Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Hiệu chỉnh, áp dụng công thức scs vμ mô hình sóng động học phơng pháp phần tử hữ...

Tài liệu Hiệu chỉnh, áp dụng công thức scs vμ mô hình sóng động học phơng pháp phần tử hữu hạn mô phỏng quá trình lũ lu vực sông vệ - trạm an chỉ

.PDF
54
228
133

Mô tả:

Môc lôc Trang Më ®Çu .............................................................................................................. 3 Ch-¬ng 1. Tæng quan m« h×nh m-a - dßng ch¶y vµ ph-¬ng ph¸p tÝnh thÊm ....... 4 1.1. Kh¸i niÖm m« h×nh to¸n thñy v¨n ............................................................................. 4 1.2. Giíi thiÖu mét sè m« h×nh m-a - dßng ch¶y ........................................................... 4 1.3. Tæng quan vÒ c¸c ph-¬ng ph¸p tÝnh thÊm ................................................................ 7 1.4. M« h×nh sãng ®éng häc ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n vµ ph-¬ng ph¸p SCS m« pháng dßng ch¶y ........................................................................................................ 18 Ch-¬ng 2. §iÒu kiÖn ®Þa lý tù nhiªn l-u vùc s«ng VÖ - tr¹m An ChØ ........................ 23 2.1. VÞ trÝ ®Þa lý .................................................................................................................... 23 2.2. §Þa h×nh ........................................................................................................................ 23 2.2. §Þa chÊt, thæ nh-ìng.................................................................................................... 23 2.4. Líp phñ thùc vËt .......................................................................................................... 26 2.5. KhÝ hËu ......................................................................................................................... 26 2.6. M¹ng l-íi s«ng suèi vµ t×nh h×nh nghiªn cøu thñy v¨n ........................................... 28 Ch-¬ng 3. Sö dông m« h×nh sãng ®éng häc mét chiÒu ®Ó hiÖu chØnh c«ng thøc tÝnh m-a hiÖu qu¶ trong SCS qua m« pháng lò s«ng VÖ – tr¹m An ChØ .............. 31 3.1. M« t¶ vµ xö lý sè liÖu ................................................................................................. 31 3.2. Ch-¬ng tr×nh tÝnh ......................................................................................................... 37 3.3. KÕt qu¶ tÝnh ................................................................................................................. 39 KÕt luËn .................................................................................................................................... 48 Tµi liÖu tham kh¶o ................................................................................................................ 49 Phô lôc ..................................................................................................................................... 51 Më ®Çu Qu¸ tr×nh h×nh thµnh lò trªn l-u vùc lµ mét qu¸ tr×nh phøc t¹p. ViÖc m« pháng lò chñ yÕu lµ m« pháng qu¸ tr×nh m-a – dßng ch¶y trªn l-u vùc vµ qu¸ tr×nh truyÒn lò trong lßng s«ng. M« pháng qu¸ tr×nh m-a dßng ch¶y cÇn lµm râ hai qu¸ tr×nh chÝnh lµ qu¸ tr×nh vËn chuyÓn n-íc trªn s-ên dèc vµ qu¸ tr×nh tæn thÊt trªn bÒ mÆt l-u vùc. Do sù h¹n chÕ vÒ nguån sè liÖu, nhÊt lµ sè liÖu mÆt ®Öm nªn tõ tr-íc ®Õn nay c¸c ph-¬ng ph¸p dù b¸o lò lôt th-êng cã ®é chÝnh x¸c kh«ng cao do kh«ng tÝnh ®Õn t¸c ®éng cña cña c¸c qu¸ tr×nh diÔn biÕn trªn bÒ mÆt l-u vùc vµ ¶nh h-ëng cña viÖc khai th¸c l-u vùc ®Õn qu¸ tr×nh dßng ch¶y trªn bÒ mÆt l-u vùc. M« h×nh phÇn tö h÷u h¹n sãng ®éng häc mét chiÒu vµ ph-¬ng ph¸p SCS ®· phÇn nµo kh¾c phôc ®-îc phÇn nµo nh-îc ®iÓm trªn do cã thÓ cËp nhËt tèt h¬n c¸c th«ng