Tài liệu Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 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: Thủy văn học Mã số: 62 44 90 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phạm Thị Hƣơng Lan 2. PGS.TS. Ngô Lê Long HÀ NỘI, NĂM 2017 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…… ................................................................................................................ 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ..................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................................. 2 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................... 2 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................... 2 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 3 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ................................ 3 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 4 8. CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN ................................................................................ 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ .............................................................. 5 1.1. Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực ............................ 5 1.1.1. Một số khái niệm, thuật ngữ ..................................................................... 5 1.1.1.1. Xói mòn lƣu vực ............................................................................... 5 1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng ............................................................................ 6 1.1.2. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn ....................... 6 1.1.2.1. Các yếu tố gây xói mòn ..................................................................... 6 1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn ................................................... 8 1.1.3. Phân loại xói mòn lưu vực ...................................................................... 11 1.1.4. Vận chuyển bùn cát trên lưu vực ............................................................ 13 1.2. Các nghiên cứu trên thế giới .......................................................................... 13 1.2.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn .................................................. 13 1.2.2. Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát ..................................................................................................... 15 1.2.2.1. Mô hình kinh nghiệm ...................................................................... 15 1.2.2.2. Mô hình nhận thức .......................................................................... 25 1.2.3. Các thuật toán giải trong các mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực .................................................................................................... 30 1.3. Các nghiên cứu trong nƣớc ............................................................................ 31 1.3.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn .................................................. 31 iii Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát ........................................................................................ 32 1.4. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát – Hƣớng nghiên cứu chính của luận án ............................................................ 35 1.4.1. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát 35 1.4.2. Định hướng nghiên cứu của luận án....................................................... 36 Kết luận chƣơng 1: ..................................................................................................... 36 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 .......... 37 2.1. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải .................................... 37 2.1.1. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 37 2.1.1.1. Phƣơng trình thấm ........................................................................... 37 2.1.1.2. Phƣơng trình mô phỏng dòng chảy ................................................. 38 2.1.1.3. Phƣơng trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát ................. 40 2.1.2. Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải ......................................................... 44 2.1.2.1. ... Thuật toán giải hệ phƣơng trin ̀ h mô phỏng dòng chảy trên bề mă ̣t lƣu vực .................................................................................................................... 44 2.1.2.2. Thuật toán giải hệ phƣơng trình mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông: ......................................................................................................... 49 2.1.2.3. Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực ................................................................................................. 50 2.1.2.4. Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sông ........................................................................................... 55 2.2. Xây dựng các thành phần của mô hình .......................................................... 56 2.2.1. Quá trình liên rãnh ................................................................................. 57 2.2.1.1. Khả năng xói mòn liên rãnh ............................................................ 58 2.2.1.2. Vận chuyển bùn cát liên rãnh .......................................................... 59 2.2.2. Quá trình xói mòn rãnh........................................................................... 61 2.2.2.1. Xói mòn rãnh ................................................................................... 61 2.2.2.2. Vận chuyển bùn cát trong rãnh ....................................................... 63 2.2.3. Quá trình lòng kênh/sông ........................................................................ 64 2.2.3.1. Sức tải bùn cát trong kênh/sông ...................................................... 64 2.2.3.2. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông .............................................. 65 2.3. Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình ........................................... 65 2.4. Cấu trúc và chức năng của một số chƣơng trình con ..................................... 66 2.4.1. Cấu trúc và một số mô đun chính ........................................................... 66 2.4.1.1 Cấu trúc chƣơng trình: Có hai thành phần cơ bản ........................... 66 2.4.1.2 Một số mô đun chính....................................................................... 66 2.4.2. Chức năng của một số chương trình con ................................................ 72 1.3.2. iv 2.5. Giao diện sử dụng chƣơng trình..................................................................... 72 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................................... 74 CHƢƠNG 3. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ ............................ 75 3.1. Số liệu đầu vào cho mô hình .......................................................................... 75 3.1.1. Tạo cơ sở dữ liệu..................................................................................... 75 3.1.2. Chạy mô hình .......................................................................................... 75 3.2. Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát ............ 75 3.2.1. Lưu vực Nậm Sập .................................................................................... 75 3.2.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................... 75 3.2.1.2. Đặc điểm địa hình ........................................................................... 76 3.2.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng ...................................................................... 77 3.2.1.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất ................. 79 3.2.1.5. Đặc điểm khí hậu............................................................................. 80 3.2.1.6. Đặc điểm khí tượng thủy văn .......................................................... 81 3.2.1.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình .................................................... 85 3.2.1.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ....................................................... 86 3.2.2. Lưu vực Phiêng Hiềng ............................................................................ 90 3.2.2.1. Vị trí địa lý ...................................................................................... 90 3.2.2.2. Đặc điểm địa hình ........................................................................... 91 3.2.2.3. Đặc điểm thổ nhƣỡng ...................................................................... 92 3.2.2.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất .................. 94 3.2.2.5. Đặc điểm khí hậu............................................................................. 95 3.2.2.6. Đặc điểm khí tƣợng thủy văn .......................................................... 96 3.2.2.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình .................................................. 100 3.2.2.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ..................................................... 102 3.2.3. Xây dựng phƣơng trình tƣơng quan ...................................................... 105 3.2.3.1. Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình ................................ 105 3.2.3.2. Phân tích tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh trên lƣu vực với độ dốc và cƣờng độ mƣa ............................................................................................ 108 3.2.3.3. 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 ........................................................................................ 116 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 123 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Bảng 3-1. Bảng 3-2. Bảng tra để tính C theo hội Khoa học đất Quốc tế ................................ 23 Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Nậm Sập ........................................... 79 Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Phiêng Hiềng.................................... 94 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Hình 1-2. Hình 1-3. Hình 2-1. Hình 2-2. Hình 2-3. Hình 2-4. Hình 2-5. Hình 2-6. Hình 2-7. Hình 2-8. Hình 2-9. Hình 3-1. Hình 3-2. Hình 3-3. Hình 3-4. Hình 3-5. Hình 3-6. Hình 3-7. Hình 3-8. Hình 3-9. Hình 3-10. Hình 3-11. Hình 3-12. Hình 3-13. Hình 3-14. Hình 3-15. Hình 3-16. Hình 3-17. Hình 3-18. Hình 3-19. Hình 3-20. Hình 3-21. Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến xói mòn đất ........................................ 8 Tỷ lệ xói mòn tại các châu lục trên thế giới ........................................... 14 Sử dụng lƣới hình chữ nhật giải phƣơng trình trong mô hình động lực 31 Sơ đồ sai phân Lax- Friedrichs .............................................................. 44 Sơ đồ hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực.......... 56 Sơ đồ tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát .................................... 57 Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát liên rãnh ............. 66 Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát rãnh .................... 69 Sơ đồ khối tính lƣợng bùn cát vận chuyển trong sông đến cửa ra ......... 69 Màn hình khởi động chƣơng trình ......................................................... 72 Giao diện mở tệp dữ liệu ........................................................................ 73 Giao diện chạy chƣơng trình .................................................................. 73 Bản đồ vị trí lƣu vực Nậm Sập............................................................... 76 Bản đồ địa hình lƣu vực Nậm Sập ......................................................... 77 Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Nậm Sập .................................................... 78 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Nậm Sập................................... 80 Bản đồ mạng lƣới sông ngòi lƣu vực Nậm Sập ..................................... 82 Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Nậm Sập ................................ 83 Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy lƣu vực Nậm Sập ........................... 84 Các tiểu lƣu vực của Nậm Sập ............................................................... 86 Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................... 87 Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ..................... 88 Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................... 88 Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ..................... 89 Hàm lƣợng bùn cát trên lƣu vực Thác Mộc ........................................... 89 Bản đồ vị trí lƣu vực Phiêng Hiềng ....................................................... 90 Bản đồ địa hình lƣu vực Phiêng Hiềng .................................................. 91 Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Phiêng Hiềng ............................................. 93 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Phiêng Hiềng năm 2015........... 