh hưởng tới xói mòn đất là địa hình, loại đất, thảm thực
vật, khí hậu và con người.
1.1.3 Phân loại xói mòn lưu vực
Xói mòn bắn tóe, xói mòn bề mặt, xói mòn rãnh nhỏ, xói mòn rãnh.
1.1.4 Vận chuyển bùn cát trên lưu vực
Vận chuyển là sự cuốn trôi và di chuyển của các hạt bùn cát từ các vùng đất cao
qua sông ngòi và cuối cùng ra đại dương. Quá trình vận chuyển bùn cát trên lưu
vực là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy, quá trình xói
mòn, chuyển tải và bồi lắng.
1.2 Các nghiên cứu trên thế giới
1.2.1 Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn
Quá trình xói mòn hiện nay được gắn với các hoạt động nông nghiệp. Nhiều
người đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyên nhân khiến các
nền văn minh quá khứ mất đi. Vì vậy, cùng với thoái hóa đất, xói mòn tồn tại
như một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của nhân loại.
1.2.2 Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận
chuyển bùn cát
1.2.2.1 Mô hình kinh nghiệm
Mô hình kinh nghiệm chủ yếu dựa trên phân tích các quan sát và phân tích
quan hệ từ các dữ liệu đo đạc. Các giá trị tham số trong mô hình kinh nghiệm
xác định thông qua việc hiệu chỉnh mô hình, nhưng thường được xác định từ
việc kiểm định các số liệu quan trắc thực tế.
Mô hình kinh nghiệm không đề cập đến vấn đề bồi lắng trên lưu vực và không

tính toán cho một trận mưa, không xét xói mòn trong rãnh, kênh và xem độ sâu
dòng chảy tràn không đổi.
1.2.2.2 Mô hình nhận thức
Khác với mô hình kinh nghiệm, mô hình nhận thức được phát triển dựa vào sự
hiểu biết về các qui luật vận động và cơ chế vật lý của quá trình xói mòn, nghĩa
là dựa vào các hiểu biết đã được lý thuyết hoá dưới dạng các định luật hay
phương trình vật lý. Các quá trình vật lý của xói mòn: Quá trình tách hạt đất;
quá trình chuyển tải và quá trình bồi lắng của các hạt đất.
4


Các mô hình nhận thức mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát được xây
dựng dựa vào các phương trình toán học mô phỏng các hiện tượng vật lý của
quá trình xói mòn rửa trôi đất. Cơ sở toán học của các mô hình toán là phương
trình liên tục của Bennett. Phương trình liên tục thường được sử dụng trong mô
hình động lực học của sự xói mòn đất dốc là:
qs
(cy )
 s
 Dr  Dl
(1-11)
x
t
1.2.3 Các thuật toán giải trong các mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát
trên lưu vực
Các mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực đều
dựa trên phương trình liên tục của Bennet. Các mô hình có thuật toán giải bằng
phương pháp số trị như mô hình CREAM, EUROSEM, các mô hình có thuật
toán giải bằng phương pháp giải tích như mô hình SWAT, WEPP.v.v.. Với
trường hợp giải bằng phương pháp giải tích cho sườn dốc thì đồng nhất độ dốc

và lượng mưa vượt thấm. Với trường hợp tổng quát bài toán thường được giải
bằng phương pháp số trị, sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn và một lưới thời
gian và không gian đặc trưng.
1.3 Các nghiên cứu trong nƣớc
1.3.1 Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới ẩm và có lượng mưa tương đối lớn (từ
1800 – 2000mm) nhưng phân bố không đồng đều và tập trung chủ yếu vào mùa
mưa. Lượng mưa lớn tập trung tạo ra dòng chảy có cường độ rất lớn, đây là
nguyên nhân chính gây ra hiện tượng xói mòn đất ở Việt Nam.
1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng các mô hình toán mô phỏng xói mòn và
vận chuyển bùn cát
Nghiên cứu các yếu tố gây xói mòn và dự báo xói mòn trên đất dốc, đã đưa ra
chỉ số xói mòn của mưa và hệ số xói mòn đất K để tiến tới áp dụng phương
trình mất đất phổ dụng USLE của Wischmeier và Smith, dự báo được xói mòn
đất và sơ bộ thể hiện tiềm năng xói mòn do mưa trên bản đồ tỷ lệ nhỏ; Chưa
xem xét đến các yếu tố khác gây xói mòn như độ dốc, độ dài sườn dốc, hệ
thống cây trồng đa dạng, hệ số bảo vệ đất. Kết quả của nghiên cứu mới chỉ ở
mức độ dự báo xói mòn khái quát.
5