tin vÒ mÆt ®Öm. Ph-¬ng ph¸p SCS cña Côc thæ nh-ìng Hoa Kú, dïng ®Ó tÝnh m-a hiÖu qu¶ ®-îc sö dông réng r·i nhiÒu n¬i trªn thÕ giíi. Trong 30 n¨m trë l¹i ®©y, ph-¬ng ph¸p SCS ®· ®-îc mét sè nhµ nghiªn cøu sö dông bëi v× nã cho kÕt qu¶ kh¸ æn ®Þnh vµ ®¸ng tin cËy trong viÖc ®¸nh gi¸ dßng ch¶y mÆt. ViÖc thay ®æi mét sè chØ sè tÝnh to¸n tõ c«ng thøc thùc nghiÖm cña c¬ quan b¶o vÖ ®Êt Hoa Kú cho phï hîp víi thùc tÕ c¸c l-u vùc nghiªn cøu ®-îc tiÕn hµnh ë nhiÒu n¬i nh- Ên §é, Niu Di L©n, óc, Ba Lan... L-u vùc s«ng VÖ n»m trong trung t©m m-a lín nhÊt cña tØnh Qu¶ng Ng·i, diÖn tÝch l-u vùc nhá, ®é dèc lín nªn lò diÔn biÕn phøc t¹p. §èi víi nh÷ng trËn m-a lín cã thÓ x¶y ra lò quÐt ë vïng th-îng nguån, g©y thiÖt h¹i nghiªm träng. §èi víi l-u vùc s«ng VÖ, vÊn ®Ò ®Æt ra ®èi víi c«ng t¸c dù b¸o lò lµ viÖc n©ng cao ®é chÝnh x¸c vµ kÐo dµi thêi gian dù kiÕn dù b¸o mùc n-íc s«ng VÖ ®Ó phôc vô tèt c«ng t¸c phßng chèng vµ gi¶m nhÑ thiÖt h¹i do lò lôt. Trªn c¬ së thùc tiÕn ®ã, ®Ò tµi "HiÖu chØnh, ¸p dông c«ng thøc SCS vµ m« h×nh sãng ®éng häc ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n m« pháng qu¸ tr×nh lò l-u vùc s«ng VÖ tr¹m An ChØ" ®· ®-îc chän. 3 Ch-¬ng 1 Tæng quan m« h×nh m-a - dßng ch¶y vµ ph-¬ng ph¸p tÝnh thÊm 1.1. Kh¸i niÖm m« h×nh to¸n thñy v¨n M« h×nh hÖ thèng thñy v¨n cã thÓ lµ m« h×nh vËt lý hay to¸n häc. M« h×nh vËt lý lµ m« h×nh biÓu thÞ hÖ thèng thËt d-íi d¹ng thu nhá, nh- m« h×nh thñy lùc cña ®Ëp trµn. M« h×nh to¸n thñy v¨n miªu t¶ hÖ thèng thñy v¨n d-íi d¹ng to¸n häc, lµ tËp hîp c¸c ph-¬ng tr×nh to¸n, c¸c mÖnh ®Ò logic thÓ hiÖn c¸c quan hÖ gi÷a c¸c biÕn vµ c¸c th«ng sè cña m« h×nh ®Ó m« pháng hÖ thèng tù nhiªn, hay nãi c¸ch kh¸c lµ mét hÖ thèng biÕn ®æi ®Çu vµo (h×nh d¹ng, ®iÒu kiÖn biªn, c¸c lùc ...) thµnh ®Çu ra (tèc ®é ch¶y, mùc n-íc, ¸p suÊt ...). 1.2. Giíi thiÖu mét sè m« h×nh m-a - dßng ch¶y 1.2.1. M« h×nh cña Trung t©m khÝ t-îng thñy v¨n Liªn X« (HMC) [7, 8] M« h×nh nµy m« pháng qu¸ tr×nh tæn thÊt dßng ch¶y cña l-u vùc vµ sau ®ã øng dông c¸ch tiÖm cËn hÖ thèng ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y tíi mÆt c¾t cöa ra cña nã. L-îng m-a hiÖu qu¶ sinh dßng ch¶y mÆt P ®-îc tÝnh tõ ph-¬ng tr×nh: P=h-E-I trong ®ã: (1.1) h: C-êng ®é m-a trong thêi ®o¹n tÝnh to¸n (6h, 24h, ...); E: L-îng bèc tho¸t h¬i n-íc; I: C-êng ®é thÊm trung b×nh. Víi m« h×nh nµy th× do cã h¹n chÕ sö dông do liªn quan ®Õn l-îng bèc h¬i mµ sè liÖu l-îng bèc h¬i trªn c¸c l-u vùc cßn thiÕu rÊt nhiÒu vµ cã nh÷ng l-u vùc kh«ng cã ®iÒu kiÖn ®Ó ®o ®¹c. Ngoµi ra c-êng ®é thÊm trung b×nh th× th-êng ®-îc lÊy trung b×nh cho toµn l-u vùc víi thêi gian kh«ng x¸c ®Þnh nªn m« h×nh nµy còng bÞ h¹n chÕ. 1.2.2. M« h×nh SSARR [7, 10] M« h×nh SSARR do Rockwood D. x©y dùng tõ n¨m 1957, gåm 3 thµnh phÇn c¬ b¶n: - M« h×nh l-u vùc - M« h×nh ®iÒu hoµ hå chøa - M« h×nh hÖ thèng s«ng 4 Trong m« h×nh l-u vùc, ph-¬ng tr×nh c¬ b¶n cña SSARR sö dông ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y trªn l-u vùc lµ luËt liªn tôc trong ph-¬ng ph¸p tr÷ n-íc ¸p dông cho hå thiªn nhiªn trªn c¬ së ph-¬ng tr×nh c©n b»ng n-íc:  I1  I 2   O1  O 2   2  t   2  t  S 2  S1     (1.2) Ph-¬ng tr×nh l-îng tr÷ cña hå chøa lµ : dS dQ  Ts dt dt (1.3) M« h×nh SARR cho phÐp diÔn to¸n trªn toµn bé l-u vùc nh-ng bªn c¹nh ®ã m« h×nh SSARR cßn h¹n chÕ lµ chØ ¸p dông ®-îc víi nh÷ng l-u vùc kh«ng lín, vµ víi nh÷ng l-u vùc cã ®iÒu kiÖn Èm kh«ng ®ång nhÊt th× khi tÝnh to¸n sÏ cho kÕt qu¶ m« pháng kh«ng chÝnh x¸c. M« h×nh nµy kh«ng thÓ sö dông mét c¸ch trùc tiÕp ®Ó ®iÒu tra (kiÓm tra nh÷ng t¸c ®éng thñy v¨n cña viÖc thay ®æi ®Æc ®iÓm l-u vùc s«ng vÝ dô nhc¸c kiÓu th¶m thùc vËt, viÖc b¶o vÖ ®Êt vµ c¸c ho¹t ®éng qu¶n lý ®Êt t-¬ng tù kh¸c). 