Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông la

Đã có một số công trình nghiên cứu của, Viện Qui hoạch thủy lợi, Viện Khoa học KTTV BĐKH, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

PHẠM QUANG KHÁNH

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE

ĐỂ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC TỰ NHIÊN

CHO LƯU VỰC SÔNG LA

Chuyên ngành: Thủy văn học

LUẬN VĂN THẠC SĨ THỦY VĂN HỌC

HÀ NỘI - 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

PHẠM QUANG KHÁNH

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE

ĐỂ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC TỰ NHIÊN

CHO LƯU VỰC SÔNG LA

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 8440224

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS HOÀNG ANH HUY

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Anh Huy với đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La”

Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây, Do đó đây không phải là bản sao chép của bất kỳ luận văn nào Nội dung của luận văn được thể hiện theo đúng quy định Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi thu thập, trích dẫn và đánh giá Việc tham khảo các nguồn tài liệu tôi đã trích dẫn và ghi rất rõ nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày 07 tháng 05 năm 2019

Người viết cam đoan

Phạm Quang Khánh

LỜI CẢM ƠN

Trong cuộc sống không có thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của tổ chức, cá nhân, người thân, bạn bè đồng nghiệp Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập, nghiên cứu tại Trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên

và Môi trường Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập

Đặc biệt, trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô thì Luận văn của em rất khó có thể hoàn thiện được Để hoàn thành Luận văn này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Anh Huy – Hiệu trưởng Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm Luận văn tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót, em rất mong các Thầy, Cô rộng lòng cảm thông Đồng thời do năng lực nghiên cứu cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô để em hoàn thành tốt hơn Luận văn tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Phạm Quang Khánh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

THÔNG TIN LUẬN VĂN v

DANH SÁCH CÁC BẢNG vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI THIỆU LƯU VỰC SÔNG LA 3

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.1.1 Trên thế giới 3

1.1.2 Trong nước 7

1.2 Giới thiệu lưu vực sông La 8

1.2.1 Lưu vực sông Cả 8

1.2.2 Lưu vực sông La 10

1.3 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 11

1.3.1 Điều kiện địa lý tự nhiên 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE SHE VÀ YÊU CẦU SỐ LIỆU SỬ DỤNG 24

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE 24

2.1.2 Các quá trình cơ bản trong mô hình MIKE SHE 24

2.1.3 Cơ sở lý thuyết các quá trình mô phỏng 27

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC TỰ NHIÊN CHO LƯU VỰC SÔNG LA 41

3.1 Thiết lập chung 41

3.2 Thiết lập các dữ liệu đầu vào cho mô hình 42

3.3 Ứng dụng mô hình mike she mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên lưu

vực sông la 53

3.4 Đánh giá cân bằng nước cho lưu vực sông la 57

3.5 Đánh giá sai số của mô hình 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Phạm Quang Khánh

Lớp: CH1T ; Khoá: 1

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Anh Huy

Tên đề tài: Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La

Tóm tắt:

Để giải quyết bài toán cân bằng nước lưu vực hiện nay có một số mô hình

sử dụng phổ biến ở Việt Nam và thế giới như: mô hình IQQM, MIKE BASIN, WEAP, MIKE SHE… Trong đó, MIKE SHE là mô hình thuỷ văn phân bố do Viện Thủy lực Đan Mạch nghiên cứu xây dựng

Sông La là một nhánh lớn của sông Cả Lưu vự sông La đóng vai trò quan trọng đối với phát triển KTXH, an ninh - quốc phòng của tỉnh Hà Tĩnh Tuy nhiên, tài nguyên nước trên lưu vực phân bố không đều; mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất ; trong khi đó mùa cạn chỉ chiếm khoảng 25% tổng lượng nước cả năm, thường xảy

ra hạn hán, thiếu nước

Đã có một số công trình nghiên cứu của, Viện Qui hoạch thủy lợi, Viện Khoa học KTTV BĐKH, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về cân bằng nước tự nhiên, cân bằng nước hệ thống các lưu vực sông trên phạm vi cả nước

Tuy nhiên, với đề tài “Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La“, học viên muốn tìm hiểu và ứng dụng mô

hình MIKE SHE để tính toán cân bằng nước tự nhiên cho lưu vực sông La

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số chính cho mô hình MIKE SHE 38

Bảng 3.1 Phân loại đất trên lưu vực sông La theo thành phần cơ giới 47

Bảng 3.2 Lịch thời vụ trên lưu vực sông La 50

Bảng 3.3 Các chỉ số đánh giá kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình 56

Bảng 3.4 Các chỉ số đánh giá kết qu PGS.TS Hoàng Anh Huy ả mô phỏng theo mùa57 Bảng 3.5 Thống kê các yếu tố cân bằng nước trên toàn lưu vực sông La 65

Bảng 3.6 Thống kê các loại tổ hợp thổ nhưỡng – địa hình trên lưu vực sông La 71

Bảng 3.7 Sai số thành phần trên lưu vực (đơn vị: mm) 78

Bảng 3.8 So sánh sai số của số lần lặp giới hạn khác nhau tới kết quả mô hình 78

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống mạng lưới sông LVS Cả 9

Hình 1.2: Mạng lưới sông LVS La 11

Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông La 12

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán cân bằng nước bằng mô hình MIKE SHE 23

Hình 2.1 Sơ đồ ba chiều mô tả các quá trình thủy văn được mô phỏng bằng MIKE SHE 26

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán và các mô đun được sử dụng trong nghiên cứu 41

Hình 3.2 Sơ đồ phân phối mưa trên lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen 43

Hình 3.3 Địa hình và đường bao giới hạn lưu vực nghiên cứu 44

Hình 3.4 Sơ đồ mạng lưới sông được sử dụng trong mô hình 45

Hình 3.5 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông La 46

Hình 3.6 Sơ đồ phân loại đất theo thành phần cơ giới – USDA 48

Hình 3.7 Bản đồ phân loại đất theo USDA cho lưu vực sông La 49

Hình 3.8 Bản đồ phân vùng sử dụng đất theo khả năng trữ nước tỉnh Hà Tĩnh51 Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2009 trên lưu vực sông La 52

Hình 3.10 Sơ đồ phân bố hệ số nhám Manning’s M trên bề mặt lưu vực 52

Hình 3.11 Đường hiệu chỉnh quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm Sơn Diệm (01/01/2002 – 31/12/2004) 54

Hình 3.12 Đường hiệu chỉnh quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm trạm Hòa Duyệt (01/01/2002 – 31/12/2004) 54

Hình 3.13 Đường kiểm định quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm Sơn Diệm và trạm Hòa Duyệt (01/01/2007 – 31/12/2008) 55

Hình 3.14 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên LVS La 58 Hình 3.15 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên LVS La 59

Hình 3.16 Sơ đồ thể hiện tỷ lệ đóng góp trong cân bằng nước trên lưu vực sông La 59

Hình 3.17 Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực trên sông La 60

Hình 3.18 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 1 61

Hình 3.19 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 1 61

Hình 3.20 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 2 62

Hình 3.21 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 2 63

Hình 3.22 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 3 64

Hình 3.23 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 3 64

Hình 3.24 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Sơn Diệm 66

Hình 3.25 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Hòa Duyệt 66

Hình 3.26 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Hương Khê 66

Hình 3.27 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Linh Cảm 67

Hình 3.28 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa trong mùa khô tháng 06/2006 (a) và tháng 07/2007 (b) 68

Hình 3.29 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa thời điểm trước và sau lũ năm 2002 (a - 17/09/2002; b - 27/09/2002) 69

Hình 3.30 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa thời điểm trước và sau lũ năm 2007 (a - 02/08/2007; b - 12/08/2007) 70

Hình 3.31 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp C-I 72

Hình 3.32 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp C-II 72

Hình 3.33 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-I 73

Hình 3.34 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-II 73

Hình 3.35 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-III 74

Hình 3.36 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp L-I 74

Hình 3.37 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-I 75

Hình 3.38 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-II 75

Hình 3.39 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-III 76

Hình 3.40 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp L-I 76

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng lưu lượng thử nghiệm chưa qua hiệu chỉnh trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt (01/01/2000 – 31/12/2008) 79

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 AMC Độ ẩm kỳ trước của lưu vực

2 AROOT Độ sâu rễ

3 DEM - 30 Bản đồ độ cao số độ phân giải 30x30 m

4 E+max Sai số mô phỏng vượt lớn nhất

5 E-max Sai số mô phỏng hụt lớn nhất

6 ET Bốc thoát hơi nước

7 FAO

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc - Food and Agriculture Organization of the United Nations

8 GRDP Tăng trưởng tổng sản phẩm trên địa bàn

9 KTTV Khí tượng thủy văn

16 PCG Phương pháp liên hợp có điều kiện trước

17 RMSE Sai số quân phương

18 SCS Cơ quan Bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ - Soil

Conservation Service

19 TNMT Tài nguyên môi trường

20 USDA Cơ quan Nông nghiệp Hoa Kỳ - United States

Department of Agriculture

MỞ ĐẦU

Nước là tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, cần thiết cho mọi hoạt động sống Cùng với sự phát triển nhanh chóng về kinh tế - xã hội, nhu cầu dùng nước cũng ngày càng tăng trong khi nguồn nước đến có hạn, đòi hỏi chúng ta sử dụng nguồn nước hợp lý và có hiệu quả Trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cho lưu vực, vấn đề đánh giá, tính toán cân bằng nguồn nước là một trong những chủ đề được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam quan tâm

