Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng 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. Mời các bạn tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO TẤN QUY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN

MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT

TRÊN LƯU 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 Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Thị Hương 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

5 Phương 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

1.1 Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực

1.1.1 Một số khái niệm, thuật ngữ

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

1.1.2 Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn

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

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

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:

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 nước

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

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 – Hướng 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 chương 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

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

2.1 Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải

2.1.1.2 Phương trình mô phỏng dòng chảy

a Hệ phương tri ̀nh mô phỏng dòng chảy trên bề mặt lưu vực

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

liên tục của Bennett Phương trình liên tục mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát được biểu diễn như sau:

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 Lax-

Friedrichs 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 tri ̀nh mô ph ỏng dòng chảy trên bề mặt lưu vực

a.Thuật toán giải: Với x j = 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):

Áp dụng LFW cho phương trình (2-6) Khi đó ta được phương trình sai phân

của (2-6) như sau:

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:

Giải gần đúng cho A Q , tại ( ; ) x tj n theo sơ đồ sai phân LFW, nhưng

ta chỉ cần giải A cho bởi phương trình (2-35) Khi đó ta được:

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

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 tri ̀nh 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:

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

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

2.2.1 Quá trình liên rãnh

2.2.1.1 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:

2.2.3 Quá trình lòng kênh/sông

2.2.3.1 Sức tải bùn cát trong kênh/sông

Sức tải bùn cát được tính theo phương trình của Parsons và nnk

Q

il sl

V

q t A E



2.2.3.2 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:

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

2.4 Cấu trúc và chức năng của một số chương trình con

2.4.1 Cấu trúc và một số mô đun chính

2.4.1.1 Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần cơ bản

a Thành phần thủy văn : Xử lý dữ liê ̣u mưa đầu vào và tính toán lượng

mưa sinh dòng qua phương trình Green-Ampt-Lason (1973)

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 bồi lắng 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 tính Giải các phương trình ẩn phi tuyến tổng t hể bằng 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 suất trượt từ dòng chảy mặt ; và tính lư ợng bùn cát bồi lắng trên các ti ểu lưu vực bằng cách sử

dụng lược đồ sai phân hữu hạn LFW với phương trình liên tục bùn cát