1.2.3. M« h×nh TANK [7, 10] M« h×nh TANK ®-îc ph¸t triÓn t¹i Trung t©m Nghiªn cøu Quèc gia vÒ phßng chèng thiªn tai t¹i Tokyo, NhËt B¶n. Theo m« h×nh nµy, l-u vùc ®-îc m« pháng b»ng chuçi c¸c bÓ chøa (TANK) theo tÇng c¸i nµy trªn c¸i kia phï hîp víi phÉu diÖn ®Êt. HÖ thøc c¬ b¶n cña m« h×nh M-a b×nh qu©n l-u vùc (P) n n i 1 i 1 P  Wi .x1 / Wi trong ®ã: (1.4) n: sè ®iÓm ®o m-a; Xi: l-îng m-a t¹i ®iÓm thø i; Wi: träng sè cña ®iÓm m-a thø i. Theo M.Sugawara Wi sÏ ®-îc trän lµ mét trong bèn sè sau: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0. Bèc h¬i l-u vùc (E) Khi XA  PS  E  0 Khi XA  PS  E  0  0,8EVT 0,75(0,8EVT  h f )  h f E   0,6EVT va XA  PS  H f  0 XA  PS (1.5) C¬ cÊu truyÒn Èm bÓ chøa trªn cïng ®-îc chia lµm hai phÇn: trªn vµ d-íi, gi÷a chóng x¶y ra sù trao ®æi Èm. Tèc ®é truyÒn Èm tõ d-íi lªn T1 vµ trªn xuèng T2 ®-îc tÝnh theo c«ng thøc: 5 XA )TB PS XS T2  TC0  (1  )TC SS T1  TB0  (1  trong ®ã: (1.6) (1.7) XS, SS: l-îng Èm thùc vµ l-îng Èm b·o hoµ phÇn d-íi bÓ A; TB o, TB, TCo, TC: c¸c th«ng sè truyÒn Èm, theo M. Sugawar chóng nhËn nh÷ng gi¸ trÞ: TB = TB0 = 3 mm/ngµy ®ªm;TC = 1mm/ngµy ®ªm; TC0 = 0,5mm/ngµy ®ªm Dßng ch¶y tõ bÓ A. L-îng n-íc ®i vµo bÓ A lµ m-a (P). Dßng ch¶y qua c¸c cöa bªn (YA1, YA2) vµ cña ®¸y (YA0) ®-îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc sau: Hf XA + P-PS (1.8) YA0 = HfA0 (1.9)  (H f  HA1 ); khi H f  HA1 YA1   khi H f  HA1 0 (1.10) Trong m« h×nh, t¸c dông ®iÒu tiÕt cña s-ên dèc ®· tù ®éng ®-îc xÐt th«ng qua c¸c bÓ chøa xÕp theo chiÒu th¼ng ®øng. Nh-ng hiÖu qu¶ cña t¸c ®éng nµy kh«ng ®ñ m¹nh vµ cã thÓ coi tæng dßng ch¶y qua c¸c cöa bªn cña bÓ YA2+YA1+YB2+YC1+YD1 chØ lµ líp cÊp n-íc t¹i mét ®iÓm. §©y lµ mét yÕu ®iÓm cña m« h×nh TANK. M« h×nh TANK t-¬ng ®èi ®¬n gi¶n, cã ý nghÜa vËt lý trùc quan, thÝch hîp víi c¸c l­u vùc võa vµ nhá nh­ng khã thÓ hiÖn sù “trÔ” cña dßng ch¶y so víi m­a. Do m« h×nh ®-îc cÊu t¹o tõ c¸c bÓ tuyÕn tÝnh, c¸c th«ng sè cöa ra trong mét sè tr-êng hîp tá ra kÐm nh¹y. 1.2.4. M« h×nh sãng ®éng häc mét chiÒu [7, 11] M« h×nh sãng ®éng häc ¸p dông cho dßng ch¶y s-ên dèc vµ lßng dÉn cã d¹ng sau: Q A  q  0 x t 1 Q  R 2 / 3S1 / 2 A  (1.11) (1.12) trong ®ã: Q: L-u l-îng dßng ch¶y s-ên dèc hoÆc trong s«ng; q: L-îng m-a sinh dßng ch¶y ®èi víi dßng ch¶y s-ên dèc vµ l-îng nhËp khu gi÷a ®èi víi lßng dÉn; A: MÆt c¾t cña dßng ch¶y trªn s-ên dèc hay lßng dÉn, S: §é dèc s-ên dèc hoÆc ®é dèc lßng s«ng. 6 ViÖc kh¶o s¸t ph-¬ng tr×nh (1.11) vµ (1.12) ®· ®-îc tiÕn hµnh trong nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu vµ rót ra kÕt luËn lµ thÝch hîp nhÊt ®èi víi dßng ch¶y s-ên dèc vµ thÝch hîp víi lßng dÉn cã ®é dèc t-¬ng ®èi lín. Mét trong c¸c c¸ch tiÖm cËn m« pháng dßng ch¶y s-ên dèc b»ng m« h×nh sãng ®éng häc mét chiÒu cã nhiÒu triÓn väng nhÊt lµ m« h×nh phÇn tö h÷u h¹n. 1.3. Tæng quan vÒ c¸c ph-¬ng ph¸p tÝnh ThÊm 1.3.1. Qu¸ tr×nh thÊm [14] ThÊm lµ qu¸ tr×nh n-íc tõ mÆt ®Êt th©m nhËp vµo trong ®Êt. Cã nhiÒu nh©n tè ¶nh h-ëng ®Õn tèc ®é thÊm bao gåm ®iÒu kiÖn trªn mÆt ®Êt vµ líp th¶m phñ thùc vËt, cã tÝnh chÊt cña ®Êt nh-: ®é rçng, ®é dÉn thñy lùc vµ hµm l-îng Èm hiÖn cã trong ®Êt. Do sù biÕn ®æi m¹nh mÏ c¸c tÝnh chÊt cña ®Êt trong kh«ng gian vµ thêi gian mçi khi cã sù thay ®æi vÒ l-îng Èm lµm cho qu¸ tr×nh thÊm trë nªn rÊt phøc t¹p ®Õn møc chØ cã thÓ m« t¶ nã mét c¸ch gÇn ®óng b»ng c¸c ph-¬ng tr×nh to¸n häc. §Æc tr-ng cho qu¸ tr×nh thÊm lµ tèc ®é thÊm f (cm/giê), lµ tèc ®é theo ®ã n-íc tõ mÆt ®Êt ®i vµo trong ®Êt. NÕu trªn mÆt ®Êt cã líp n-íc ®äng th× n-íc sÏ thÊm xuèng ®Êt theo ®é dèc thÊm tiÒm n¨ng. NÕu tèc ®é cÊp n-íc trªn mÆt ®Êt, ch¼ng h¹n cÊp n-íc bëi m-a, l¹i nhá h¬n tèc ®é thÊm tiÒm n¨ng, th× tèc ®é thÊm thùc tÕ sÏ nhá h¬n tèc ®é thÊm tiÒm n¨ng. PhÇn lín c¸c ph-¬ng tr×nh vÒ thÊm m« t¶ tèc ®é thÊm tiÒm n¨ng. L-îng thÊm luü tÝch F lµ ®é s©u céng dån cña n-íc thÊm trong mét thêi kú ®· cho vµ b»ng tÝch ph©n cña tèc ®é thÊm trªn thêi kú ®ã: 1 F (t )   f ( )d (1.13) 0 trong ®ã  lµ mét biÕn h×nh thøc cña thêi gian dïng trong tÝch ph©n. BiÕn ®æi ng-îc l¹i ta cã: f (t )  dF (t ) dt (1.14) 1.3.2. C¸c ph-¬ng tr×nh thÊm [14] C¬ së dùa vµo ph-¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn dßng kh«ng æn ®Þnh cña Richard mét chiÒu:     (D  K) t z z trong ®ã: (1.15) K: hÖ sè thÊm Darcy; D = K/ lµ ®é khuÕch t¸n n-íc trong ®Êt; : biÕn ®æi cña cét n-íc mao dÉn; : hµm l-îng Èm. 7 Ph-¬ng tr×nh Horton Ph-¬ng tr×nh thÊm do Horton thiÕt lËp n¨m 1933 vµ øng dông n¨m 1939. Horton nhËn xÐt r»ng qu¸ tr×nh thÊm b¾t ®Çu tõ mét tèc ®é thÊm f0 nµo ®ã, sau ®ã gi¶m dÇn theo quy luËt hµm sè mò cho ®Õn khi ®¹t tíi mét gi¸ trÞ kh«ng ®æi fc: f (t )  f 0  ( f 0  f c )e  kt trong ®ã: (1.16) k: h»ng sè ph©n r· cã thø nguyªn [T-1]; t: thêi gian ph©n r·. Ph-¬ng tr×nh Phillip Phillip (1957 -1969) ®· gi¶i ph-¬ng tr×nh Richard d-íi c¸c ®iÒu kiÖn chÆt chÏ b»ng c¸ch thõa nhËn K vµ D cã thÓ biÕn ®æi theo hµm l-îng Èm . ¤ng dïng phÐp biÕn ®æi Boltzmann lµ: B() = zt-1/2 ®Ó chuyÓn ®æi ph-¬ng tr×nh (1.15) thµnh ph-¬ng tr×nh vi ph©n ®¹o hµm th-êng theo B vµ gi¶i ph-¬ng tr×nh ®Ó thu ®-îc mét chuçi v« h¹n l-îng Èm luü tÝch F(t), chuçi nµy ®-îc biÓu thÞ gÇn ®óng bëi ph-¬ng tr×nh: F (t )  St 1 / 2  Kt (1.17) trong ®ã S lµ mét th«ng sè phô thuéc vµo thÕ mao dÉn cña ®Êt vµ ®é dÉn thñy lùc K. Vi ph©n ph-¬ng tr×nh (1.17) ta ®-îc: f (t )  1 1 / 2 St K 2 (1.18) Ph-¬ng tr×nh Green-Ampt Ph-¬ng ph¸p cña Green-Ampt x©y dùng trªn c¬ së lÝ thuyÕt vËt lÝ Ýt chÆt chÏ h¬n so víi Horton vµ Phillip nh-ng cho nghiÖm gi¶i tÝch chÝnh x¸c h¬n. N¨m 1911 Green vµ Ampt ®· ®Ò nghÞ bøc tranh gi¶n ho¸ vÒ thÊm nh- minh ho¹ trong. C¬ së ph-¬ng ph¸p lµ dùa vµo ph-¬ng tr×nh liªn tôc vµ ph-¬ng tr×nh ®éng l-îng. víi  =  - i F (t )  L(   i )  L trong ®ã: (1.19) L: ®é s©u; i: hµm l-îng Èm ban ®Çu; F: ®é s©u luü tÝch cña n-íc thÊm vµo trong ®Êt; L( - i): diÖn tÝch mÆt c¾t ngang. Tõ ®ã rót ra ph-¬ng tr×nh Green-Ampt ®èi víi ®é s©u thÊm tÝch lòy: F (t )  K   ln(1  F (t ) )  (1.20) Ph-¬ng tr×nh Darcy §Þnh luËt c¬ b¶n vÒ thÊm ®-îc biÓu diÔn b»ng ph-¬ng tr×nh vËn tèc thÊm: v = kI hoÆc b»ng ph-¬ng tr×nh l-u l-îng: 8 (1.21) Q  KI trong ®ã: (1.22) v: vËn tèc thÊm (m/s); Q: l-u l-îng thÊm (m3/s);  : diÖn tÝch toµn phÇn mÆt c¾t ngang cña dßng n-íc ngÇm, kÓ c¶ diÖn tÝch mµ nh÷ng h¹t ®Êt chiÕm chç; I: ®é dèc thñy lùc b»ng H/L (H: tæn thÊt cét n-íc trªn ®o¹n ®-êng thÊm L); K: hÖ sè thÊm (m/s). Dßng thÊm trong ®Þnh luËt Darcy lµ dßng ®Òu, æn ®Þnh ë tr¹ng th¸i ch¶y tÇng. Nh- vËy, nÕu chuyÓn ®éng cña dßng thÊm lµ ch¶y rèi th× nã sÏ kh«ng tu©n theo ®Þnh luËt nµy n÷a. Ph-¬ng ph¸p SCS [14] C¬ quan b¶o vÖ thæ nh-ìng Hoa Kú (1972) ®· ph¸t triÓn mét ph-¬ng ph¸p ®Ó tÝnh tæn thÊt dßng ch¶y tõ m-a rµo (gäi lµ ph-¬ng ph¸p SCS). Ta ®· thÊy, trong mét trËn m-a rµo, ®é s©u m-a hiÖu dông hay ®é s©u dßng ch¶y trùc tiÕp Pe kh«ng bao giê v-ît qu¸ ®é s©u m-a P. T-¬ng tù nh- vËy, sau khi qu¸ tr×nh dßng ch¶y b¾t ®Çu, ®é s©u n-íc bÞ cÇm gi÷ tiÒm n¨ng tèi ®a nµo ®ã, S (h×nh 1.1). Ta cßn cã mét l-îng m-a Ia bÞ tæn thÊt nªn kh«ng sinh dßng ch¶y, ®ã lµ l-îng tæn thÊt ban ®Çu tr-íc thêi ®iÓm sinh n-íc ®ßn trªn bÒ mÆt l-u vùc. Do ®ã, ta cã l-îng dßng ch¶y tiÒm n¨ng lµ P-Ia. Trong ®ã ph-¬ng ph¸p SCS, ng-êi ta gi¶ thiÕt r»ng tØ sè gi÷a hai ®¹i l-îng cã thùc Pe vµ Fa th× b»ng víi tØ sè gi÷a hai ®¹i l-îng tiÒm n¨ng P-Ia vµ S. VËy ta cã: Fa Pe  S P  Ia (1.23) P  Pe  I a  Fa (1.24) Tõ nguyªn lý liªn tôc, ta cã: KÕt hîp (1.23) vµ (1.24) ®Ó gi¶i Pe: Pe  (P  I a ) 2 P  Ia  S (1.25) §ã lµ ph-¬ng tr×nh c¬ b¶n cña ph-¬ng ph¸p SCS ®Ó tÝnh ®é s©u m-a hiÖu dông hay dßng ch¶y trùc tiÕp tõ mét trËn m-a rµo. Víi: Ia - ®é s©u tæn thÊt ban ®Çu, Pe - ®é s©u m-a hiÖu dông, Fa - ®é s©u thÊm liªn tôc, P – tæng ®é s©u m-a. Qua nghiªn cøu c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm trªn nhiÒu l-u vùc nhá, ng-êi ta ®· x©y dùng ®-îc quan hÖ kinh nghiÖm: I a  0,2S 9 (1.26) H×nh 1.1. C¸c biÕn sè cña tæn thÊt dßng ch¶y trong ph-¬ng ph¸p SCS. [14] 1.3.3. Ph¸t triÓn ph-¬ng ph¸p SCS Trªn nh÷ng c¬ së lý thuyÕt cña VenteChow [14] thÊy r»ng: Pe  ( P  0,2S ) 2 P  0,8S (1.27) LËp ®å thÞ quan hÖ gi÷a P vµ Pe b»ng c¸c sè liÖu cña nhiÒu l-u vùc, ng-êi ta ®· t×m ra ®-îc hä c¸c ®-êng cong nµy, ng-êi ta sö dông sè liÖu cña ®-êng cong, CN lµm th«ng sè. §ã lµ mét sè kh«ng thø nguyªn, lÊy gi¸ trÞ trong kho¶ng 0 ≤ CN≤ 100. §èi víi c¸c mÆt kh«ng thÊm hoÆc mÆt n-íc, CN = 100; ®èi víi c¸c mÆt tù nhiªn, CN < 100. Sè hiÖu cña ®-êng cong vµ S liªn hÖ víi nhau qua ph-¬ng tr×nh: S 1000  10 CN (1.28) trong ®ã S ®-îc ®o b»ng inche. §é Èm cña ®Êt tr-íc trËn m-a ®ang xÐt ®-îc gäi lµ ®é Èm thêi k× tr-íc. §é Èm nµy ®-îc ph©n chia thµnh ba nhãm: ®é Èm thêi k× tr-íc trong ®iÒu kiÖn b×nh th-êng (kÝ hiÖu lµ AMC II), trong ®iÒu kiÖn kh« (AMC I) vµ trong ®iÒu kiÖn -ít (AMC III). Tiªu chuÈn ®Ó ph©n lo¹i c¸c ®iÒu kiÖn nµy ®-îc giíi thiÖu trong b¶ng 1.1. §èi víi ®iÒu kiÖn kh« (AMC I) hoÆc ®iÒu kiÖn -ít (AMC III), c¸c sè liÖu ®-êng cong t-¬ng ®-¬ng cã thÓ ®-îc suy ra nh- sau: CN ( I )  vµ CN ( III )  4,2CN ( II ) 10  0,0568CN ( II ) (1.29) 23CN ( II ) 10  0,13CN ( II ) (1.30) Cho tíi ®©y, ta míi chØ tÝnh ®-îc ®é s©u m-a hiÖu dông hay ®é s©u dßng ch¶y trùc tiÕp trong mét trËn m-a rµo. B»ng c¸ch më réng ph-¬ng ph¸p trªn, ta cã thÓ t×m 10 ®-îc ph©n bè theo thêi gian cña tæn thÊt dßng ch¶y. Gi¶i c¸c ph-¬ng tr×nh (1.23) vµ (1.24) cho Fa, ta cã: Fa  S (P  I a ) P  Ia  S P ≥ Ia (1.31) B¶ng 1.1. Ph©n lo¹i c¸c nhãm ®é ¶m thêi k× tr-íc (AMC) trong tÝnh to¸n l-îng tæn thÊt dßng ch¶y cña ph-¬ng ph¸p SCS. Nhãm AMC Tæng l-îng m-a 5 ngµy tr-íc (in) Mïa kh«ng ho¹t ®éng Mïa sinh tr-ëng I Nhá h¬n 0,5 Nhá h¬n 1,4 II 0,5 to 1,1 1,4 to 2,1 III Trªn 1,1 Trªn 2,1 LÊy vi ph©n vµ nhËn xÐt r»ng Ia vµ S ®Òu lµ h»ng sè: dFa S 2 dP / dt  dt (P  I a  S ) 2 (1.32) Khi P→∞, (dFa/dt) →0 nh- yªu cÇu, nh-ng sù cã mÆt cña dP/dt (c-êng ®é m-a) ë tö sè vÓ ph¶i cã nghÜa lµ khi c-êng ®é m-a t¨ng th× tèc ®é cÇm gi÷ n-íc bªn trong l-u vùc còng cã xu h-íng t¨ng. TÝnh chÊt nµy cña ph-¬ng ph¸p SCS cã lÏ cßn thiÕu mét c¬ së vËt lý v÷ng ch¾c (Morel – Seytoux vµ Verdin, 1981). Trong tÝnh to¸n ¸p dông, l-îng tæn thÊt lòy tÝch vµ m-a hiÖu dông cã thÓ ®-îc x¸c ®Þnh hoÆc tõ ph-¬ng tr×nh (1.31) hoÆc tõ (1.32). Ph-¬ng ph¸p SCS [23] yªu cÇu sè liÖu t-¬ng tù trong ph-¬ng ph¸p Rational: diÖn tÝch tho¸t n-íc, yÕu tè dßng n-íc, thêi gian tËp trung vµ l-îng m-a. Tuy nhiªn ph-¬ng ph¸p SCS phøc t¹p h¬n ë chç nã cßn xÐt ®Õn sù ph©n bè l-îng m-a vÒ mÆt thêi gian, l-îng m-a bÞ chÆn l¹i trong nh÷ng hè n-íc, vµ tû lÖ thÊm gi¶m ®i trong suèt mét trËn b·o. Mét øng dông ®Æc tr-ng cña ph-¬ng ph¸p SCS gåm nh÷ng b-íc c¬ b¶n sau: 1. X¸c ®Þnh sè CN thÓ hiÖn viÖc sö dông ®Êt kh¸c nhau trong vïng tho¸t n-íc. 2. TÝnh thêi gian tõ khi n-íc tËp trung tíi thêi ®iÓm nghiªn cøu. 3. Sö dông c¸ch ph©n bè l-îng n-íc m-a lo¹i II, x¸c ®Þnh ®-îc l-îng m-a tæng vµ l-îng m-a thùc. 4. Sö dông ph-¬ng ph¸p ®å thÞ thñy v¨n, cã thÓ vÏ ®-îc ®å thÞ cña dßng ch¶y mÆt trùc tiÕp tõ l-u vùc. 11 Ph-¬ng ph¸p SCS cã thÓ ®-îc sö dông ®Ó võa -íc l-îng ®-îc ®Ønh lò võa ®Ó t¹o ra nh÷ng ®å thÞ vÏ l¹i qu¸ tr×nh lò. Ph-¬ng ph¸p chia l-íi phÇn tö gi¶n l-îc cã thÓ ®-îc ¸p dông cho nh÷ng khu vùc tho¸t n-íc cã diÖn tÝch tíi 2000 mÉu. V× vËy, ph-¬ng ph¸p SCS cã thÓ ¸p dông ®-îc cho hÇu hÕt c¸c kiÓu øng dông, bao gåm nh÷ng c«ng tr×nh gi÷ n-íc vµ tho¸t n-íc, nh÷ng hÖ thèng tho¸t lò, nh÷ng cèng ngÇm, nh÷ng r·nh tho¸t n-íc nhá, nh÷ng dßng kªnh. ViÖc tÝnh to¸n l-îng dßng ch¶y mÆt vµ ®Ønh tØ lÖ ch¶y ra víi nh÷ng l-u vùc tho¸t