Chỉ sử dụng phương trình mất đất phổ dụng kết hợp với GIS và viễn thám trong
nghiên cứu xói mòn đất và phân tích tác động đến sản xuất nông nghiệp đem lại
hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và chi phí. Kết quả ở dạng dữ liệu GIS nên có
tính trực quan, dễ sử dụng và hiệu chỉnh. Tuy nhiên các hệ số K và P trong
nghiên cứu được lấy ở các tài liệu tham khảo nên phần nào ảnh hưởng đến kết
quả tính toán.
1.4
Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn
cát – Hƣớng nghiên cứu chính của luận án

1.4.1 Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn
cát
Các nghiên cứu ở Việt nam chủ yếu là ứng dụng các mô hình có sẵn để tính
toán xói mòn và vận chuyển bùn cát.
Các mô hình của nước ngoài là những mô hình mang tính thương mại, có giá
thành cao và mã nguồn đóng nên khi áp dụng vào lưu vực sông ở Việt Nam sẽ
không tránh khỏi những sai số nhất định vì bộ thông số trong mô hình được
hiệu chỉnh theo số liệu ở nước ngoài.
1.4.2 Định hướng nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình hóa dòng chảy, quá trình xói mòn và vận chuyển
bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ. Từ đó xây dựng sơ đồ hình thành dòng chảy, vận
chuyển bùn cát và sơ đồ mô phỏng đường quá trình dòng chảy bùn cát trên lưu vực.
Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải mới ổn định và hội tụ đối với phương trình
liên tục dòng chảy, phương trình động lượng và phương trình xói mòn và vận
chuyển bùn cát.
Kết luận chƣơng 1
Tác giả tổng quan về những mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu
vực trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đã chỉ ra, ở Việt Nam chỉ ứng dụng mô
hình, những mô hình trên thế giới mang tính chất thương mại với giá thành rất
cao, mã nguồn đóng, bộ thông số được xây dựng dựa trên đặc điểm vật lý lưu
vực của thế giới nên khi ứng dụng vào lưu vực ở Việt nam sẽ có sai số lớn. Vậy
để khắc phục những tồn tại nêu trên tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình mô
phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ ở Việt Nam.
6


CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ
HÌNH TOÁN MÔ 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 được tính toán từ phương trình tính toán lượng tổn thất thấm
trong thời gian mưa. Phương trình thấm của Green – Ampt Mein – Larson

 (  o )  c 
fi  K e 1 

I



(2-1)

2.1.1.2 Phương trình mô phỏng dòng chảy
a. Hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trên 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 mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông:

(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 mô phỏng dòng chảy
a. Phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực
Mô hình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát được thiết lập dựa vào
phương trình toán học mô phỏng các hiện tượng vật lý của quá trình xói mòn và
vận chuyển bùn cát. Cơ sở toán học của các hiện tượng vật lý là phương trình
7


liên tục của Bennett. Phương trình liên tục mô phỏng xói mòn và vận chuyển
bùn cát được biểu diễn như sau:
  Cs h  qs

  Ch    qs 
(2-14)
s

  ( x, t) 


t
x
t
x
b. Phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trong
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) = 0
x≥0
(2-19)