95 Bản đồ mạng lƣới sông ngòi lƣu vực Phiêng Hiềng .............................. 97 Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Phiêng Hiềng ......................... 98 Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy lƣu vực Phiêng Hiềng .................... 99 Các tiểu lƣu vực của Phiêng Hiềng ...................................................... 101 vii Hình 3-22. Hình 3-23. Hình 3-24. Hình 3-25. Hình 3-26. Hình 3-27. Hình 3-28. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................. 103 Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ................... 103 Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................. 104 Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ................... 104 Đƣờng biểu diễn kết quả khi thay đổi thông số mô hình ..................... 107 Tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa ...... 109 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. Ở Việt Nam, với 3/4 diện tích là đồi núi và nằm trong vùng nhiệt đới ẩm gió mùa, nên xói mòn đƣợc 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 dƣỡng sẽ bị mất sau mỗi năm và đất trở nên thoái hóa không còn khả năng canh tác. Một trong những phƣơng pháp tốt nhất hiện nay để tính toán lƣợng đất mất đi do quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực là mô hình toán. Ƣu điểm của phƣơng pháp này: Ít chi phí; có thể mô phỏng đƣợc trên các lƣu vực với quy mô 1 khác nhau và có thể dự tính lƣợng bùn cát bị xói mòn theo các kịch bản khác nhau. Các nhà khoa học đã mô phỏng xói mòn và mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trên lƣu vực dƣới dạng các phƣơng trình toán học và giải chúng trên máy tính điện tử. Đây là một trong những hƣớng nghiên cứu tiếp cận với những công cụ, phần mềm máy tính hiện đại. Đã có rất nhiều nghiên cứu trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới về xói mòn với cách tiếp cận mô phỏng xói mòn theo các mô hình toán, tuy nhiên chủ yếu theo hƣớng sử dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng (USLE). Tuy nhiên theo hƣớng nghiên cứu này thì phạm vi ứng dụng mang tính địa phƣơng, có độ chính xác hạn chế khi áp dụng ở những lƣu vực khác nhau, chƣa đề cập đến quá trình bồi lắng, chuyển tải hạt cát và không có khả năng tính toán cho từng trận mƣa hay các bƣớc thời gian ngắn hơn. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ” là cần thiết và cấp bách, áp dụng tính toán cho các lƣu vực sông ở Việt Nam. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. - Thử nghiệm mô hình đã xây dựng cho một số lƣu vực vừa và nhỏ. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát. - Phạm vi nghiên cứu: Các lƣu 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 lƣu 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 2 triển mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phƣơng pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Tổng hợp các tài liệu liên quan đến nghiên cứu mô hình toán thủy văn, các nghiên cứu về xói mòn và vận chuyển bùn cát, thu thập, bổ sung, cập nhật các số liệu khí tƣợng thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, các hoạt động quản lý và khai thác trên lƣu vực sông. - Phƣơng pháp kế thừa: Sử dụng có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra cơ bản trƣớc đây có liên quan đến nội dung của luận án. - Phƣơng pháp viễn thám và GIS: Sử dụng các phần mềm GIS, ArcGIS, Mapinfo để biên tập, trình bày các bản đồ và tính toán các thông số [1]. - Phƣơng pháp mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát: Là phƣơng pháp đƣợc sử dụng để lƣợng hóa quá trình dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. - Phƣơng pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng: Tiếp cận, học hỏi các nhà khoa học có nhiều kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu, các chuyên gia và nhà quản lý có kinh nghiệm thực tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Ý nghĩa khoa học - Đƣa ra đƣợc luận cứ, cơ sở khoa học về việc xây dựng và thử nghiệm mô hình để mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ áp dụng trong điều kiện của Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần khẳng định việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát với ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS [1] là rất hiệu quả và cần thiết trong giai đoạn hiện nay. 3 Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tƣ liệu tham khảo quan trọng góp phần cung cấp thông tin về tình hình dòng chảy, vận chuyển bùn cát trên lƣu vực sông suối miền núi phía Bắc trên địa bàn của tỉnh Sơn La. - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp cho địa phƣơng 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 nƣớc để từ đó đề xuất các giải pháp quy hoạch tài nguyên nƣớc, quy hoạch sử dụng đất phù hợp. 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Xây dựng đƣợc mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ, với thuật toán sơ đồ sai phân Lax – Friedrich có thêm trọng số thời gian, không gian để giải phƣơng trình dòng chảy và phƣơng trình vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. - Xây dựng đƣợc phƣơng trình tƣơng quan giữa tính toán xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh trên lƣu vực nghiên cứu: Lƣu vực Nậm Sập, lƣu vực Phiêng Hiềng của tỉnh Sơn La, từ đó có thể dự báo lƣợng bùn cát bị xói mòn và vận chuyển trên lƣu vực theo cƣờng độ mƣa. 8. CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc trình bày theo 3 chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan về mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Chƣơng II: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Chƣơng III: Thử nghiệm mô hình để mô phỏng vận chuyển bùn cát cho một số lƣu vực vừa và nhỏ. 4 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 lƣu vực Theo từ điển bách khoa toàn thƣ về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng Latin là "erodere” chỉ sự ăn mòn dần, thuật ngữ xói mòn để chỉ các quá trình liên quan đến các lớp đất đá, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân nhƣ gió, nƣớc, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật. Có rất nhiều khái niệm về xói mòn, cụ thể nhƣ sau: Xói mòn là hiện tƣợng di chuyển đất bởi nƣớc mƣa, bởi gió dƣới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất. Xói mòn đất đƣợc xem nhƣ là một hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lƣợng mƣa và cƣờng độ mƣa [2]. Xói mòn là hiện tƣợng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề mặt đất bị bào mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nƣớc [3]. Xói mòn là quá trình san bằng, trong đó có các hạt đất hay đá cứng bị nhào lộn, rửa trôi và di chuyển dƣới tác dụng của trọng lực, gió và nƣớc là động lực chính của quá trình này [4]. Quá trình xói mòn, trƣợt lở, bồi lấp thực chất là quá trình phân bố lại vật chất dƣới ảnh hƣởng của trọng lực, xảy ra khắp nơi và bị chi phối chủ yếu bởi điều kiện địa hình [5]. Xói mòn do nƣớc phụ thuộc vào năng lƣợng xói mòn của dòng nƣớc và sức kháng của đất đá đối với dòng nƣớc chảy qua. 5 1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng Quá trình xói mòn và lắng đọng bao gồm các quá trình phá vỡ, vận chuyển, lắng đọng của các hạt bùn cát do tác động của các tác nhân xâm thực và tác nhân vận chuyển của dòng chảy mặt [6]. Bùn cát lơ lửng là những hạt bùn cát có kích thƣớc nhỏ, nổi lơ lửng khắp trong dòng nƣớc và chuyển động trôi theo dòng nƣớc. Tốc độ chuyển động của loại bùn cát này bằng tốc độ chuyển động của dòng nƣớc. Mật độ hay khối lƣợng riêng bùn cát là khối lƣợng của một đơn vị thể tích bùn cát. Kí hiệu là ρs và đơn vị thƣờng dùng là kg/m3. Bồi lắng là các hạt đất tách ra do xói mòn đƣợc lắng lại trong đất hoặc bên trong các nguồn nƣớc nhƣ: hồ, suối và đất ngập nƣớc [7]. 1.1.2. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn 1.1.2.1. Các yếu tố gây xói mòn Nguyên nhân chủ yếu của xói mòn đất là tác động của mƣa, việc nghiên cứu quá trình xói mòn đƣợc chia thành hai vấn đề: (1) Xói mòn biểu hiện ra sao ở các dạng mƣa khác nhau và (2) Xói mòn xảy ra nhƣ thế nào trên các loại đất khác nhau. Vì vậy, quy mô hoạt động xói mòn phụ thuộc vào hai nhân tố: Cƣờng độ mƣa và khả năng kháng xói của đất. Nói một cách toán học, xói mòn là một hàm của tác động xói mòn do mƣa và tính xói mòn của đất. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chỉ ra các nhóm nhân tố chính gây ra xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nhƣ sau: a) Nhóm nhân tố mưa: Nhân tố mƣa gây xói mòn chủ yếu thông qua lƣợng mƣa và cƣờng độ mƣa. Lƣợng đất mất do xói mòn tỷ lệ thuận với lƣợng mƣa, cƣờng độ mƣa. Điều này đồng nghĩa với một khu vực nghiên cứu nhất định thì những trận mƣa nhỏ có lƣợng 6 xói mòn ít hơn những trận mƣa lớn; cùng một lƣợng mƣa, trận mƣa nào có cƣờng độ mƣa lớn hơn (thời gian mƣa ngắn hơn) thì lƣợng đất xói mòn sẽ nhiều hơn. Những trận mƣa có cƣờng độ mƣa lớn sẽ làm cho lƣợng nƣớc mƣa không kịp ngấm xuống đất, lƣợng nƣớc mƣa này gần nhƣ chuyển toàn bộ thành dòng chảy mặt làm cho vận tốc dòng chảy mặt tăng đáng kể. Dòng chảy mặt càng lớn thì sẽ tạo nên xung lực lớn tách và cuốn trôi những hạt đất mặt dẫn đến lƣợng đất xói mòn lớn [8]. Lƣợng mƣa, cƣờng độ mƣa, và sự phân bố sẽ quyết định đến lực phân tán các hạt của đất, đến lƣợng nƣớc và vận tốc của nƣớc chảy tràn. Thời gian mƣa ngắn cũng hạn chế xói mòn do không đủ lƣợng nƣớc hình thành dòng chảy. Khi cƣờng độ mƣa lớn, thời gian mƣa kéo dài thì xói mòn rất nghiêm trọng. b) Nhóm nhân tố thành phần cơ lý của đất Tính xói mòn của đất chủ yếu thể hiện qua thành phần cơ giới, độ xốp của đất và tình trạng bề mặt đất. Đối với đất có thành phần cơ giới nặng (đất sét) thì kích thƣớc 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 (đất thịt) thì kích thƣớc 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 (đất cát), mặc dù có kết cấu kém bền vững nhƣng có kích thƣớc hạt lớn khó vận chuyển nên nguy cơ xảy ra xói mòn là không cao, loại đất này có khả năng thấm nƣớc tốt nhƣng giữ nƣớc kém [9]. Đất bị xói mòn thành các hạt cơ bản (cát, bùn và sét) và các kết hạt (tổ hợp của các hạt cơ bản). Kích thƣớc của các kết hạt trong khoảng từ 2μm tới 500μm với tỉ trọng tƣơng đối khoảng 1,8. Bùn cát đƣợc tạo ra bởi sự xói mòn ở vùng cao thƣờng là hỗn hợp các loại hạt này. Nhƣng các tỉ lệ là các hàm của các đặc trƣng đất, của tỉ lệ giữa bùn cát đến từ rãnh với bùn cát đến từ vùng liên rãnh và sự phân loại từ sự lắng đọng phía trên sƣờn [10, 11]. 7 1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn Có 5 nhân tố chính ảnh hƣởng tới xói mòn đất là địa hình, loại đất, thảm thực vật, khí hậu và con ngƣời. Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất a) Địa hình Địa hình ảnh hƣởng đến xói mòn đất chủ yếu thông qua độ dốc và chiều dài sƣờn dốc. Độ dốc là nhân tố quan trọng ảnh hƣởng đến xói mòn và dòng chảy mặt. Độ dốc càng lớn thì xói mòn mặt càng lớn và ngƣợc lại. Cùng một cấp độ dốc, nếu chiều dài sƣờn dốc càng lớn thì nguy cơ gây xói mòn đất càng cao. Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Nếu chiều dài sƣờn dốc tăng lên hai lần thì lƣợng đất xói mòn cũng tăng xấp xỉ hai lần (đối với đất sản xuất lâm nghiệp) và tăng lên gần ba lần trên đất trồng cà phê. Trong điều kiện nhiệt đới thì ảnh hƣởng của chiều dài sƣờn dốc rõ nét hơn so với (điều kiện) các nƣớc ôn đới [9, 10]. b) Lớp phủ Lớp phủ bao gồm: Tán lá thực vật, thảm mục, xác thực vật. Tán cây ngăn các hạt mƣa và nếu nó che kín mặt đất, giọt nƣớc rơi xuống từ các lá cây có ít năng lƣợng hơn rất nhiều so với các giọt mƣa không bị chắn [12, 13, 14]. Tuy nhiên, nhiều tán cây có những chỗ hở để cho giọt mƣa rơi thẳng xuống bề mặt đất và phá 8 vỡ các hạt đất. Vật chất tiếp xúc bề mặt đất có hiệu lực làm giảm sự xói mòn so với một tán che. Nơi mà bề mặt đất đƣợc che phủ không xảy ra sự phá vỡ bởi giọt mƣa vì không có khoảng cách rơi cho các hạt nƣớc để tạo ra năng lƣợng. Lớp phủ thực vật trên bề mặt lƣu vực cũng làm giảm đáng kể lƣợng xói mòn đất trên bề mặt lƣu vực và do đó làm giảm đáng kể lƣợng bùn cát gia nhập sông, ảnh hƣởng này thông qua hai tác dụng: - Cản trở quá trình hình thành dòng chảy mặt từ mƣa, tăng thời gian tiếp xúc giữa nƣớc và đất, tăng lƣợng nƣớc thấm xuống đất, tăng dòng chảy ngầm và giảm lƣợng dòng chảy mặt [15]. - Bảo vệ bề mặt đất khỏi sự tiếp xúc trực tiếp với gió và nƣớc, tăng sức kháng đối với xói mòn của đất đá. Lớp (tầng) tán rừng: là tầng hoạt động thứ nhất trong hiệu ứng thuỷ văn rừng, tán rừng có tác dụng giữ lại một phần nƣớc mƣa: theo Lee MacDonald [16] thì lƣợng nƣớc này thƣờng biến động trong khoảng 5 - 30% tùy thuộc vào lƣợng mƣa lớn hay nhỏ. Bởi vậy, trong cùng một trận mƣa thì lƣợng mƣa thực tế dƣới tán rừng luôn thấp hơn lƣợng mƣa ngoài đất trống. Mặt khác tán rừng cũng cản phần lớn lƣợng nƣớc mƣa không cho chúng tác động trực tiếp vào bề mặt đất rừng. Tuy nhiên, động năng giọt nƣớc mƣa dƣới tán rừng (chiều cao tán rừng lớn hơn 10m) lớn hơn động năng giọt nƣớc mƣa nơi đất không [16, 17]. Trong rừng, mƣa bị tán cây giữ lại trƣớc khi rơi xuống đất, với những cây có diện tích phiến lá lớn sẽ tích tụ đƣợc những hạt nƣớc lớn hơn hạt mƣa tự nhiên. Tầng tán rừng thƣờng ở độ cao trên 10m đủ để những hạt nƣớc đạt tới vận tốc cuối. Điều đó có nghĩa là năng lƣợng của toàn bộ những hạt nƣớc rơi xuống từ tán lá cây lớn hơn năng lƣợng của những hạt mƣa tự nhiên rơi xuống đất không có che phủ. Do vậy nếu không có lớp che phủ dƣới tán thì lƣợng xói mòn trong rừng sẽ rất lớn. Hoạt động nông nghiệp đã làm tăng lƣợng đất xói mòn lên nhiều lần so với đất có thảm thực vật tự nhiên che phủ. Hàng năm toàn thế giới ƣớc tính tổng lƣợng phù 9