n-íc nhá (lo¹i nhá h¬n 200 mÉu) ®Êt sö dông ®ång nhÊt, cã thÓ m« t¶ bëi mét gi¸ trÞ CN ®¬n lÎ. C«ng thøc ®Ønh tho¸t n-íc: Q p  q u AQFp trong ®ã: (1.33) Qp: ®Ønh tho¸t n-íc (cfs); qu: ®¬n vÞ ®Ønh tho¸t n-íc (cfs/mi2/in); A: diÖn tÝch tho¸t n-íc (mi2); Q: dßng ch¶y mÆt; Fq: hÖ sè ®iÒu chØnh cña ao vµ ®Çm. Nh÷ng ®Æc ®iÓm tù nhiªn chÝnh cña l-u vùc lµm thay ®æi mèi quan hÖ gi÷a m-a vµ dßng ch¶y mÆt ®ã lµ viÖc sö dông ®Êt, lo¹i ®Êt, ®é dèc. Ph-¬ng ph¸p SCS sö dông sù kÕt hîp gi÷a ®iÒu kiÖn ®Êt vµ ®Êt sö dông ®Ó chia hÖ sè dßng ch¶y mÆt thµnh c¸c vïng. HÖ sè dßng ch¶y mÆt ®-îc gäi lµ sè CN, nã cho biÕt tiÒm n¨ng mét vïng ®Êt. Sè CN cµng cao th× tiÒm n¨ng cµng cao. §Æc ®iÓm cña ®Êt ¶nh h-ëng mèi liªn quan gi÷a m-a vµ dßng ch¶y mÆt tõ lóc cã tØ lÖ thÊm kh¸c nhau. Dùa trªn c¬ së cña tØ lÖ thÊm, SCS chia ®Êt thµnh 4 nhãm ®Êt thñy v¨n. Nhãm A: ®Êt cã l-îng dßng ch¶y mÆt tiÒm n¨ng thÊp víi tèc ®é thÊm cao. Lo¹i ®Êt nµy gåm ®Êt tÇng s©u, c¸t tho¸t n-íc tèt vµ sái. Nhãm B: ®Êt cã l-îng dßng ch¶y mÆt tiÒm n¨ng trung b×nh thÊp víi tèc ®é thÊm trung b×nh. Lo¹i ®Êt nµy gåm ®Êt tÇng trung b×nh s©u ®Õn tÇng s©u, ®Êt tho¸t n-íc kh¸ ®Õn tho¸t n-íc tèt tõ ®Êt t-¬ng ®èi mÞn ®Õn ®Êt t-¬ng ®èi th«. Nhãm C: ®Êt cã l-îng dßng ch¶y mÆt tiÒm n¨ng kh¸ cao víi tèc ®é thÊm chËm. Lo¹i ®Êt nµy lµ ®Êt t-¬ng ®èi mÞn ®Õn mÞn hoÆc líp ®Êt tån t¹i gÇn bÒ mÆt ng¨n c¶n n-íc thÊm xuèng. Nhãm D: ®Êt cã l-îng dßng ch¶y mÆt tiÒm n¨ng cao víi tèc ®é thÊm rÊt chËm. Lo¹i ®Êt nµy gåm ®Êt mïn pha sÐt, ®Êt sÐt gÇn bÒ mÆt vµ ®Êt ë vïng c¹n kh«ng thÊm cã nguån gèc h÷u c¬. Ta cã thÓ tÝnh ®-îc sè CN nÕu biÕt l-îng m-a vµ l-îng dßng ch¶y mÆt: CN  1000 10  5P  10Q  10(Q 2  1.25QP)1 / 2 12 (1.34) Trong 30 n¨m trë l¹i ®©y, ph-¬ng ph¸p SCS ®· ®-îc mét sè nhµ nghiªn cøu sö dông bëi v× nã cho kÕt qu¶ kh¸ æn ®Þnh vµ ®¸ng tin cËy trong viÖc ®¸nh gi¸ dßng ch¶y mÆt. Bofu Yu [17] cho r»ng, kh¶ n¨ng thÊm biÕn ®æi trong kh«ng gian ph©n bè theo hµm sè mò, tèc ®é m-a biÕn ®æi theo thêi gian còng ph©n bè theo hµm sè mò. C¬ së lý luËn cña ph-¬ng ph¸p SCS cho phÐp x¸c nhËn tÝnh hîp lý cña nã víi viÖc nghiªn cøu c-êng ®é m-a vµ kh¶ n¨ng thÊm thùc tÕ biÕn ®æi theo thêi gian vµ kh«ng gian nh- thÕ nµo mét c¸ch riªng biÖt. TÝnh ®-îc tæng l-îng m-a v-ît qu¸ giíi h¹n trong mçi trËn m-a rµo: RT  trong ®ã: ( pT ) 2 pT  IT (1.35) p : tèc ®é m-a b×nh qu©n; I : tèc ®é thÊm b×nh qu©n; R : tèc ®é v-ît qu¸ giíi h¹n trung b×nh trªn toµn l-u vùc; T: kho¶ng thêi gian m-a rµo. Tæng l-îng m-a v-ît qu¸ giíi h¹n RT còng gièng nh- dßng ch¶y m-a rµo Q trong mçi trËn m-a riªng lÎ; pT gièng nh- Pc, nÕu p quan hÖ víi tèc ®é m-a trung b×nh sau khi dßng ch¶y b¾t ®Çu; vµ IT cã thÓ ®-îc hiÓu nh- l-îng cÇm gi÷ tiÒm n¨ng S, hay t-¬ng ®-¬ng víi CN, bëi v× IT lµ l-îng thÊm tèi ®a cã thÓ t×m thÊy trong kho¶ng thêi gian dßng ch¶y. Tõ ®ã cã thÓ më réng cho c¶ c-êng ®é m-a trung b×nh vµ kh¶ n¨ng thÊm: Q F p   Pe S pI (1.36) §èi víi l-u vùc kh«ng thÊm víi kh¶ n¨ng thÊm lµ b»ng kh«ng, dßng ch¶y m-a rµo c©n b»ng víi l-îng m-a hiÖu qu¶. Khi c-êng ®é m-a t¨ng dÇn, dßng ch¶y m-a rµo còng t¨ng víi kh¶ n¨ng thÊm b×nh qu©n nhÊt ®Þnh. ViÖc sö dông phæ biÕn vµ cã hiÖu qu¶ cña ph-¬ng ph¸p SCS trªn nhiÒu l-u vùc nhá ë vïng n«ng th«n vµ thµnh phè lµm n¶y sinh ®Ó xuÊt r»ng sù biÕn ®æi cña tèc ®é m-a theo thêi gian vµ cña tèc ®é thÊm theo kh«ng gian lµ quan träng nhÊt ®èi víi nh÷ng l-u vùc nhá vµ nh÷ng dßng ch¶y riªng lÎ. Tammo [26] cho r»ng, m-a r¬i trªn ®Êt ch-a b·o hoµ thÊm vµo vµ lµm t¨ng thÓ tÝch Èm -ít tíi tËn khi mÆt c¾t trë nªn b·o hoµ, sau ®ã m-a tiÕp tôc thªm vµo t¹o thµnh dßng ch¶y bÒ mÆt. Tõ ®ã mét khu vùc kh¸c ®ãng gãp hoÆc kh«ng d-íi gi¶ thiÕt nµy, trong suèt chu kú thêi gian ng¾n phÇn diÖn tÝch thªm vµo cña l-u vùc ®ãng gãp cho dßng ch¶y cã thÓ ®-îc biÓu diÔn d-íi d¹ng to¸n häc