2.1.2 Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải
Hiện nay có nhiều phương pháp để giải hệ phương trình diễn toán dòng chảy và
hệ phương trình diễn toán xói mòn, vận chuyển bùn cát. Trong nghiên cứu này
luận án dùng thuật toán lược đồ sai phân hữu hạn Lax- Friedrichs thêm trọng số
thời gian và trọng số không gian gọi là lược đồ sai phân hữu hạn LaxFriedrichs có trọng số (LFW) để giải hệ phương trình diễn toán dòng chảy và
hệ phương trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát. Thuật toán đã được
chứng minh tính hội tụ đối với những phương trình nêu trên.
2.1.2.1 Thuật toán giải hệ phương trình mô ph ỏng dòng chảy trên bề mặt lưu
vực
a.Thuật toán giải: Với xj = jΔx, tn = nΔt công thức sai phân Lax-Friedrichs
(LF) tính gần đúng đạo hàm cấp một của hàm u = u(x,t) tại điểm (xj, tn):
u
1 
1

( x j , tn )  u nj 1  (u nj 1  u nj 1 ) 

 t
t 
2

(2-24)


u
1
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) được viết:
 u
1  n 1 
 n

n
n
 ( x j ; tn )   u j  (1   )u j  (u j 1  u j 1 )   ,
t 
2


 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 





8


Áp dụng LFW cho phương trin
̀ h (2-6). Khi đó ta được phương trình sai phân
của (2-6) như sau:
 h n  h nj 1   
1  n 1 
 h j  1    h nj    j 1
 

 
t 
2


 





 

  h n 1 m  h n 1
j 1
j 1
   

2x
 
 



m

   


 hn m  hn
j 1
  1     j 1


2x



m





 

(2-25)

  r n 1  (1   )r n

b.Tính hội tụ của thuật toán
Nghiên cứu tính ổn định của thuật toán sai phân LFW đối với phương
trình (2-6), tức là tính ổn định của thuật toán sai phân LFW với phương trình:
h
h
a r
t
x



trong đó a   m h

m 1

(2-26)
với h là hằng số.

2.1.2.2 Thuật toán giải hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông:
A dQ A

 qA .
t dA x

(2-35)

Giải gần đúng cho A, Q tại ( x j ; tn ) theo sơ đồ sai phân LFW, nhưng
ta chỉ cần giải
Anj 1

A cho bởi phương trình (2-35). Khi đó ta được:

 1   

Anj

n

 n
t  dQ 
n
n
n
n
 Aj 1  Aj 1 

 Aj 1  Aj 1  q A  (2-41)
2
2x  dA 










2.1.2.3 Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát
trên lưu vực
a.Thuật toán giải: Có nhiều phương pháp giải phương trình (2-14), nhưng
để hạn chế sai số nhiều tác giả dùng phương pháp sai phân hữu hạn sơ đồ hiện
hoặc sơ đồ ẩn. Tác giả dùng sơ đồ sai phân Lax – Friedrichs, nhưng thêm trọng
số thời gian và không gian để tính gần đúng đạo hàm cấp một của hàm u =
u(x,t) tại điểm (xj, tn) với xj = jΔx, tn = nΔt.
9


Khi đó ta được:
 C nj 1h nj 1  C nj 1h nj 1  t
C nj 1  1    C nj h nj   
C n  C nj 1 q n (2-44)


 2x j 1
2







b.Tính ổn định của thuật toán:
Thuật toán LFW cũng ổn định đối với phương trình (2-14), ta dễ dàng kiểm tra
tính ổn định của thuật toán bằng cách hoàn toàn tương tự như các bước trong
quá trình kiểm tra điều kiện ổn định của thuật toán sai phân LFW cho phương
trình (2-26).
2.1.2.4 Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát
trong kênh/sông
Áp du ̣ng lược đồ sai phân LFW vào phương trình mô phỏng xói mòn và vận
chuyển bùn cát trong kênh/sông:

(CA) (CQ)

 er  d  qs
t
x
Từ đó ta giải đươ ̣c

(2-60)

C nj 1 theo C nj ; C nj 1; C nj 1 và các đại lượng gần đúng của

Q, A, TW :
 C nj 1 Anj 1  C nj 1 Anj 1  t
C nj 1   
C n Q n  C nj 1Q nj 1


 2x j 1 j 1
2








 1    C nj Anj  t  ernj1  (1   )ernj


 t  q



 t Vs TWC  j 1  (1   )Vs TWC  j
n

n
s j 1

n






(2-62)

 1    qsnj .

2.2 Xây dựng các thành phần của mô hình
Trên cơ sở phân tích lý thuyết sự hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát
trên lưu vực. Luận án xây dựng sơ đồ khối mô phỏng quá trình dòng chảy bùn
cát trên lưu vực sông như hình 2-3.
10


Hình 2-3. Sơ đồ tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát

11


2.2.1
2.2.1.1

Quá trình liên rãnh
Khả năng xói mòn liên rãnh

Trong tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực rất 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 mô hình này tác giả sử dụng phương trình của Meyer và Wischmeier để
xác định khả năng vận chuyển bùn cát liên rãnh như sau:

Tcl = acl.Io5/3.q5/3.
2.2.2
2.2.2.1

(2-70)

Các quá trình xói mòn rãnh
Xói mòn rãnh

Có nhiều công thức tính xói mòn rãnh nhưng khá phức tạp và phụ thuộc vào
nhiều nhân tố nên tác giả chọn một phương trình có mối quan hệ giữa các nhân
tố đơn giản hơn để tính toán trong mô hình như sau:
Ei = Ciqs KCslr.
2.2.2.2

(2-74)

Vận chuyển bùn cát trong rãnh

Có nhiều phương trình được xây dựng để tính sức vận chuyển bùn cát nhưng
mỗi phương trình điều có tính ứng dụng phù hợp với mỗi mô hình. Tác giả
chọn phương trình sau để tính toán:
Tc = 3600.ac.q.ρs
2.2.3
2.2.3.1

(2-75)

Quá trình lòng kênh/sông
Sức tải bùn cát trong kênh/sông

Sức tải bùn cát được tính theo phương trình của Parsons và nnk
q sl  3600 

2.2.3.2

E il  A  t  q
.
VQ

(2-76)

Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông

Vận chuyển bùn cát trong sông được mô phỏng theo phương trình của
Engelund và Hansen như sau:

TCch 

0,05  v  h1/2  I 03/2
.
 s 2  g1/2  d
12

(2-77)


2.3

Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình

Ngôn ngữ lập trình C++ là ngôn ngữ lập trình cấp cao, thư viện chứa rất nhiều
hàm (function) đã được tạo sẵn. Người lập trình có thể tận dụng các hàm này để
giải quyết các bài toán mà không cần tạo mới. Hơn thế nữa, ngôn ngữ C ++ hỗ
trợ rất nhiều phép toán nên phù hợp cho việc giải quyết các bài toán kỹ thuật có
nhiều công thức phức tạp. Ngoài ra, C++ cũng cho phép người lập trình tự định
nghĩa thêm các kiểu dữ liệu trừu tượng khác. Chính vì vậy, tác giả chọn C++ để
xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực
vừa và nhỏ.
Cấu trúc và chức năng của một số chƣơng trình con

2.4
2.4.1

2.4.1.1

Cấu trúc và một số mô đun chính
Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần cơ bản

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 mòn và b ồi lắng: Tính lượng bùn cát sinh ra do tác

đô ̣ng của mưa và dòng chảy ; Tính lượng bùn cát bồ i lắ ng trên lưu v ực và trong
kênh/sông thông qua các phương trình liên tu ̣c bùn cát vớ i thuâ ̣t toán lươ ̣c đồ
sai phân hữu ha ̣n LFW.

2.4.1.2

Một số mô đun chính

a.

Mô đun tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát liên rãnh

b.

Mô đun tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát rãnh

c.

Mô đun tính lượng bùn cát vận chuyển trong sông đến cửa ra của lưu
vực

2.4.2

Chức năng của một số chương trình con

Thực hiê ̣n viê ̣c ghi chép vào nơi lưu trữ thông tin ta ̣m thời của máy tiń h.
Giải các 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 ra dưới tá c đô ̣ng của mưa và ứng suấ t trươ ̣t từ dòng
chảy mặt ; và tính lư ợng bùn cát bồ i lắ ng trên các 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 ra bởi ứng suấ t trươ ̣t do dòng chảy tâ ̣p trung gây ra ; và
tính lượng bùn cát bồ i lắ ng trong các kênh /sông bằ ng cách sử du ̣ng lươ ̣c đồ sai
phân hữu ha ̣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 dữ liệu
Kết luận chƣơng 2
Trong chương này, tác giả sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn Lax –Frierichs có
thêm trọng số thời gian và không gian (LFW) để giải phương trình dòng chảy
và phương trình vận chuyển bùn cát trên lưu vực. Tác giả đã chứng minh được
tính hội tụ của thuật toán đối với các phương trình trên.
Trên cơ sở đó, luận án sử dụng ngôn ngữ C++ để xây dựng mô hình mô phỏng
dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ.
14


CHƢƠNG 3
THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY
VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ

3.1 Số liệu đầu vào cho mô hình
3.1.1 Tạo cơ sở dữ liệu
Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Số hóa bản đồ thổ nhưỡng, thảm phủ, địa hình
và hệ thống sông. Mô hình hóa độ cao của lưu vực dựa vào bản đồ địa hình.
Nhờ vào các phép phân chia, chồng ghép bản đồ theo sự đồng nhất về địa hình,

hướng dòng chảy, thổ nhưỡng và tính chất thảm phủ của lưu vực để phân chia
lưu vực thành các tiểu lưu vực, từ đó xác định được hướng dòng chảy của các
tiểu lưu vực.
Tạo ra tệp số liệu mưa, lưu lượng dòng chảy thực đo, lưu lượng bùn cát lơ lửng
thực đo và các thông số của mô hình.
3.1.2 Chạy mô hình
Khi nhập dữ liệu vào mô hình, chạy chương trình ta có kết quả mô phỏng dòng
chảy, kết quả mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực dưới dạng đồ thị.
Trên cơ sở đó hiệu chỉnh các thông số của mô hình theo số liệu thực đo và được
bộ thông số của mô hình.
3.2

Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn và 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 các 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 toàn tỉnh. Nằm trong phạm vi địa lý: 104o11'09’’– 104o42'54 kinh
độ Đông, 20o42'8 – 21o10'15 vĩ độ Bắc, phía Tây giáp lưu vực suối Nậm Pàn,
phía Đông giáp huyện Vân Hồ, phía Nam giáp Lào.
3.2.1.2

Đặc điểm địa hình

Nằm cách thành phố Sơn La 40,5km trên trục Quốc lộ 6 Hà Nội - Sơn La Điện Biên, lưu vực Nậm Sập là một lưu vực nằm sâu trong nội địa, có đặc điểm
địa hình phức tạp, bị chia cắt mạnh và độ dốc lớn, xen kẽ giữa những dãy núi.

15


3.2.1.3

Đặc điểm thổ nhưỡng

Lưu vực Nậm Sập có 4 nhóm đất chính: Đất nâu vàng, đất xám feralit, đất xám
mùn trên núi và núi đá.
3.2.1.4

Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất

Lưu vực Nậm Sập là lưu vực có nhiều loại đất phù hợp với nhiều loại cây. Diện
tích rừng thuộc tiểu vùng là 27.573,5ha, chiếm 25,48% diện tích toàn tiểu vùng,
trong đó diện tích rừng tự nhiên giàu và trung bình là 8.847,06ha, diện tích rừng
tự nhiên nghèo là 11.752,06ha. Đất trồng cây 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 của vùng
Tây Bắc: Mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm. Tuy nhiên, chế độ nhiệt, chế độ
mưa, số giờ nắng có khác so với một số tiểu vùng.
Nhiệt độ trung bình năm tại trạm Cò Nòi dao động trong khoảng từ 19,70C 22,20C, trạm Mộc Châu từ 17,00C - 20,30C, tháng 6 có nhiệt độ cao nhất tại
trạm Cò Nòi là 25,80C, tại trạm Mộc Châu 23,40C vào tháng 7, nhiệt độ thay
đổi lớn giữa mùa đông và mùa hè, giữa ngày và đêm. Tuy nhiên, nhiệt độ có xu
thế tăng trong những năm gần đây.
3.2.1.6

Đặc điểm khí tượng thủy văn

Lưu vực Nậm Sập có 5 trạm đo mưa được xây dựng và hoạt động từ những
năm 60 của thế kỷ 20, hiện nay có 2 trạm đã ngừng hoạt động, chỉ còn trạm
Mộc Châu, Cò Nòi và Tà Làng đang hoạt động với chất lượng đo đạc đáng tin
cậy.
3.2.1.7

Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình

- Số liệu về khí tượng thủy văn của lưu vực các năm 1962, 1973, 1980, 2010,
2011, 2012 và 2013 bao gồm các số liệu mưa (giờ), nhiệt độ, bốc hơi và số liệu
lưu lượng dòng chảy (giờ), lưu lượng bùn cát (giờ) tại trạm Thác Mộc.
- Số liệu về tình hình sử dụng đất, về loại đất trên lưu vực Nậm Sập tính đến
trạm Thác Mộc.
- Các bản đồ địa hình, bản đồ mạng lưới sông suối, lưới trạm khí tượng thủy
văn, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ sử dụng đất.
16


3.2.1.8

Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

a. Hiệu chỉnh mô hình
Tác giả chọn trận lũ tháng 9/1962 để hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình. Kết
quả hiệu chỉnh mô hình được thể hiện (hình 3-9) dưới dạng các biểu đồ so sánh
kết quả tính toán và thực đo tại vị trí các trạm thủy văn kiểm tra và chỉ số kiểm
định NASH tương ứng tại các trạm đó. Kết quả tính toán hiệu chỉnh thông số

của mô hình cho hệ số Nash đạt 81%, chênh lệch đỉnh lũ tính toán và thực đo là
13m3/s. Hệ số tương quan giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo đạt 0.93.
Các thông số của mô hình vận chuyển bùn cát:
Hệ số xói mòn tách rời liên rãnh (ail)
Hệ số khả năng xói mòn đất (ket)
Hệ số vận chuyển bùn cát liên rãnh (acl)
Hệ số xói mòn rãnh (Ci)
Hệ số vận chuyển bùn cát rãnh (ac).
b. Kiểm định mô hình

Hình 3-9. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo

17


Hình 3-10. Đường quá trình hàm lượng bùn cát tính toán và thực đo

Hình 3-11. Lưu lượng bùn cát trên 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 các huyện Bắc Yên, Phù Yên tỉnh Sơn
La, có diện tích tự nhiên 431km2, chiếm 3,04% tổng diện tích toàn tỉnh. Nằm
trong phạm vi địa lý: 104o24'41’–104o38'8’’ kinh độ Đông, 21o24'49’’–
21o05'38’’ vĩ độ Bắc, phía Tây giáp lưu vực suối Gạo huyện Bắc Yên, phía Bắc
18

giáp với tỉnh Yên Bái, phía Đông 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 là một lưu vực nằm sâu trong nội địa, có đặc điểm địa
hình phức tạp, bị chia cắt mạnh và độ dốc lớn, 100% diện tích tự nhiên thuộc
lưu vực sông Đà, xen kẽ giữa những dãy núi.
3.2.2.3

Đặc điểm thổ nhưỡng

Lưu vực Phiêng Hiềng có 3 nhóm đất chính: Đất xám feralit, đất nâu đỏ, đất
xám mùn trên núi.
3.2.2.4

Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện 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 của
vùng Tây Bắc: Mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm. Tuy nhiên, chế độ nhiệt, chế
độ mưa, số giờ nắng có khác so với một số tiểu vùng. Do lưu vực không có
trạm đo nên sử dụng số liệu của các trạm Phù Yên, Bắc Yên là 2 trạm thuộc

vùng phụ cận tiểu lưu vực.
Độ ẩm trung bình năm tại trạm Phù Yên đạt khoảng 77% - 83%, trạm Bắc Yên
đạt khoảng 78% - 84%, độ ẩm tương đối cao, độ ẩm thấp nhất vào tháng 3, 4
xuống đến 78% - 79%.
3.2.2.6

Đặc điểm khí tượng thủy văn

Do lưu vực Phiêng Hiềng nhỏ nên không bố trí trạm đo mưa, vùng phụ cận lưu
vực có trạm đo mưa Bắc Yên và 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 trên lưu vực các năm 1973, 1976 bao gồm các số
liệu mưa (giờ), nhiệt độ, bốc hơi tại trạm Phù Yên và số liệu lưu lượng (giờ),
lưu lượng bùn cát (giờ) tại trạm Phiêng Hiềng.
- Số liệu về tình hình sử dụng đất, về loại đất trên lưu vực Phiêng Hiềng.
- Các bản đồ địa hình, bản đồ mạng lưới sông suối, lưới trạm khí tượng thủy
19


văn, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ sử dụng đất.
3.2.2.8 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
Sau khi đã thiết lập được mô hình, tiến hành hiệu chỉnh thông số mô hình. Số
liệu lưu lượng tại trạm Phiêng Hiềng năm 1973 được sử dụng để hiệu chỉnh mô
hình. Kết quả hiệu chỉnh mô hình như sau:

Hình 3-20. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo

Hình 3-21. Đường quá trình hàm lượng bùn cát tính toán và thực đo

20


3.2.3 Xây dựng phương trình tương quan
3.2.3.1

Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình

a. Phương pháp phân tích độ nhạy các thông số
Phân tích độ nhạy là sự nghiên cứu mối quan hệ giữa thông tin vào và ra của
mô hình. Độ nhạy có thể tính toán bằng nhiều phương pháp hay phân tích định
tính hoặc định lượng.
Để phân tích độ nhạy các thông số trong mô hình toán, người ta đưa ra khái
niệm véc tơ ứng với mỗi thông số (ví dụ véc tơ x nhận các giá trị trong khoảng
a  b, ta viết x[a,b]. Số lượng các trị nhân tố thuộc [a,b] nhiều hay ít tùy thuộc
yêu cầu chính xác của phương pháp.
b. Kết quả phân tích độ nhạy các thông số
Có nhiều thông số tham gia vào quá trình hình thành vận chuyển bùn cát trên
lưu vực vừa và nhỏ mà đã được mô hình hóa thông qua mô hình mô phỏng vận
chuyển bùn cát trên lưu vực. Phương pháp phân tích độ nhạy có thể chỉ ra được
thông số nào có vai trò quan trọng trong mô hình, thông số nào không quan
trọng. Luận án phân tích độ nhạy tổ hợp các thông số: Cường độ mưa, hệ số xói
mòn bong tách liên rãnh, độ dốc lưu vực, mật độ rãnh, độ che phủ đất và khả
năng xói mòn của đất.
3.2.3.2 Phân tích tương quan giữa xói mòn liên rãnh trên lưu vực với độ dốc
và cường độ mưa
Lượng bùn cát bị xói mòn liên rãnh trên lưu vực là hàm số của cường độ mưa
và độ dốc lưu vực. Thử nghiệm tính toán với các cường độ mưa khác nhau trên

lưu vực Phiềng Hiềng và lưu vực Nậm Sập cho ta kết quả tính toán xói mòn
liên rãnh trên lưu vực.
Phương trình cơ bản cho sự bong tách liên rãnh có dạng tổng quát:
Ei= a.i2.Iob.

(3-2)

Từ kết quả tính toán xây dựng được phương trình cơ bản cho sự bong tách liên
rãnh trên lưu vực vừa và nhỏ thuộc tỉnh Sơn La dựa trên số liệu tính toán như
sau:

Ei  0,0002  i 2  I o .
1,6

21

(3-3)


3.2.3.3 Phân tích tương quan giữa xói mòn rãnh trên lưu vực với độ dốc và
cường độ mưa
Lượng bùn cát xói mòn rãnh trên lưu vực là hàm số của cường độ mưa và độ
dốc lưu vực. Thử nghiệm tính toán với các cường độ mưa khác nhau trên lưu
vực cho ta kết quả tính toán xói mòn rãnh trên lưu vực.
Phương trình cơ bản cho xói mòn rãnh có dạng tổng quát như sau:
Er= c.i2.Iod.

(3-4)

Kết quả phân tích tương quan giữa xói mòn rãnh trên lưu vực với độ dốc và

cường độ mưa được chỉ ra trong hình vẽ sau:

Hình 3-26. Tương quan giữa xói mòn rãnh và độ dốc, cường độ mưa
22


Kết luận chƣơng 3
Tác giả chọn hai lưu vực để kiểm tra độ tin cậy của mô hình, kết quả cho thấy
các đường biểu diễn dòng chảy và đường biểu diễn vận chuyển bùn cát trên hai
lưu vực giữa tính toán và thực đo là phù hợp cả về dạng đường và đỉnh. Ngoài
ra, chúng tôi xây dựng được phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh
với độ dốc và cường độ mưa, phương trình tương quan giữa xói mòn rãnh với
độ dốc và cường độ mưa dựa trên quá trình phân tích độ nhạy của các thông số.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Các kết quả nghiên cứu chính của luận án trong việc nghiên cứu cơ sở khoa học
xây dựng mô hình toán mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trên lưu vực
vừa và nhỏ, áp dụng cho các lưu vực miền núi phía Bắc thuộc tỉnh Sơn La trên
quan điểm tiếp cận quá trình vật lý của quá trình vận chuyển bùn cát với các
phương pháp và công cụ tính toán tiên tiến, đặc biệt là việc giải phương trình
toán học, kết hợp với việc lập trình bằng ngôn ngữ C++ đã rút ra một số kết luận
như sau:
- Trên cơ sở tổng quan các mô hình mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát
trên lưu vực vừa và nhỏ đang được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam, trong
điều kiện các lưu vực có địa hình dốc, việc lựa chọn ngôn ngữ C++ trong mô
phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ là hợp lý, thích
hợp trong điều kiện hiện nay, xây dựng công cụ để mô phỏng và phát triển công
nghệ tính toán dòng chảy bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ là có cơ sở khoa học.
- Sơn La là tỉnh miền núi phía Bắc với điều kiện địa hình dốc, nguy cơ xảy ra
xói mòn, thoái hóa đất do vận chuyển dòng bùn cát bề mặt lưu vực là lớn, các
yếu tố ảnh hưởng đến việc vận chuyển bùn cát trên lưu vực gồm mưa, thảm phủ

thực vật, độ dốc, đất và các hoạt động khai thác của con người. Các yếu tố tạo
nguồn vật chất cho việc vận chuyển bùn cát bề mặt lưu vực là do thổ nhưỡng.
- Nghiên cứu lý luận và thực nghiệm số các sơ đồ giải bằng phương pháp sai
phân Lax- Friedrichs về quy mô không gian và thời gian nhằm nâng cao độ
23