Trong những năm qua, các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội trên các lưu vực sông ở nước ta diễn ra ngày càng mạnh mẽ; khiến cho nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng Trong khi nguồn tài nguyên nước nói chung, nước mặt nói riêng ngày càng trở nên khan hiếm do tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và nguy cơ ô nhiễm, suy thoái nguồn nước Việc nghiên cứu tính toán cân bằng nước tự nhiên và cân bằng nước hệ thống các lưu vực giúp các nhà kỹ thuật, các nhà quản lý nắm được tiềm năng, diễn biến tài nguyên nước, từ đó xây dựng các qui hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Để giải quyết bài toán cân bằng nước lưu vực hiện nay có một số mô hình sử dụng phổ biến ở Việt Nam và thế giới như: mô hình IQQM, MIKE BASIN, WEAP, MIKE SHE… Trong đó, MIKE SHE là mô hình thuỷ văn phân bố do Viện Thủy lực Đan Mạch nghiên cứu xây dựng

Sông La là một nhánh lớn của sông Cả Lưu vự sông La đóng vai trò quan trọng đối với phát triển KTXH, an ninh - quốc phòng của tỉnh Hà Tĩnh Tuy nhiên, tài nguyên nước trên lưu vực phân bố không đều; mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất ; trong khi đó mùa cạn chỉ chiếm khoảng 25% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra hạn hán, thiếu nước

Đã có một số công trình nghiên cứu của, Viện Qui hoạch thủy lợi, Viện Khoa học KTTV BĐKH, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về cân bằng nước tự nhiên, cân bằng nước hệ thống các lưu vực sông trên phạm vi cả nước Tuy nhiên, với đề tài

“Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực

sông La“, học viên muốn tìm hiểu và ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán cân

bằng nước tự nhiên cho lưu vực sông La

Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn trên dòng chính của lưu vực Sông

La, cụ thể là toàn bộ lưu vực sông Ngàn Phố

Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận văn đã tiến hành thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

1) Tổng quan nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy mặt và điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển KTXH của vùng nghiên cứu

2) Thiết lập mô hình MIKE SHE cho dòng chính lưu vực sông La và khai thác khả năng áp dụng mô hình để mô phỏng dòng chảy lưu vực

3) Tính toán cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông La

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng chính mà luận văn sử dụng là: 1) Phương pháp thống kê để thu thập, tổng hợp, sử lý các số liệu tạo tệp đầu vào cho mô hình MIKE SHE

2) Phương pháp mô hình toán ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm từ mưa ; từ đó tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông La 3) Kỹ thuật GIS thể hiện các bản đồ phục vụ phân tích số liệu đầu vào và đầu ra

mô hình MIKE SHE

Bó cục luận văn gồm 3 chương cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu và giới thiệu lưu vực sông La: giới thiệu các nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy trong và ngoài nước; các phương pháp tính thấm

và giới thiệu về điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển KTXH của vùng nghiên cứu;

Chương 2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE và yêu cầu số liệu sử dụng: giới thiệu chung về mô hình MIKE SHE, các cơ sở lý thuyết toán học của mô hình và các yêu cầu đầu vào của mô hình

Chương 3 Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI THIỆU

LƯU VỰC SÔNG LA 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Khi đánh giá nguồn nước của một khu vực, vùng lãnh thổ hay một quốc gia, sông ngòi là đối tượng được chú ý nhiều nhất vì vị trí quan trọng của nó Một vùng đất không có hoặc có rất ít dòng chảy sông ngòi thường là vùng đất kém phát triển ở tất cả các phương diện Dòng chảy sông ngòi là yếu tố chính trong phương trình cân bằng nước của một lưu vực sông vì nó bao hàm các đặc điểm của lượng mưa rơi trên khu vực, khả năng tập trung, tích tụ và vận chuyển nước ở trên mặt, dưới lòng đất và trao đổi với biển Hệ thống sông phải bao gồm tất cả các sông, suối,

ao hồ, đầm lầy, đồng trũng và cửa ra của lưu vực Dòng chảy của sông càng phong phú về nguồn nước thì càng chứng tỏ sự phát triển về mặt tự nhiên và nhân tạo ở nơi chúng chảy qua

Hầu hết các con sông đều cong, uốn lượn, không cân đối về mặt cắt ngang ở hai bên bờ và thay đổi bề rộng sông dọc theo chiều dòng chảy Sự thay đổi hình thể sông rạch và dòng chảy thường xảy ra liên tục trong suốt quá trình lịch sử tiến triển của tự nhiên Tiến trình thay đổi này thường diễn ra từ từ, rất chậm so với với thời gian của đời người Tuy nhiên, khi con người áp đặt các công trình trên hệ thống sông thì sự thay đổi trực tiếp và gián tiếp dòng chảy và quá trình biến hình lòng dẫn,

do xói lở hay bồi lắng hoặc đổi dòng, sẽ xảy ra rất nhanh, có thể là tức thời hoặc chỉ trong một thời gian ngắn Trong khi đó, các thay đổi khác về chất lượng nước, đa dạng sinh học, hình dạng dòng sông cả về phía thượng lưu và hạ lưu có thể diễn ra trong một thời gian dài hơn

1.1.1 Trên thế giới

Từ những năm đầu của thập kỷ 60 thế kỷ 20 đã diễn ra sự phát triển sâu rộng việc mô hình hóa dòng chảy sông ngòi Vấn đề mô hình hóa dòng chảy được thảo luận trên nhiều hội nghị Quốc tế, lượng mô hình hoá dòng chảy đã tăng lên không ngừng Các mô hình toán thuỷ văn đã được nhanh chóng ứng dụng trong công tác quy hoạch và quản lý nguồn nước cũng như trong thiết kế công trình thuỷ lợi Các

mô hình toán thuỷ văn không những giúp ta phân tích sâu hơn bản chất hiện tượng

thuỷ văn mà còn làm tăng tính hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình quy hoạch, thiết

kế và quản lý hệ thống nguồn nước Trong những năm gần đây các mô hình toán thuỷ văn phát triển rất mạnh và đã được ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch và thiết kế các công trình thuỷ lợi

Mô phỏng hệ thống là phương thức mô tả một hệ thống bằng một hệ thống không thực do người nghiên cứu tạo ra Trên hệ thống nhân tạo, các quá trình vật lý của mô hình thực được mô tả gần đúng hoặc tương tự Các quy luật vật lý của hệ thống thực được suy ra từ những kết quả nghiên cứu trên hệ thống do người nghiên cứu tạo ra Có nhiều cách mô phỏng, bao gồm: mô hình vật lý, mô hình toán v v Chẳng hạn quá trình tập trung nước trên lưu vực có thể mô tả bằng mô hình tương tự điện Các quy luật chuyển động nước trong lòng dẫn có thể mô tả bằng các

mô hình vật lý được xây dựng trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn tương tự Khi nghiên cứu các hệ thống kỹ thuật và hệ nguồn nước người ta sử dụng mô phỏng toán học Mô phỏng toán học là sự biểu đạt các quy luật vật lý và quá trình hoạt động của hệ thống bằng các biểu thức toán học bao gồm các hàm số, các công thức toán học, các biểu thức logic, các bảng biểu và các biểu đồ

Mô hình thông số phân bố thuộc nhóm mô hình tất định Mô hình thông số phân phối lại được chia làm 3 loại: mô hình sóng động học, mô hình sóng động lực

và mô hình sóng khuếch tán

Khi sử dụng mô hình thông số phân bố thì dòng chảy được coi là hàm của cả không gian và thời gian trên toàn hệ thống, tức là người ta xem xét diễn biến của các quá trình dòng chảy tại các vị trí khác nhau trong không gian Trên cơ sở phân tích các hiện tượng vật lý tạo nên quá trình hình thành dòng chảy để xây dựng những quy luật tương ứng, được biểu diễn dưới dạng các phương trình, các biểu thức toán học dựa trên 3 quy luật chung nhất của vật lý là:

- Bảo toàn vật chất (phương trình liên tục hay phương trình cân bằng nước);

- Bảo toàn năng lượng (phương trình cân bằng động lực hay phương trình chuyển động thể hiện nguyên lý Dalambera);

- Bảo toàn động lượng (phương trình động lượng)

Trong trường hợp tổng quát, những công thức được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng thì đặc trưng địa hình - thủy địa mạo lòng sông đóng vai trò các thông số phương trình (các hằng số, hoặc trong trường hợp chung sẽ biến đổi theo thời gian), quá trình dòng chảy tại các nút vào hoặc nút ra của hệ thống sông là điều kiện biên, còn trạng thái dòng chảy ban đầu gọi là những điều kiện ban đầu Hệ phương trình Saint -Venant được giải bằng phương pháp số là một điển hình

về cách tiếp cận này Bởi vậy, mô hình thông số phân bố còn được gọi là mô hình vật

lý - toán hoặc còn gọi là mô hình thủy lực

Các mô hình thông số phân bố có thể được dùng để diễn toán dòng chảy trong hệ thống lòng dẫn, diễn toán dòng chảy chậm như nước tưới được cấp qua một

hệ thống kênh hay hệ thống sông Quá trình dòng chảy trong cả hai ứng dụng trên biến đổi trong một không gian 3 chiều Chẳng hạn vận tốc trong một con sông thay đổi theo chiều dọc, theo chiều ngang của sông và cũng thay đổi theo chiều sâu từ mặt thoáng tới đáy sông Tuy nhiên đối với nhiều mục đích tính toán thực tế, sự thay đổi theo không gian của vận tốc theo chiều ngang của lòng dẫn và theo chiều sâu có thể được bỏ qua để cho quá trình dòng chảy được xấp xỉ coi như biến đổi theo không gian một chiều, dọc theo dòng chảy trong kênh sông hay theo chiều dòng chảy Hệ phương trình Saint -Venant mô tả dòng không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở

có thể được áp dụng cho trường hợp này Bằng việc sử dụng phương trình liên tục dạng đầy đủ và loại trừ một số thành phần trong phương trình động lực ta sẽ có các dạng mô hình thông số phân bố khác nhau Các mô hình sóng động học, sóng khuếch tán, sóng động lực là những ví dụ điển hình về mô hình diễn toán dòng không ổn định phân bố, một chiều này

Trên thế giới, công trình đầu tiên nghiên cứu về đặc trưng thấm của đất là của nhà bác học Darcy vào năm 1856, ông đã đưa ra Định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất Sau này có rất nhiều mô hình thấm nước của đất đã được phát triển dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm Đáng chú ý là mô hình thấm của Green – Ampt (1911), Horton (1933), Philip (1957), Smith (1972) và Smith and Parlange (1978) Mô hình Green - Ampt được xây dựng dựa trên cơ sở của định luật Darcy Horton (1933) (Surendra Kumar Mishra and Vijay P.Singh, 2003)

lại dựa vào tốc độ thấm khởi đầu, ổn định xây dựng mô hình thấm Philip (1957) lại

sử dụng tỉ lệ hút nước và tốc độ thấm nước ổn định rồi thiết lập mô hình thấm nước Smith (1972) thì xây dựng công thức tính tốc độ thấm và được cải tiến cùng với Parlange (1978) Ngoài ra còn các mô hình thấm nước được các tác giả và tổ chức khác xây dựng như Zhao (1981), HEC (1981), Simgh and Yu (1990), Mishra and Singh (2002)

Những mô hình thấm và khả năng trữ nước đã đạt được những thành công khá lớn và đã đặt tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau như khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, rừng, Trong đó những công trình nghiên cứu về độ

ẩm đất phục vụ khí tượng thủy văn đã có từ rất sớm như nghiên cứu của T.C.Yeh, R.T.Wetherald and S.Manabe (1983) về tác động của độ ẩm đất đến biến đổi khí tượng thủy văn khu vực Tác giả đã miêu tả hàng loạt các mô phỏng kinh nghiệm cho

3 khu vực vĩ độ khác nhau 30oN-60oN, 0-30oN, và 15oS-15oN để cho thấy sự biến đổi của chu trình thủy văn trong nhưng khu vực này Năm 1988, Thomas L, Delwworth and Syukuro Manabe lại có nghiên cứu về ảnh hưởng của bốc hơi tiềm năng đến biến đổi khí tượng và độ ẩm đất

Năm 1994 Alan Robock, Vinnikov và Adam Schlosser sử dụng độ ẩm đất trung độ và dữ liệu khí tượng quan trăc để mô phỏng độ ẩm đất với mô hình Biosphere và Bucket Sau đó G.Srinivasan, Alan Robock và nnk (2000) đã mô phỏng

độ ẩm đất dựa trên mô hình so sánh khí quyển (AMIP) Tác giả đã mô phỏng và so sánh độ ẩm đất tính toán với độ ẩm đất thực tế của các khu vực trên thế giới Năm

2001, Zaitao Pan, Raymond Wrritt và nnk đã mô phỏng và dự báo độ đẩm đất dựa trên mô hình khí hậu khu vực

Năm 2002 V.A Bell, E.M Blyth and R.J Moore đã sử dụng độ ẩm đất để dự báo thủy văn Trong nghiên cứu dữ liệu độ ẩm đất được xác định từ mô hình khí tượng và sau đó được đưa vào mô hình thủy văn để hiệu chỉnh kiểm định cho khu vực lưu vực sông Thames Kết quả độ ẩm đất phù hợp với mô hình tạo kết quả tính toán tương đối chính xác cho mô hình thủy văn Trên cơ sở nghiên cứu đó cho thấy dóng chảy bề mặt khá nhạy cảm với các tính chất của đất thương lưu hay là độ ẩm đất, cũng như các thông số trong mô hình mưa rào dòng chảy

Nhiều công trình nghiên cứu khác về mô phỏng độ ẩm đất như Masimiliano Zappa và Joachim Gurtz (2003) đã mô phỏng độ ẩm đất và bốc thoát hơi trong năm

1999 cho Riviera Campaign Haibin Li, Alan Robock, Suxia Liu, Xingguo Mo và Pedro Viterbo (2004) đã ước tính mô phỏng lại độ ẩm đất để cập nhật lại dữ liệu quan trắc độ ẩm đất cho Trung Quốc Sau đó Cheng Hsuan Lu và nhóm nghiên cứu (2005) cũng được tính độ đẩm đất trong phân tích toàn cầu NCEP-NCAR và NCEP-DOE Lei Meng và Steven M.Quiring (2008) đã so sánh giữa mô hình độ ẩm đất sử dụng mạng quan trắc phân tích khí hậu Gần đây nhất là các công trình nghiên cứu của V.Sipek và M.Tesar (2013) mô phỏng độ ẩm đất dựa trên tiếp cận hai mô hình khác nhau Youlong Xia, Justin Sheffield và nnk (2014) đã nghiên cứu ước tính mô phỏng

độ ẩm đất trong NLDAS -2

1.1.2 Trong nước

Thông thường khi nghiên cứu, đánh giá nguồn nước của một lưu vực sông bất

kì, các nhà thủy văn học đã chỉ ra rằng mưa và mặt đệm là 2 nhân tố chủ đạo, có tác động trực tiếp đến nguồn nước Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây đối với lưu vực sông Lam thì nhân tố mặt đệm được xem xét ở góc độ tổng hợp, đưa tất cả các yếu tố của mặt đệm như đặc trưng lưu vực sông, điều kiện thảm phủ thực vật, sự phát triển của kinh tế - xã hội gộp chung vào 1 hệ số gọi là thông số tập chung Điều này đã phần nào hạn chế trong việc xem xét chi tiết đến quá trình hình thành, phát triển và suy giảm dòng chảy Và cũng chính vì vậy phần nào chưa đánh giá được chính xác nguồn nước trên lưu vực Những nghiên cứu trong nước có thể kể đến như:

Áp dụng công nghệ tin học xây dựng ngân hàng dữ liệu các đặc trưng hình thái lưu vực sông do Hoàng Minh Tuyển làm chủ nhiệm đã sử dụng thành công công nghệ tin học đối với bài toán xây dựng dữ liệu về các đặc trưng lưu vực sông Tuy nhiên, trong đề tài này các đặc trưng lưu vực vẫn mang tính thời điểm, chưa đánh giá được sự thay đổi cũng như tác động của chúng đến phát triển nguồn nước;

Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả năm 2007 đã xây dựng được bộ mô hình tính toán phục vụ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả; đưa ra khung hỗ trợ ra quyết định cho lưu vực sông Cả; bộ phần mềm bao gồm ngân hàng dữ liệu liên kết với các mô hình toán,

mô đun phân tích trình diễn trên cơ sở GIS phục vụ cho việc quản lý tài nguyên nước sông Cả, tập trung vào nguồn nước mặt về số lượng; các bản đồ cần thiết phục vụ cho quản lý tài nguyên nước số hoá, được lưu trữ trong GIS Các kết quả đạt được của đề tài có được sự hỗ trợ của công nghệ GIS trong vấn đề lưu trữ và sử dụng Tuy nhiên, tài nguyên nước được quản lý chủ yếu là về lượng dòng chảy mặt với những số liệu

đo đạc thực tế, trong khi vấn đề cảnh báo xu thế thay đổi của dòng chảy mặt làm căn

cứ đưa ra các giải pháp phát triển bền vững thì chưa thực hiện được, và cũng như các nghiên cứu trước đây, vấn đề tác động của đặc trưng lưu vực sông đến nguồn nước cũng không được đề cập đến

Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam do Trần Duy Kiều làm chủ nhiệm đã hoàn thiện việc phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt, kết quả này cũng đã phần nào hỗ trợ đắc lực cho công tác dự báo và cảnh báo lũ.Tuy nhiên, trong đề tài này vẫn chưa xem xét được sự thay đổi của một số hình thái lưu vực đối với quá trình biến đổi của dòng chảy

Nghiên cứu xây dựng thang mức độ rủi ro do thiên tai lũ, ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả do Trần Duy Kiều làm chủ nhiệm đã xây dựng được thang mức độ rủi

ro thiên tai do lũ, đã xây dựng bản đồ cảnh báo mức độ rủi ro thiên tai cho hạ lưu sông Cả theo một số trận lũ lớn điển hình Tuy nhiên, sản phẩm đạt được của đề tài được xây dựng dựa trên bản đồ nền hiện trạng của một năm đại biểu, cũng chưa xem xét đến sự thay đổi của đặc trưng lưu vực theo thời gian và không gian

1.2 Giới thiệu lưu vực sông La

1.2.1 Lưu vực sông Cả

Dòng chính sông Cả bắt nguồn từ vùng núi Mường Khút, Mường Lập, cao (1.8002.000) m trên lãnh thổ nước Lào Ở đây, sông Cả do 2 sông Nậm Nơn và Nậm Mộ hợp thành Sau đó, sông Cả chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam chảy vào lãnh thổ Việt Nam tại Keng Du thuộc huyện Kỳ Sơn tỉnh Nghệ An, rồi chảy qua các huyện Tương Dương, Con Cuông, Anh Sơn, Thanh Chương, Nam Đàn, Hưng Nguyên, thành phố Vinh rồi đổ ra vịnh Bắc Bộ tại Cửa Hội Dòng chính sông Cả dài

531 km, trong đó có 361 km trong lãnh thổ nước ta

Lưu vực sông Cả có dạng thon dài với độ rộng trung bình khoảng 89 km, độ cao trung bình 294 m, độ dốc trung bình 18,3% và mật độ lưới sông 0,60 km/km2

Diện tích lưu vực 27.200 km2, trong đó 9.470 km2 ở Lào Sông Cả có những nhánh sông chính như: Nậm Mô (F=3.930 km2), Huổi Nguyên (F=800 km2), Khe Choang (F=431 km2, sông Giăng (F=1.050 km2

), Rào Cái (F=500 km2) Lưới sông phát triển tương đối đều Lưu vực sông Cả thuộc lãnh thổ nước ta, tính đến nay đã xây dựng

660 hồ chứa loại vừa và nhỏ, 341 đập dâng, 556 trạm bơm, 2 hệ thống thuỷ nông lớn

Nậm Mộ là một nhánh lớn của sông Cả, có diện tích lưu vực là 3930 km2chiếm 14,5% diện tích lưu vực sông Cả Sông Nậm Mộ dài 160 km, độ dốc trung bình lòng sông từ 0,33-0,35% Sông Nậm Mộ nhập vào sông Cả tại Cửa Rào, Tương Dương

Nậm Nơn là nhánh của sông Cả chảy dọc theo biên giới theo hướng Tây Đông Đoạn từ biên giới Việt Lào đến Cửa Bào, sông khá thẳng, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam là chủ yếu, độ dốc đáy sông khoảng 3‰ Lòng sông có nhiều thác ghềnh Tới gần Cửa Bào, thung lũng sông mở rộng, nhiều bồn địa

Hình 1.1: Hệ thống mạng lưới sông LVS Cả

Trung lưu sông Cả kể từ trên Con Cuông đến dưới Anh Sơn, thung lũng sông

mở rộng rõ rệt, độ dốc đáy khoảng 0,6‰ - 0,7‰ Phía dưới Con Cuông có sông Hiếu

là phụ lưu lớn nhất ở bờ trái đã bổ sung cho sông Cả Hạ lưu sông Cả có thể kể từ Đô Lương Tại đây sông Cả chảy trong vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ xen kẽ và cuối cùng là đồng bằng tam giác châu sông Cả

1.2.2 Lưu vực sông La

Sông La là sông lớn nhất của Hà Tĩnh và là hợp lưu của sông Ngàn Phố

và Ngàn Sâu (Hình ) Diện tích lưu vực sông La là 3.210 km2

,;chiều dài sông

135 km (tính từ đầu nguồn sông Ngàn sâu), chiều dài lưu vực 69 km, chiều rộng bình quân lưu vực 46,6 km, độ cao bình quân 362 m, độ dốc bình quân 2,82%, hệ số hình dáng lưu vực 0,68

Sông Ngàn Phố: bắt nguồn từ dãy núi Bù Nu có độ cao đỉnh núi là 1.136 m

thuộc dãy Trường Sơn Sông có diện tích lưu vực là 1.060 km2, chiều dài sông là 70

km, độ cao trung bình 331 m, độ dốc trung bình 25,2% Mật độ sông suối 0,91 km/km² Tổng lượng nước 1,40 km³ tương ứng với lưu lượng trung bình 45,6 m³/s Sông Ngàn Phố chảy gần như theo hướng Tây-Đông tới ngã ba Tam Soa, giáp ranh các xã Sơn Tân, Sơn Long (huyện Hương Sơn) với các xã Trường Sơn, Tùng Ảnh (huyện Đức Thọ) Tại đây, hợp lưu với sông Ngàn Sâu từ các huyện Hương Khê, Vụ Quang chảy từ phía Nam lên để tạo thành sông La, một phụ lưu của sông Lam

Sông Ngàn Sâu: có diện tích tính tới chỗ hợp lưu là 2.060 km2, dài 100

km bắt nguồn từ dãy núi Giăng Màn trên đỉnh Trường Sơn có độ cao 1.047 m chảy theo hướng Nam Bắc và tới Linh Cảm gặp sông Ngàn Phố tạo nên dòng chính sông La đổ vào sông Cả tại Chợ Tràng Sông chảy qua vùng có lượng mưa năm lớn từ 2.200 - 2.400 mm, mô số dòng chảy năm đạt 64,1 l/s.km2

1.3 Đặc điểm khu vực nghiên cứu

1.3.1 Điều kiện địa lý tự nhiên

a Vị trí địa lý

Hệ thống sông La là nhánh sông chính nằm ở phía hữu hạ du sông Cả do 2 nhánh sông chính là Ngàn Phố và Ngàn Sâu nhập lưu tại ngã ba Linh Cảm, từ Linh Cảm đến Chợ Tràng được gọi là sông La (Hình 1.3)

Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông La

Trong lưu vực có các huyện Hương Sơn, Hương Khê, Vũ Quang, Đức Thọ, Nghi Xuân, Thị xã Hồng Lĩnh, bắc Thạch Hà, bắc Lộc Hà

b Đặc điểm địa hình, địa mạo

LVS La gần như nằm hoàn toàn trong phạm vi của tỉnh Hà Tĩnh nên mang đực trưng về địa hình và địa mạo của tỉnh Hà Tĩnh Nằm ở phía Đông dãy Trường Sơn, khu vực có địa hình hẹp và dốc, nghiêng dần từ Tây sang Đông Địa hình bị chia cắt bởi nhiều sông suối, có 137 km bờ biển, nhiều sông, cửa lạch và các bãi biển đẹp Địa hình đồi núi chiếm 80% diện tích tự nhiên, đồng bằng có diện tích nhỏ, bị chia cắt bởi các dãy núi, sông suối, có 4 dạng địa hình sau:

- Vùng núi cao: Địa hình vùng núi cao thuộc phía Đông của dãy Trường Sơn bao gồm các xã phía Tây của các huyện Hương Sơn, Hương Khê, Kỳ Anh Địa hình dốc bị chia cắt mạnh, hình thành các thung lũng nhỏ hẹp chạy dọc theo các triền sông lớn của hệ thống sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu, Rào Trổ

- Vùng trung du và bán sơn địa: Đây là vùng chuyển tiếp từ vùng núi cao xuống vùng đồng bằng Vùng này chạy dọc phía Tây Nam đường Hồ Chí Minh bao gồm các xã vùng thấp của huyện Hương Sơn, các xã thượng Đức Thọ, thượng Can

Lộc ven Trà Sơn, của các huyện Thạch Hà, Cẩm Xuyên, Kỳ Anh Địa hình có dạng xen lẫn giữa các đồi trung bình và thấp với đất ruộng

- Vùng đồng bằng: Là vùng chạy dọc giữa đường Hồ Chí Minh và Quốc lộ 1A theo chân núi Trà Sơn và vùng ven biển bao gồm các xã vùng giữa của huyện Đức Thọ, Can Lộc, thị xã Hồng Lĩnh, Thạch Hà, thành phố Hà Tĩnh, Cẩm Xuyên và Kỳ Anh

- Vùng ven biển nằm ở phía đông đường quốc lộ 1A chạy dọc theo bờ biển gồm các xã của huyện Nghi Xuân, Can Lộc, Thạch Hà, Cẩm Xuyên, Kỳ Anh Địa hình được tạo bởi những đụn cát, các vùng trũng được lấp đầy trầm tích đầm phá hay phù sa được hình thành do các dãy đụn cát chạy dài ngăn cách bãi biển Ngoài ra trong vùng còn xuất hiện các dãy đồi núi sót chạy dọc ven biển do kiến tạo của dãy Trường Sơn Bắc

c Đặc điểm thổ nhưỡng

Theo số liệu kiểm kê đất đai và hiện trạng sử dụng đất năm 2015, tổng diện tích tự nhiên của tỉnh Hà Tĩnh là 599.717,66 ha, chiếm 1,8% tổng diện tích cả nước, trong đó đất nông nghiệp 477.000,55 ha, đất phi nông nghiệp 84.051,93 ha, đất chưa

sử dụng 38.665,18 ha Do đặc điểm cấu trúc địa chất, địa hình và khí hậu, tài nguyên đất tỉnh Hà Tĩnh có 9 nhóm đất với đặc điểm phát sinh và sử dụng khá đa dạng Trong đó, nhóm đất đỏ vàng là nhóm phổ biến và chiếm ưu thế nhất với tỷ lệ 51,6%

so với tổng diện tích đất tự nhiên toàn tỉnh

* Nhóm đất cát

Nhóm đất cát có diện tích chiếm khoảng 6,3% diện tích toàn tỉnh, trong đó chủ yếu là đất cát biển, còn lại là đất cồn cát Loại đất này thường được sử dụng để trồng đậu, lạc, khoai, rừng phòng hộ…

* Nhóm đất mặn

Nhóm đất này chiếm khoảng 0,7 % diện tích toàn tỉnh, phân bố rải rác ven theo các cửa sông của các huyện Nghi Xuân, Lộc Hà, Thạch Hà, Cẩm Xuyên, Kỳ Anh Đất bị nhiễm mặn do ảnh hưởng của nước biển xâm nhập và tích luỹ trong đất,

do mặn tràn, hoặc ngầm theo mạch ngang trong đất

* Nhóm đất phèn mặn

Ở Hà Tĩnh đất phèn không điển hình, chỉ xuất hiện đất phèn ít và trung bình, nhưng thường đi đôi với đất mặn ít, hình thành nên đất phèn trung bình mặn ít Đất phèn mặn chiếm 2,9% diện tích toàn tỉnh, phân bố tập trung ở các dải đất phù sa gần các cửa sông ven biển có địa hình tương đối thấp Hiện tại một số vùng được cải tạo

để trồng lúa, một số vùng chuyển sang nuôi trồng thuỷ sản

* Nhóm đất phù sa:

Nhóm đất phù sa có diện tích vào khoảng 17,7%, có đặc điểm chính là bề mặt khá bằng phẳng, phân bố tập trung ở địa hình vùng đồng bằng ven biển, là sản phẩm phù sa của các sông suối chính như sông La, sông Lam, sông Nghèn, sông Hội, sông Rào Cái, sông Rác Ngoài ra, có một diện tích nhỏ đất phù sa cổ tập trung ở vùng thượng nguồn các sông như Hương Sơn, Đức Thọ và các dải phù sa hẹp của các con sông suối nhỏ ở rãi rác các huyện trong tỉnh, phần lớn có thành phần cơ giới nhẹ, độ phì thấp, lẫn nhiều sỏi sạn

* Nhóm đất bạc màu:

Nhóm này vào khoảng 0,7% diện tích đất toàn tỉnh, phân bố rải rác ở địa hình ven chân đồi, có địa hình lượn sống nhẹ, thoát nước nhanh ở các huyện Kỳ Anh, Nghi Xuân và thị xã Hồng Lĩnh, thích hợp với cây trồng cạn và các loại cây ăn quả

+ Đất đỏ vàng trên đá mácma axít: phân bố rãi rác ở các huyện Kỳ Anh, Hương Sơn, Hương Khê Loại đất này thích hợp với loại cây dài ngày như: cao su, chè, cây ăn quả và một số cây công nghiệp ngắn ngày khác

+ Đất vàng nhạt trên đá cát: phân bố tập trung ở vùng đồi núi các huyện Kỳ Anh, Hương Khê, Cẩm Xuyên Nhóm đất này thích hợp với các loại cây trồng cạn và cây dài ngày

+ Đất nâu vàng trên phù sa cổ: phân bố ở 2 huyện Kỳ Anh và Hương Khê trên nền địa hình lượn sóng Loại đất này thích hợp các loại cây trồng cạn như rau, màu, cây công nghiệp ngắn ngày và các loại cây lâu năm như chè, cao su, cây ăn quả

+ Đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa: phân bố tập trung ở huyện Hương Khê, trên địa hình chân đồi có dốc dưới 10°, được cải tạo để trồng lúa nước

* Nhóm đất mùn vàng đỏ trên núi, bao gồm 2 nhóm nhỏ:

+ Đất mùn đỏ vàng trên đá sét: phân bố trên địa hình đồi núi của các huyện Hương Khê, Hương Sơn, Vũ Quang, Kỳ Anh, thích hợp cho trồng cây lâm nghiệp

+ Đất đỏ vàng trên granit: phát triển trên đá granit ở độ cao trên 900 m, thích hợp cho trồng cây lâm nghiệp

* Nhóm đất dốc tụ:

Nhóm này vào khoảng 2% diện tích toàn tỉnh, phân bố tập trung ở các huyện Nghi Xuân, Cẩm Xuyên, Hương Khê và Thị xã Hồng Lĩnh, ở địa hình thung lũng xen giữa các dãy núi, thích hợp trồng 1 vụ lúa và có thể trồng màu

* Nhóm đất xói mòn trơ sỏi đá:

Chiếm 6,2% diện tích tự nhiên toàn tỉnh, phân bố rải rác ở các huyện Hương Khê, Hương Sơn, Can Lộc, Kỳ Anh Trên địa hình đồi núi, đất có tầng mỏng, dưới 10cm Loại đất này chỉ dành để phát triển lâm nghiệp, trồng cây che phủ đất, cải tạo môi sinh

gỗ có giá trị khác Tổng trữ lượng gỗ khoảng 26.040.000 m3, gồm 2.546.580 m3 gỗ rừng trồng và 23.494.420 m3 gỗ rừng tự nhiên và 32.443.000 cây nứa Rừng tự nhiên chủ yếu rừng trung bình và rừng nghèo, trữ lượng gỗ không lớn, rừng giàu chỉ chiếm 10%, rừng trung bình 40%, còn lại 50% là rừng nghèo kiệt được phân bố ở vùng núi

cao, xa các trục đường giao thông Kiểu rừng tự nhiên thường gặp là rừng nhiệt đới, rừng lá kim á nhiệt đới Sự phong phú của các loài sinh vật cả về số lượng, thành phần loài với nhiều nguồn gen quý, hiếm

Hệ thực vật rừng khá đa dạng, có trên 86 họ và 500 loài cây gỗ Trong đó, có nhiều loài gỗ quý như: Pơmu F.hodginsii, Thông nàng P.imbricatus, đinh M.stipulata, Chò chỉ P.stellata, Táu mật V.odorata, Mun D.mun, Xoay D.cochinchinensis, Lim xanh E.fordii, Gụ S.maritima, Sến mật M.pasquieri, Huỷnh T.javanica, Huê mộc P.macrocarpus, Lát hoa C.tabularis… Tập trung chủ yếu ở Vườn Quốc gia Vũ Quang có khoảng 3000 loại hệ thực vật; KBTTN Kẻ Gỗ có hơn 414 loài thực vật

Hệ động vật có vị trí đặc biệt trong khu hệ động vật Bắc Trung Bộ: có Gà lôi lam đuôi trắng, Voọc Hà Tĩnh, Hà Tĩnh là nơi đầu tiên phát hiện ra Sao La Ngoài ra,

ở đây còn có nhiều loài thú quý hiếm như hổ, báo, hươu đen, dê sừng thẳng, trĩ, gà lôi

và các loài bò sát khác…

Tại Vườn quốc gia Vũ Quang và KBTTN Kẻ Gỗ có 874 loài thực vật bậc cao,

110 loài thú quý hiếm, 407 loài chim, 68 loài bò sát và 62 loài cá Trong đó có những loài động vật quý hiếm như: Chà vá chân nâu, Voọc gáy trắng, Vượn má vàng, Sao

la, Mang lớn, được ghi vào “Sách đỏ” Việt Nam và thế giới

Khu vực nghiên cứu có địa hình dốc, sông ngắn tạo nên khả năng bồi lắng kém, sông ít uốn khúc do đó không tạo được các đầm phá, hồ móng ngựa để phát triển rừng ngập mặn Tuy nhiên vẫn có những nơi tích tụ tạo nên các hệ sinh thái cửa sông với hệ thực vật đặc trưng như các loài mắm, sú, đước, vẹt và nguồn lợi động vật như loài giáp xác (tôm, cua …), thân mềm như: trai ốc, sò, ngao, vẹm …, nhiều loài

cá đặc trưng cho vùng Bắc Trung Bộ Với diện tích rừng ngập mặn khoảng 806 ha, chủ yếu là rừng phòng hộ phân bố dọc theo các xã ven biển Biển Hà Tĩnh có khoảng

267 loài hải sản, trong đó có hơn 60 loài cá, 20 loài tôm với trữ lượng 84.000 tấn, khả năng có thể khai thác 40.000 tấn

Các giống cây trồng quý hiếm ở địa phương có pơ mu, gụ mật, sến mật, gió trầm, lim xanh, re hương, dỗi, còng, cam bù, bưởi, hồng Giống vật nuôi có sao la, mang lớn, voi, bò tót, trĩ sao, khiếu mõ dài, gà lôi lam, hổ, báo, hươu… Thuỷ sản có các đối tượng nuôi như tôm hùm, ốc hương, cá chình, cá mát, baba, cá mú, cá song…

* Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình ở Hà Tĩnh thường cao hơn so với trung bình

cả nước, được chia thành hai mùa rõ rệt Nhiệt độ trung bình năm ở vùng đồng bằng

và núi thấp của Hà Tĩnh khoảng 24,6 - 25,3°C và 14 - 15°C trên các đỉnh núi cao như ngọn Rào Cỏ Mùa nắng kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, khí hậu khô nóng nhất là từ tháng 5 đến tháng 8 Nhiệt độ trung bình tháng từ 24,7°C đến 30,1°C Nhiệt độ cao nhất lên tới 42,6°C Mùa mưa kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, nhiệt độ trung bình tháng vào khoảng 17,9°C - 22°C với nhiều ngày ở một số khu vực có nhiệt

độ dưới 7°C (tháng 11, tháng 12) Nhiệt độ tối thấp đo được vào khoảng 2°C

* Bức xạ: Ở Hà Tĩnh, dù vùng cao hay vùng thấp đều có độ cao mặt trời lớn, thời gian chiếu sáng đồng đều, lượng bức xạ tổng cộng có thể lên tới 230-240 kcal/cm2/năm, có tháng lên đến 23-25 kcal/cm2/tháng Do ảnh hưởng của lượng mây, bức xạ tổng cộng thực tế vào khoảng 140-160 kcal/cm2/năm, cán cân bức xạ vào khoảng 80-90 kcal/cm2/năm Hàng năm trung bình có 1.350 - 1.700 giờ nắng Thời gian mùa hè kéo dài từ tháng IV đến tháng IX (hoặc tháng X) mỗi tháng có trên

200 giờ nắng Đây cũng là thời kì chịu ảnh hưởng của gió Tây khô nóng

* Lượng mưa: Hà Tĩnh có lượng mưa khá lớn, trung bình trên 2.000 mm/năm,

cá biệt có nơi lên đến 3.500 mm/năm như: vùng thượng nguồn sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu, Rào Trổ, khu vực Hoành Sơn, Kỳ Lạc - Kỳ Anh Lượng mưa phân bố không đồng đều trong năm: mùa Đông - Xuân chiếm 25% lượng mưa năm, chủ yếu là mưa phùn kết hợp với gió mùa Đông Bắc; mưa lớn tập trung vào mùa Hạ và Thu, chiếm 85% lượng mưa năm, đặc biệt cuối thu mưa rất to Mùa mưa thường kéo dài từ tháng

IV (hoặc tháng V) đến tháng XI (hoặc tháng XII) Mùa mưa thường bắt đầu sớm, nhưng nhiều nơi bị gián đoạn vào tháng VI (hoặc tháng VII) do hoạt động của gió Tây khô nóng

* Độ ẩm : Nhìn chung độ ẩm không khí tương đối cao (trung bình khoảng từ

84  87%) Độ ẩm trung bình cao nhất khoảng 92  96%, vào các tháng 1, 2, 3, độ

ẩm trung bình thấp nhất khoảng 55  70% vào các tháng 6, 7, 8

* Lượng bốc hơi: Bốc hơi Piche trung bình năm đạt 800 mm Lượng bốc hơi lớn thường xảy ra vào tháng 7 với mức trung bình tháng đạt 180 200 mm Tháng 2

có lượng bốc hơi nhỏ nhất: 27 34 mm

* Chế độ gió: Theo số liệu khí hậu tại trạm Kỳ Anh, tốc độ gió trung bình năm

là 2,3 m/s Tốc độ gió mạnh nhất ghi nhận được là 54 m/s Về mùa hè gió tây nam chiếm ưu thế với tần suất xấp xỉ 35-40%, sau đó là gió Đông Nam và gió Nam Gió Đông Bắc cũng xuất hiện vào mùa hè với tần suất nhỏ không đáng kể chỉ khoảng 5-6% Về mùa thu, gió có hướng Đông Bắc và Bắc chiếm ưu thế Vào thời kỳ chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè hướng gió phân tán và hầu như không có hướng gió thịnh hành Trong khi vẫn tồn tại gió hướng Bắc, Đông Bắc với tần suất khoảng 40% thì gió Nam và Đông Nam cũng xuất hiện vào mùa này với tổng tần suất xấp xỉ bằng

2 hướng gió trên

Tài nguyên nước mặt: Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng có nguồn nước mặt lớn Lượng mưa hàng năm khá cao, cùng với nguồn nước từ trên 30 con sông lớn, nhỏ trong tỉnh (tổng chiều dài trên 400 km, quanh năm có nước) đã tạo cho nguồn tài nguyên nước khoảng 11 - 13 tỷ m3/năm Trung bình cứ một ha đất tự nhiên

có 13.840 m3 nước Tuy nhiên, nước mặt có trữ lượng lớn nhưng phân bố không đều giữa các tháng trong năm, gây một số khó khăn cho sản xuất Đặc điểm của khu vực

là thừa nước về mùa mưa và thiếu nước trong những tháng gió Tây - Nam hoạt động mạnh Gió mùa Tây Nam hoạt động từ tháng 4 đến tháng 8, mạnh nhất vào tháng 6

và đầu tháng 7, gây thiếu nước nghiêm trọng cho một số vùng của các huyện

Trên địa bàn toàn nghiên cứu hiện có 339 hồ chứa lớn nhỏ (thống kê năm 2010) có tổng dung tích chứa gần 771 triệu m3 nước, 48 đập dâng lớn nhỏ có lưu

lượng cơ bản trên 30,13 m3/s, có một số hồ lớn như: hồ Kẻ Gỗ, hồ sông Rác nhưng khả năng giữ nước của sông hồ bị hạn chế Một số hồ sẽ đưa vào hoạt động như Xuân Hoa dung tích 15,8 triệu m3, hồ chứa nước thượng nguồn sông Trí dung tích 24,5 triệu m3, công trình thủy lợi đa chức năng Ngàn Trươi - Cẩm Trang dung tích gần 800 triệu m3 cùng với nguồn nước của trên 20 con sông lớn nhỏ (tổng chiều dài

400 km, lưu vực 5.436 km2) tạo cho nguồn nước khoảng 11÷13 tỷ m3/năm Có thể thấy, việc nguồn nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt hiện tại còn hạn chế do bị nhiễm mặn ở hạ lưu vào mùa khô và lũ lụt mùa mưa

Tài nguyên nước dưới đất: Khu vực có 9 vùng có triển vọng cung cấp nước dưới đất với tổng trữ lượng tĩnh khoảng 85 triệu m3

, bao gồm: Vùng Nghi Xuân diện tích khoảng 50 km2; Vùng Nam núi Ông với diện tích khoảng 7 km2; Vùng Thạch

Hà, Cẩm Xuyên với diện tích khoảng 76 km2; Vùng thung lũng Sông Rác với diện tích gần 90 km2; Vùng thung lũng Sông Con và Sông Ngàn Phố với diện tích khoảng

80 km2; Vùng thung lũng sông Ngàn Trươi diện tích khoảng 90 km2; Vùng thung lũng Rào Nộ diện tích khoảng 65 km2; Vùng thung lũng Ngàn Sâu và Sông Tiêm diện tích khoảng 230 km2; Vùng thung lũng Chúc A diện tích khoảng 65 km2

Hà Tĩnh có mỏ nước khoáng ở Sơn Kim huyện Hương Sơn có chất lượng tốt, cạnh đường Quốc lộ 8 và gần cửa khẩu Quốc tế Cầu Treo, rất thuận lợi để phát triển thành một khu du lịch nghĩ dưỡng Nước ngầm ở Hà Tĩnh có mức độ nông sâu thay đổi phụ thuộc địa hình và lượng mưa trong mùa Vùng đồng bằng ven biển có mực nước ngầm nông, miền trung du và miền núi nước ngầm thường sâu và dễ bị cạn kiệt vào mùa khô, ảnh hưởng không nhỏ đến khai thác nước trong vùng

1.3.2 Điều kiện kinh tế, xã hội

a Tình hình phát triển kinh tế

Tăng trưởng tổng sản phẩm trên địa bàn GRDP năm 2015 đạt 17,5%, trong đó công nghiệp, xây dựng tăng 19,6%, nông lâm thủy sản tăng 7,7%, thương mại-dịch

vụ tăng 19,7% GRDP bình quân đầu người năm 2015 đạt trên 38,9 triệu đồng Tái

cơ cấu nền kinh tế đạt kết quả bước đầu, mô hình kinh tế chuyển đổi theo hướng phát triển chiều sâu Kinh tế tiếp tục chuyển dịch theo hướng tăng nhanh tỷ trọng công nghiệp - xây dựng và dịch vụ, giảm tỷ trọng nông nghiệp Do ảnh hưởng của sự

cố môi trường biển, tình hình sản xuất, kinh doanh nửa sau 6 tháng đầu năm 2016 gặp rất nhiều khó khăn Vì vậy nhiều chỉ tiêu kinh tế - xã hội giảm so với cùng kỳ năm 2015

Sản xuất nông, lâm nghiệp và thủy sản: Sản xuất nông nghiệp tiếp tục tăng, đạt 9,62%; tổng giá trị sản xuất nông, lâm, thủy sản đạt trên 6.580 tỷ đồng Chăn nuôi tiếp tục tăng về quy mô, chất lượng Các dự án chăn nuôi bò thịt chất lượng cao, bò sữa từng bước ổn định sản xuất

Công tác quản lý, bảo vệ rừng được quan tâm Cơ bản hoàn thành Đề án giao đất, giao rừng, tỷ lệ cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất lâm nghiệp đạt 99,6%

Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới tiếp tục đạt được kết quả tích cực Đến nay, ngoài 52 xã đã đạt chuẩn nông thôn mới, có 02 xã cơ bản đạt 19 tiêu chí; 14 xã đạt từ 13-18 tiêu chí; 138 xã đạt từ 9-12 tiêu chí; 25 xã đạt dưới

9 tiêu chí

Tình hình đời sống nhân dân và sản xuất sau sự cố môi trường biển: Sau khi xảy ra sự cố môi trường biển, tỉnh đã chủ động phối hợp với các bộ, ngành Trung ương triển khai các biện pháp sớm ổn định đời sống nhân dân, khôi phục sản xuất, đảm bảo an ninh trật tự trên địa bàn

Tiến hành thả nuôi thủy sản với diện tích 6.893ha/7.820ha kế hoạch; trong đó: nuôi nước ngọt đạt 5.043ha/5.043ha kế hoạch; nuôi mặn lợ 1.850ha/2.777ha kế hoạch Số lượng tàu cá trên địa bàn tỉnh ra khơi đánh bắt, khai thác hải sản tăng dần, dao động từ 54% - 65%

Sản xuất công nghiệp, xây dựng: Sản xuất công nghiệp tiếp tục duy trì tốc độ tăng trưởng khá Chỉ số sản xuất công nghiệp tăng 21,76% so với cùng kỳ năm

2015 Giá trị sản xuất ngành xây dựng đạt 3.126,8 tỷ đồng, giảm 42,98%

Vốn đầu tư: Tổng vốn đầu tư phát triển toàn xã hội đạt 22.593,4 tỷ đồng, giảm 51% so cùng kỳ 2015, bằng 34,1% kế hoạch

Thương mại, dịch vụ, du lịch: Tổng mức bán lẻ hàng hóa và doanh thu dịch vụ đạt 18.562,7 tỷ đồng, tăng 1,03% Tổng kim ngạch xuất, nhập khẩu hàng hóa trên địa bàn đạt 518,6 triệu USD, đạt 14,82% kế hoạch, giảm 65% Riêng kim ngạch xuất khẩu của các doanh nghiệp trong tỉnh đạt 59 triệu USD, tăng 6,24% Lượng khách du

lịch đến Hà Tĩnh đạt thấp, gần 710 nghìn người, giảm 20,8%; tổng doanh thu đạt 168

tỷ đồng, giảm 44% so cùng kỳ

Thu, chi ngân sách: Tổng thu ngân sách đạt 3.645 tỷ đồng Tổng chi ngân sách địa phương đạt 5.528 tỷ đồng; chi ngân sách cơ bản đáp ứng yêu cầu chi thường xuyên và an sinh xã hội

Phát triển doanh nghiệp và thu hút đầu tư: Thành lập mới 510 doanh nghiệp với số vốn đăng ký bình quân 8,2 tỷ đồng/doanh nghiệp, nâng tổng số doanh nghiệp đến nay là 5.419 doanh nghiệp Chấp thuận chủ trương đầu tư và cấp giấy chứng nhận đăng ký đầu tư cho 52 dự án Khởi công xây dựng Dự án Khu tổ hợp biệt thự nghỉ dưỡng Vinpearl - Cửa Sót tại huyện Lộc Hà

Công tác quy hoạch, xây dựng cơ chế chính sách: Rà soát, điều chỉnh, bổ sung

và xây dựng mới một số quy hoạch ngành, lĩnh vực, quy hoạch chung, quy hoạch đô thị Lập dự án điều chỉnh quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất kỳ cuối (2016-2020) cấp tỉnh, huyện; Quy hoạch các sản phẩm chủ lực vùng ven biển và đồi rừng đến năm

2020, định hướng đến năm 2030; xây dựng các đề án xã hội hóa huy động nguồn lực xây dựng thành phố Hà Tĩnh đạt đô thị loại II, thị xã Hồng Lĩnh và thị xã Kỳ Anh đạt

đô thị loại III

b Tình hình phát triển xã hội

Dân số tỉnh Hà Tĩnh tính đến năm 2015 có 1.261.300 người, chiếm 1,38% dân

số cả nước (Dân số cả nước tính đến 2015 là 91.713.300 người), trong đó dân số nông thôn chiếm 84,79% và thành thị là 15,21% Tỷ lệ phân chia về giới tính tương đối đồng đều, tỷ lệ nam giới là 96,5 trên 100 nữ giới Tỷ lệ tăng dân số tự nhiên năm

2015 là 0,48% (nông thôn: 0,64% và thành thị: 0,81%) Mật độ dân số trung bình là 210người/km2, nhưng vẫn thấp hơn so với dân số trung bình cả nước (277 người/km2) Tỷ lệ lao động từ 15 tuổi trở lên đang làm việc so với tổng dân số phân theo địa phương là 57,8% Đến hết năm 2015 tỷ lệ hộ nghèo toàn tỉnh còn 5,82%; Tỷ

lệ hộ cận nghèo còn 8,89% Thực hiện đầy đủ, kịp thời các chế độ, chính sách cho các đối tượng người có công, bảo trợ xã hội, đảm bảo an sinh xã hội; giải quyết hưởng trợ cấp thất nghiệp 2.300 người

Trên địa bàn tỉnh, dân cư phân bố không đồng đều: tập trung cao ở khu vực đồng bằng phía Đông Bắc của tỉnh, còn dọc đường Hồ Chí Minh dân cư thưa thớt Đặc biệt, tại TP Hà Tĩnh có mật độ dân số 1584 người/ km2 năm 2015, trong khi huyện Hương Khê mật độ dân số chỉ có 80 người trên km2, Vũ Quang 49 người trên km2

Số lao động đang làm việc trong các ngành kinh tế phân theo cấp quản lý năm

2015 có 643.928 người chiếm 52,43% dân số toàn tỉnh, trong đó cấp trung ương là 7.715 người, địa phương là 636.213 người Lao động phân theo thành phần kinh tế cấp nhà nước là 52.971 người, ngoài nhà nước 590.672 người và khu vực có vốn đầu

tư nước ngoài 285 người Lao động trong ngành nông – lâm nghiệp chiếm 56,8%; công nghiệp – xây dựng 13,8%, còn lại khoảng 29% làm việc trong lĩnh vực khác

Công tác khám, chữa bệnh tại các bệnh viện được thực hiện tốt Tỷ lệ dân số tham gia bảo hiểm y tế đạt 77% (tăng 7% so cùng kỳ) Chủ động phòng, chống dịch cúm, sốt xuất huyết, viêm màng não mô cầu, phòng bệnh ZIKA… Thực hiện tốt các công tác đấu thầu thuốc, quản lý hành nghề y dược tư nhân, giám định y khoa, dân số

kế hoạch hóa gia đình

Công tác giáo dục và đào tạo nghề: Trong năm 2015 đã đào tạo cho 21.750 lượt người và tuyển mới 16.650 người (đạt 101%KH) Đẩy mạnh việc đào tạo nghề cho lao động nông thôn và đào tạo theo nhu cầu Tỷ lệ lao động qua đào tạo ước đạt 51% kế hoạch Chương trình Việc làm - Dạy nghề năm 2015 và những năm tiếp theo; trong năm giải quyết việc làm cho 32.550 lượt người, đạt 101% kế hoạch năm

và bằng 86,3% so với năm 2014; đã tổ chức nhiều hội nghị tư vấn, giới thiệu việc làm, định hướng đào tạo nghề; kiểm tra an toàn vệ sinh lao động, thực hiện pháp luật lao động tại các doanh nghiệp; triển khai rà soát, đánh giá năng lực và hiệu quả hoạt động của các cơ sở dạy nghề

Qua tổng quan ở trên có thể nhận thấy nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước thường tập giải quyết bài toán cân bằng nước hệ thống Có một số nghiên cứu tính cân bằng nước tự nhiên nhưng thường chỉ đề cập đến dòng chảy mặt và thường sử dụng mô hình thông số tập trung để tính dòng chảy mặt từ mưa; dòng chảy sát mặt ở tầng chưa bão hòa và dòng chảy ngầm ở tầng bão hòa ít được xem xét Vì vậy luận văn nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE SHE tính toán cân bằng nước cho lưu vực

sông La với các bước nghiên cứu được tóm tắt trong sơ đồ dưới đây

Dòng chảy đới bão hòa (lưới chữ nhật)

Diễn toán dòng chảy trong

kênh hở Bốc thoát hơi

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán cân bằng nước bằng mô hình MIKE SHE

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE SHE VÀ YÊU CẦU SỐ

LIỆU SỬ DỤNG

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE

2.1.1 Giới thiệu chung về mô hình MIKE SHE

Kể từ giữa những năm 1980, mô hình mưa – dòng chảy MIKE SHE đã được phát triển và mở rộng hơn bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI Nước Môi trường) Ngày nay, MIKE SHE là một khung mô hình thủy văn tiên tiến và linh hoạt Mô hình bao gồm đầy đủ bộ công cụ trước và sau xử lí, kết hợp linh hoạt với các kỹ thuật giải pháp đơn giản cho mỗi quá trình thủy văn MIKE SHE gồm các quá trình quan trọng trong chu trình thủy văn và các mô hình quá trình cho bốc thoát hơi, dòng chảy tràn, dòng chảy không bão hòa, dòng chảy ngầm, dòng chảy trong kênh và tương tác giữa chúng Mỗi quá trình có thể được biểu diễn ở các cấp khác nhau về độ phân bố và độ phức tạp theo không gian, theo các mục tiêu của các nghiên cứu về mô hình, sự sẵn

có của trường dữ liệu và sự lựa chọn của người chạy mô hình (Butts et al 2004) Giao diện người dùng MIKE SHE cho phép người dùng xây dựng theo trực giác bản

mô tả mô hình dựa trên mô hình khái niệm của người dùng về các lưu vực sông

2.1.2 Các quá trình cơ bản trong mô hình MIKE SHE

Mô hình MIKE SHE gồm hai mô-đun chính, chất lượng nước (water quality - WQ) và vận động của nước (water movement - WM) Các mô-đun phụ chất lượng nước là bình lưu-phân tán (advection-dispersion - AD), đường di chuyển hạt (particle tracking - PT), hấp thụ và phân rã (sorption and degradation - SD), địa hóa (geochemistry - GC), phân hủy sinh học (biodegradation - BD), năng suất cây trồng

và tiêu thụ nitơ (crop yield and nitrogen consumption - CN)

Mô-đun vận động của nước trong đất bao gồm nhiều module phụ: bốc hơi nước (evapotranspiration - ET), vận động của nước trong đất (soil water movement - SWM), dòng chảy tràn (overland flow - OF), dòng chảy kênh (channel flow - CF), dòng chảy ngầm (ground water flow - GWF), và thuỷ lợi (irrigation - IR) (DHI 2004)

Các thành phần khác sử dụng trong mô-đun vận động của nước bao gồm vùng không bão hòa (UZ), vùng bão hòa (SZ), tuyết tan và các mô hình vùng rễ như trong Hình 2.1

Sự tương tác mưa – dòng chảy trên một lưu vực là một quá trình vật lý phức tạp, có liên quan đến nhiều yếu tố thủy văn, thủy lực Quá trình này thường bao gồm:

 Tổn thất ban đầu: Xảy ra ở giai đoạn đầu của một trận mưa Mưa rơi xuống

bề mặt lưu vực trong giai đoạn này chưa thể sản sinh dòng chảy Lượng mưa bị tổn thất hoàn toàn do điền vào những chỗ trũng trên lưu vực, bị giữ lại trên lá cây và thấm xuống đất Cường độ mưa trong giai đoạn này nhỏ hơn cường độ thấm tiềm năng của đất

 Quá trình tổn thất do bốc hơi: Hiện tượng bốc hơi xẩy ra trong suốt thời gian hình thành dòng chảy bao gồm: bốc hơi qua lá và bốc hơi của lượng nước bị giữ lại trên lá cây; bốc hơi mặt nước; bốc hơi từ mặt đất

 Quá trình tổn thất do thấm: Tổn thất thấm xẩy ra trong suốt thời gian mưa và

cả sau khi mưa khi trên sườn dốc vẫn còn dòng chảy mặt Đường cong thấm biểu thị khả năng thấm trên bề mặt lưu vực và phụ thuộc vào loại đất và độ ẩm của đất Khi

độ ẩm đất đạt trạng thái bão hòa thì cường độ thấm đạt giá trị ổn định gọi là cường độ thấm ổn định

 Quá trình chảy tràn trên sườn dốc: Hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc chỉ bắt đầu khi đã xuất hiện lượng mưa vượt thấm (cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm) Nước mưa chảy thành từng lớp trên mặt sườn dốc của lưu vực gọi là chảy tràn trên sườn dốc

Trong quá trình chảy tràn, lượng nước bị tổn thất vì ngấm và bốc hơi, bổ sung cho lớp nước chảy tràn Lớp nước chảy tràn dày hay mỏng, tốc độ chảy tràn mạnh hay yếu, hiện tượng chảy tràn duy trì lâu hay chóng chủ yếu do tương quan so sánh giữa cường độ mưa và cường độ thấm quyết định

Sự hình thành dòng chảy ngầm: Nước mưa thấm xuống đất được phân chia ra thành các thành phần sau:

 Một phần bị giữ lại ở tầng đất mặt rồi dần dần bốc hơi qua đất hoặc qua thực vật

 Tạo thành dòng sát mặt và chảy vào hệ thống sông ngay trong thời gian đang có mưa và lũ Dòng chảy sát mặt sau khi xuất lộ tập trung nhanh vào hệ thống sông và tham gia vào sự hình thành lũ

 Một phần nước ngấm sâu xuống tầng đất bão hoà nước làm cho mực nước ngầm dâng lên Nước ngầm qua một thời gian khá dài dần dần thấm ngang qua các lớp đất chuyển động đến sông hình thành dòng chảy ngầm Đây là thành phần chủ yếu của dòng chảy bổ sung cho hệ thống sông trong thời gian mùa kiệt

Hình 2.1 Sơ đồ ba chiều mô tả các quá trình thủy văn đƣợc mô phỏng bằng

MIKE SHE

Nguồn: Refsgaard và Storm, 1995

Hướng chảy tràn trên sườn dốc thường trùng với hướng độ dốc mặt đất lớn nhất Tốc độ chảy tràn lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào sự thay đổi của độ sâu lớp nước chảy tràn, vào độ dốc mặt đất và độ nhám của mặt dốc

Nước chảy tràn trên sườn dốc rồi đổ vào các khe suối nhỏ, sau đó lại tiếp tục chảy trong lòng sông đến cửa ra của lưu vực Giai đoạn chảy trong sông gọi là quá trình tập trung dòng chảy trong sông

Về bản chất, quá trình tập trung dòng chảy trong sông là một quá trình thuỷ lực rất phức tạp, nó có liên quan mật thiết với hình dạng hình học (như hình dạng mặt cắt ngang của sông và sự thay đổi của nó dọc theo chiều dài sông, độ uốn khúc của

sông ) và cường độ thấm của lòng sông, v.v Các quá trình mưa, thấm, chảy tràn trên sườn dốc và tập trung nước trong sông có thể diễn ra đồng thời, không phải quá trình này kết thúc thì quá trình kia mới xuất hiện Có thể trên cùng một lưu vực, một quá trình nào đó có nơi phát sinh sớm, có nơi phát sinh muộn, thậm chí có nơi không

hình thành

Do MIKE SHE là một mô hình vật lý của quá trình mưa – dòng chảy, các đun đề cập ở trên dựa trên các định luật vật lý như bảo toàn khối lượng, động lực và năng lượng Mô hình bốc thoát hơi được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp Kristensen và Jensen, trong đó ET có thể được tính bằng nhiều cách Dòng chảy kênh được xử lý bằng các phương trình Saint Venant sóng khuếch tán một chiều (1-D) và dòng chảy tràn được tính bằng cách dùng phương trình Saint Venant sóng khuếch tán hai chiều (2-D) Nước thấm vào vùng không bão hòa có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng dòng chảy Richards một chiều (1-D) hoặc dòng trọng lực Lớp bão hòa được mô hình hóa bằng Phương trình Boussinesq ba chiều (3-D) trong đó sử dụng các phương pháp sai phân hữu hạn để giải thích các phương trình vi phân từng phần (PDE)

mô-2.1.3 Cơ sở lý thuyết các quá trình mô phỏng

Bốc thoát hơi nước và tổn thất bề mặt

Mô đun bốc thoát hơi và tổn thất bề mặt do thảm phủ thực vật của MIKE SHE được chia ra và được mô hình hóa trong bốn phần dựa vào thời gian tiếp xúc với đất

và các vùng thảm phủ bề mặt của thực vật (đọng nước) như thể hiện trong Hình 1 Ban đầu, một phần lượng mưa bị chặn bởi tán thực vật, một số trong đó bốc hơi trở lại vào khí quyển Lượng nước còn lại xuống bề mặt hoặc tạo dòng chảy hoặc xâm nhập vào vùng bão hòa Lượng nước đến được vùng không bão hòa có thể bay hơi từ phần trên của vùng rễ và được vận chuyển bởi rễ cây, hoặc bổ sung nước ngầm vào vùng bão hòa (DHI 2004)

Phương pháp Kristensen Jensen: Phương pháp Kristensen Jensen được phát

triển qua thực nghiệm tại Đại học Royal Veterinary and Agricultural University tại Copenhagen, Đan Mạch Các phương trình thực nghiệm dựa trên việc đo đạc thực địa

và yêu cầu đầu vào của quá trình bốc hơi tham chiếu (ETref), chỉ số diện tích lá (LAI), độ sâu rễ (AROOT), và một số thông số thực nghiệm được kiểm soát của

người dùng (Refsgaard và Storm 1995) Bước đầu tiên trong phương pháp này là xác định khả năng trữ cản nước tối đa của tán thực vật, Imax có thể được xác định bởi:

(2.1) Trong đó:

Cint là hệ số chặn [L]

LAI là chỉ số diện tích lá [-]

Giá trị mặc định của Cint trong mô hình MIKE SHE là 0,05mm Giá trị LAI được thực nghiệm hiệu chỉnh đối với thảm thực vật và vùng, có thể tìm thấy trong các nghiên cứu Nếu giữ lại đủ nước, bốc hơi từ lượng mưa đọng lại trong tán cây có thể xảy ra, điều này được tính bằng:

Trong đó:

Ecan là sự bay hơi từ tán cây [LT-1]

E+ là tỷ lệ bốc hơi tiềm năng [LT-1]

Δt là độ dài bước thời gian trong mô phỏng [T]

Ngoài bay hơi từ mưa đọng lại trong tán cây, thoát hơi nước từ thực vật là rất quan trọng để xác định cân bằng nước Điều này phụ thuộc vào mật độ chất liệu cây trồng trên và dưới mặt đất Như vậy, sự thoát hơi thực tế được tính bằng cách:

(2.3) Trong đó:

Eat là thoát hơi thực tế [LT-1]

f1 là hàm chức năng dựa trên chỉ số diện tích lá [-]

f2 là hàm chức năng dựa vào độ ẩm đất vùng rễ [-]

RDF là hàm chức năng phân phối rễ [-]

Hàm chức năng f1 (LAI) được tính bằng:

Trong đó:

C1 và C2 là các thông số thực nghiệm [-]