nh- sau: 13 Af  trong ®ã: Q P (1.37) Q : sù t¨ng dßng ch¶y hay chÝnh x¸c h¬n lµ thÓ tÝch l-îng m-a v-ît sinh ra trong suèt thêi ®o¹n ph©n chia cho tÊt c¶ diÖn tÝch l-u vùc; P : sù t¨ng chiÒu dµy gi¸ng thñy trong thêi ®o¹n t-¬ng tù. Pe2 Q Pe  S (1.38) V× Ia lµ tæng l-îng n-íc quy ®Þnh cho dßng ch¶y b¾t ®Çu, trong c¸c sè h¹ng thñy v¨n vÒ thay ®æi – nguån – diÖn tÝch, Ia lµ nh- nhau ®Ó tæng l-îng n-íc ®ã cã thÓ thÊm vµo trø¬c khi ®ñ ®é b·o hoµ trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch cho nh÷ng chç ®Êt t¹o ra dßng ch¶y ®Çu tiªn. Do ®ã, mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n ®Ó x¸c ®Þnh tæn thÊt ban ®Çu khi qu¸ tr×nh thay ®æi nguån chiÕm -u thÕ h¬n c¸ch sö dông Ia = 0.2S thùc sù bëi viÖc sö dông mét m« h×nh c©n b»ng n-íc cho ®Êt víi l-îng n-íc hiÖu qu¶ nhá nhÊt. Tõ ®ã ta cã thÓ tÝnh ®-îc phÇn tæn thÊt tõ l-u vùc: Q  Pe  S  S2 Pe  S (1.39) ViÖc x©y dùng nh÷ng yÕu tè kÜ thuËt cho viÖc t¨ng nguån n-íc nh- hÖ thèng c¸c con ®ª, ®Ëp, nh÷ng c«ng tr×nh ®ßi hái ph¶i sö dông nh÷ng ph-¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nh-ng chÝnh x¸c, do vËy sö dông ph-¬ng ph¸p SCS lµ mét trong c¸c gi¶i ph¸p tèi -u. Ngoµi c¸c øng dông c¬ b¶n, nã cßn ®-îc sö dông trong nh÷ng m« h×nh thñy lîi kh¸c nhau, vÝ dô nh- m« h×nh SEGMO, ®Ó tÝnh ¶nh h-ëng lín nhÊt do trËn m-a b·o g©y ra. SÏ kh«ng thÓ sö dông ®-îc ph-¬ng ph¸p SCS trªn mét qui m« räng lín ë c¸c khu rõng Ba Lan nÕu kh«ng më réng ph¹m vi tham sè CN hoÆc kh«ng thiÕt kÕ ®-îc nh÷ng b¶n ®å rõng m« t¶ kh¶ n¨ng thÊm cña bèn nhãm ®Êt A, B, C, D trong ph-¬ng ph¸p nµy. Do ®ã ViÖn nghiªn cøu rõng Vac-sa-va [15] ®· nghiªn cøu vµ t×m ra nh÷ng gi¸ trÞ CN míi phï hîp víi ®iÒu kiÖn rõng Ba Lan, cô thÓ lµ rõng Kozienice. Nh÷ng sè liÖu gi¸m s¸t rõng ®-îc sö dông ®Ó vÏ c¸c b¶n ®å dµnh cho nh÷ng khu rõng vµ nh÷ng b¶n ®å ®Êt tõ nh÷ng kÕ ho¹ch qu¶n lý ®Êt. §¬n vÞ thñy v¨n SCS bao gåm viÖc x¸c ®Þnh l-îng n-íc tõ nh÷ng trËn b·o, dùa trªn thêi gian tËp trung vµ dßng ch¶y mÆt. Dïng c¸c täa ®é thñy ®å trong mét m« h×nh kh«ng kÝch th-íc ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®-îc mét biÓu ®å lò. Kh¸i niÖm SCS ®-îc ®-a ra trong m« h×nh SEGMO. ë ®©y víi viÖc l-îng n-íc thùc chuyÓn thµn dßng ch¶y mÆt nh÷ng m« h×nh kh¸i niÖm cña Nash vµ Wackerman ®· ®-îc sö dông. X¸c ®Þnh thêi gian tËp trung kh«ng g©y khã kh¨n g× bëi v× cã rÊt nhiÒu c«ng thøc cã thÓ sö dông ®-îc 14 dÔ dµng. Tuy nhiªn, viÖc tÝnh to¸n dßng ch¶y mÆt l¹i lµ mét vÊn ®Ò khã kh¨n h¬n nhiÒu, ®Æc biÖt lµ trªn nh÷ng diÖn tÝch rõng n¬i cÇn ph¶ co nh÷ng gi¸ trÞ CN t-¬ng øng. Theo ph-¬ng ph¸p c¬ b¶n dßng ch¶y mÆt ®-îc x¸c ®Þnh b»ng l-îng m-a thùc tÕ song trong m« h×nh SEGMO l-îng m-a thùc tÕ l¹i ®-îc chuyÓn thµnh dßng ch¶y trªn nÒn t¶ng cña nh÷ng m« h×nh kh¸i niÖm. L-îng m-a thøc tÕ (dßng ch¶y mÆt) ®-îc thÓ hiÖn trong c«ng thøc sau: 0 khi Pj-0.2S≤0; Pj-0.2S>0   Pj  0.2S Hj    P j 0.8S (1.40) víi S lµ kh¶ n¨ng gi÷ n-íc tèi ®a ®-îc x¸c ®Þnh nhê sè CN tÝnh theo c«ng thøc: CN  trong ®ã: 1000 S 10  25.4 (1.41) Pj: tæng l-îng m-a; Sè CN thÓ hiÖn kh¶ n¨ng thÊm phô thuéc vµ bÒ mÆt ®Þa h×nh vµ lo¹i ®Êt A, B, C, D. Sè l-îng c¸c nhãm ®Êt ë mét sè bang Mü (nh- bang Indiana) ®-îc më réng (A-1, A-2, B-1, B-2, B-3, C-1, C-2, C-3, D-1 vµ D-2). MÆc dï ®-îc sö dông réng r·i, nh-ng ph-¬ng tr×nh SCS bÞ lµm gi¶m gi¸ trÞ ®i rÊt nhiÒu bëi nhiÒu nhµ thñy v¨n häc v× sù nhËn thøc lÝ thuyÕt thiÕu chÝnh x¸c cña nã. ë Utah, ng-êi ®· liªn kÕt sè ®-êng cong SCS víi diÖn tÝch b·o hoµ côc bé; ®· t×m thÊy r»ng viÖc sö dông Ia = 0.2S cho tæn thÊt ban ®Çu kh«ng t¹o ra kÕt qu¶ tèt trong viÖc dù b¸o dßng mÆt trõ khi S phô thuéc vµo tæng l-îng m-a. Ashish Pandey cïng c¸c céng sù [16] x¸c ®Þnh dßng ch¶y mÆt cho l-u vùc Karso sö dông HÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (GIS) vµ m« h×nh SCS. trong ®ã: S 25400  254 CN Q ( P  0.3S ) ( P  0.7 S ) (1.42) 2 (1.43) Q lµ ®é s©u dßng ch¶y mÆt (mm); P: l-îng m-a (mm); S: kh¶ n¨ng håi phôc tèi ®a cña l-u vùc sau 5 ngµy m-a; Ia = 0.3S ®é s©u tæn thÊt ban ®Çu (mm) (gi¸ trÞ cña Ia ®-îc sö dông øng víi l-u vùc Karso); CN: sè cong CN, cã thÓ tÝnh ®-îc sè cong CN nµy tõ c«ng thøc: CN   CN xA i A víi: A lµ tæng diÖn tÝch l-u vùc. 15 i (1.44) §é lÖch tèi ®a vµ tèi thiÓu ®-îc quan s¸t t-¬ng øng lµ 28.33% vµ 3.27%, n»m trong giíi h¹n cho phÐp. Ph-¬ng ph¸p nµy cã thÓ ®-îc ¸p dông cho c¸c l-u vùc kh¸c ë Ên ®é. KÕt hîp víi viÖc sö dông b¶n ®å sö dông ®Êt, b¶n ®å diÖn tÝch ®Êt bao phñ vµ b¶n ®å c¸c lo¹i ®Êt ®· ®îc ph©n c¾t b»ng phÇn mÒm ARC/Info ®Ó lùa chän c¸c gi¸ trÞ CN øng víi c¸c ®iÒu kiÖn AMC II, AMC I vµ AMC III. Thay CN vµo ph-¬ng tr×nh (1.42), ta tÝnh ®-îc kh¶ n¨ng håi phôc cña S. Dßng ch¶y mÆt trùc tiÕp cña l-u vùc cã thÓ ®-îc tÝnh tõ c«ng thøc (1.43). B»ng viÖc ph©n c¸ch b¶n ®å dông ®Êt vµ b¶n ®å c¸c lo¹i ®Êt, sè hiÖu ®-êng cong nµy ®-îc g¸n cho mçi tæ hîp gi÷a viÖc sö dông ®Êt vµ kiÓu ®Êt. §Ó c«ng nhËn ®Çu ra cña m« h×nh SCS, dßng ch¶y mÆt tÝnh to¸n ®-îc ®em so s¸nh víi dßng ch¶y mÆt ®o d¹c trong bèn mïa m-a. §é lÖch tèi ®a vµ tèi thiÓu ®-îc quan s¸t t-¬ng øng lµ 28.33 vµ 3.27%, n»m trong giíi h¹n cho phÐp. Ph-¬ng ph¸p SCS ®-îc sö dông ®Ó hiÖu chØnh c¸c th«ng sè vµ tÝnh to¸n sè liÖu ®Çu vµo cho c¸c m« h×nh thñy v¨n. Lashman Nandagiri [22] triÓn khai vµ ¸p dông ph-¬ng ph¸p SCS vµo m« h×nh KREC t¹i l-u vùc s«ng Gurpurg – huyÖn Dakshina Kannada – bang Karnataka – Ên ®é. M« h×nh nµy lÊy sè liÖu ®Çu vµo lµ m-a vµ l-îng bèc h¬i trùc tiÕp tõ bÒ mÆt l-u vùc ®Ó dù b¸o dßng ch¶y bÒ mÆt. KÕt qu¶ tèt vµ cho ®é chÝnh x¸c cao. Trong thùc tÕ, ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n dßng ch¶y, ng-êi ta th-êng sö dông ph-¬ng tr×nh dßng ch¶y: Q F  Pe S hay Q  Pe Pe  S (1.45) Do hÖ thèng sè liÖu KTTV lµ rÊt th-a thít, r¶i r¸c nªn dÉn ®Õn th«ng tin nghÌo nµn, ®iÒu nµy ®· ®-îc xem xÐt vµ kh¾c phôc b»ng viÖc sö dông sè liÖu mét c¸ch khoa häc. NhiÒu n¨m gÇn ®©y ®iÒu nµy ®· ®-îc thùc hiÖn, mét sè ®Ò suÊt ®· ®-îc ®-a vµo bæ sung cho sè liÖu ë quy m« kh«ng gian vµ thêi gian t-¬ng øng ®Ó øng dông vµo c¸c m« h×nh thñy v¨n cho hîp lÝ. Trong nhiÒu tr-êng hîp ¸p dông cho l-u vùc nµy th× ®óng nh-ng cho l-u vùc kh¸c th× l¹i sai, do vËy cÇn ph¶i t¹o ra ph-¬ng ph¸p míi ®Ó cã thÓ ngo¹i suy tõ nh÷ng sè liÖu s½n cã theo c¶ kh«ng gian vµ thêi gian. Do vËy vÊn ®Ò dù b¸o dßng ch¶y cho nh÷ng l-u vùc hë lµ môc ®Ých cña Lashman Nandagiri [22]. Trong ®ã ®Ò cËp tíi viÖc sö dông m« h×nh thñy v¨n ®¸nh gi¸ dßng ch¶y ®· ®-a vµo m« h×nh: + Th«ng sè tèi -u ho¸ m« h×nh c©n b»ng n-íc trªn ph¹m vi l-u vùc. + ViÖc thùc hiÖn vµ kiÓm tra m« h×nh vËt lÝ vÒ c©n b»ng n-íc. 16 + ViÖc thö nghiÖm c¸c c¸ch kh¸c nhau ®Ó ghi l¹i diÔn biÕn dßng ch¶y råi hiÖu chØnh nh÷ng m« h×nh thñy v¨n. Mét m« h×nh hoµn chØnh yªu cÇu cÇn ®¸nh gi¸ sù ph©n bè theo kh«ng gian vµ thêi gian cña tÊt c¶ c¸c th«ng sè nguån n-íc. Trong suèt vµi thËp kØ l¹i ®©y, nh÷ng kÜ s- vµ c¸c nhµ nghiªn cøu ®· thÓ hiÖn sù tËp trung vµo vÊn ®Ò ¸p dông c¸c c«ng nghÖ th«ng tin ®Þa lÝ GIS vµ vÖ tinh c¶m quang tõ xa ®Ó trÝch ra nh÷ng th«ng sè bÒ mÆt ®Êt, n¬i mµ tån t¹i nh- lµ b-íc ®Çu tiÕp cËn hîp lÝ míi ®©y trong c¸c m« h×nh thñy v¨n. Víi nh÷ng tiÕn bé kÜ thuËt c«ng nghÖ m¸y tÝnh: GIS vµ RS trë thµnh c«ng cô h÷u hiÖu ®Ó tæ hîp kh«ng gian vµ phi kh«ng gian lµm c¬ së d÷ liÖu cho m« h×nh thñy v¨n. Chandana Gangodagamage [18] ph¸t triÓn ph-¬ng ph¸p ®-êng thñy v¨n Mikingum cho l-u vùc s«ng Bata lµ phô l-u cña l-u vùc s«ng Yamuta cña Ên ®é. B¶n ®å thñy v¨n ®¬n vÞ, ®-êng dßng lµ c¬ së t¹o thµnh m« h×nh chÝnh thèng. ILWIS, ERDAS, vµ b¶n ®å AutoCad ®· ®-îc sö dông. Sö dông vÖ tinh RS vµ GIS ®¸nh gi¸ sù biÕn ®æi vