Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận án, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể thầy cô hƣớng dẫn: PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan và PGS. TS Ngô Lê Long (Trƣờng Đại học Thủy Lợi) về sự hƣớng dẫn tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án. Nhân dịp này, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Mô hình toán và Dự báo khí tƣợng thủy văn, Khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học, Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để luận án đƣợc hoàn thành. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Toán học – Khoa Công nghệ thông tin - Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện tốt nhất, quan tâm giúp đỡ về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 02 năm 2017 Tác giả Đào Tấn Quy i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Hà Nội, tháng 02 năm 2017 Tác giả Đào Tấn Quy ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC BẢNG BIỂU. vi DANH MỤC HÌNH VẼ.

vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. ix MỞ ĐẦU……. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN. CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ. Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực.

Một số khái niệm, thuật ngữ. Bùn cát và bồi lắng. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn. Các yếu tố gây xói mòn.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn. Phân loại xói mòn lưu vực. Vận chuyển bùn cát trên lưu vực. Các nghiên cứu trên thế giới.

Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn. Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát. Mô hình kinh nghiệm. Mô hình nhận thức.

Các thuật toán giải trong các mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. Các nghiên cứu trong nƣớc. Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát.

Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát – Hƣớng nghiên cứu chính của luận án. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát 35 1. Định hướng nghiên cứu của luận án. 36 Kết luận chƣơng 1:.

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải. Phƣơng trình thấm. Phƣơng trình mô phỏng dòng chảy.

Phƣơng trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát. Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải. Thuật toán giải hệ phƣơng trin ̀ h mô phỏng dòng chảy trên bề mă ̣t lƣu vực. Thuật toán giải hệ phƣơng trình mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông:.

Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sông. Xây dựng các thành phần của mô hình. Quá trình liên rãnh.

Khả năng xói mòn liên rãnh. Vận chuyển bùn cát liên rãnh. Quá trình xói mòn rãnh. Vận chuyển bùn cát trong rãnh.

Quá trình lòng kênh/sông. Sức tải bùn cát trong kênh/sông. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông. Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình.

Cấu trúc và chức năng của một số chƣơng trình con. Cấu trúc và một số mô đun chính .1 Cấu trúc chƣơng trình: Có hai thành phần cơ bản .2 Một số mô đun chính. Chức năng của một số chương trình con. Giao diện sử dụng chƣơng trình.

72 Kết luận chƣơng 2. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ. Số liệu đầu vào cho mô hình. Tạo cơ sở dữ liệu.

Chạy mô hình. Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát. Lưu vực Nậm Sập. Vị trí địa lý.

Đặc điểm địa hình. Đặc điểm thổ nhưỡng. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất. Đặc điểm khí hậu.

Đặc điểm khí tượng thủy văn. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình. Lưu vực Phiêng Hiềng.

Vị trí địa lý. Đặc điểm địa hình. Đặc điểm thổ nhƣỡng. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất.

Đặc điểm khí hậu. Đặc điểm khí tƣợng thủy văn. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình.

Xây dựng phƣơng trình tƣơng quan. Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình. Phân tích tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh trên lƣu vực với độ dốc và cƣờng độ mƣa. Phân tích tƣơng quan giữa xói mòn rãnh trên lƣu vực với độ dốc và cƣờng độ mƣa.

110 Kết luận chƣơng 3. 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

123 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Bảng tra để tính C theo hội Khoa học đất Quốc tế. Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Nậm Sập. Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Phiêng Hiềng.

94 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến xói mòn đất. Tỷ lệ xói mòn tại các châu lục trên thế giới. Sử dụng lƣới hình chữ nhật giải phƣơng trình trong mô hình động lực 31 Hình 2-1.

Sơ đồ sai phân Lax- Friedrichs. Sơ đồ hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. Sơ đồ tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát. Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát liên rãnh.

Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát rãnh. Sơ đồ khối tính lƣợng bùn cát vận chuyển trong sông đến cửa ra. Màn hình khởi động chƣơng trình. Giao diện mở tệp dữ liệu.

Giao diện chạy chƣơng trình. Bản đồ vị trí lƣu vực Nậm Sập. Bản đồ địa hình lƣu vực Nậm Sập. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Nậm Sập.

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Nậm Sập. Bản đồ mạng lƣới sông ngòi lƣu vực Nậm Sập. Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Nậm Sập. Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy lƣu vực Nậm Sập.

Các tiểu lƣu vực của Nậm Sập. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.

Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo. Hàm lƣợng bùn cát trên lƣu vực Thác Mộc. Bản đồ vị trí lƣu vực Phiêng Hiềng. Bản đồ địa hình lƣu vực Phiêng Hiềng.

Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Phiêng Hiềng. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Phiêng Hiềng năm 2015. Bản đồ mạng lƣới sông ngòi lƣu vực Phiêng Hiềng. Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Phiêng Hiềng.

Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy lƣu vực Phiêng Hiềng. Các tiểu lƣu vực của Phiêng Hiềng. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo.

Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo. Đƣờng biểu diễn kết quả khi thay đổi thông số mô hình. Tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa.

Tƣơng quan giữa xói mòn rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa. 111 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FAO: Food and Ariculture Organization GIS: Geographic information system LFW: Lax Friedrich Weight MUSLE: Modified Universal Soil Loss Equation USLE: Universal Soil Loss Equation UNEP: United Nation Enviromemt Program ix MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Trong những năm gần đây, dƣới tác động của các nhân tố tự nhiên và hoạt động khai thác tài nguyên của con ngƣời, đất đai đang ngày càng bị thoái hóa nghiêm trọng và biến đổi một cách nhanh chóng. Sự tác động tiêu cực của tự nhiên, sự biến đổi của khí hậu toàn cầu gây nên tình trạng xói mòn, vận chuyển bùn cát, thoái hóa đất trên lƣu vực, đặc biệt là các vùng đất dốc.

Theo báo cáo của Bộ Khoa học và Công nghệ nƣớc ta có hơn 13 triệu ha đất bị suy thoái thành đất trống, đồi núi trọc, trong đó có 1,2 triệu ha đã bị xói mòn trơ sỏi đá. Việt Nam có điều kiện tự nhiên phong phú, thuận lợi cho việc phát triển sản xuất nông nghiệp đa dạng, cùng với đó các hoạt động canh tác trên nền đất dốc dẫn đến nguy cơ xói mòn và bạc màu đất rất cao, đặc biệt vào mùa mƣa. Hầu hết các sông suối đều ngắn, độ dốc lớn nên khả năng giữ nƣớc kém, tốc độ dòng chảy lớn, nên khi có mƣa lớn thƣờng gây ra các hiện tƣợng lũ quét, xói mòn và rửa trôi mạnh làm tăng nguy cơ mất đất toàn khu vực. Rõ ràng xói mòn và vận chuyển bùn cát đang là một vấn đề toàn cầu hiện nay và đang có xu hƣớng gia tăng.

Trong khi đó quỹ đất canh tác hết sức hữu hạn và dân số không ngừng phát triển. Theo các chuyên gia của FAO – UNEP hàng năm trên thế giới có khoảng từ 5 đến 7 triệu ha đất bị mất khả năng sản xuất do bị xói mòn đất.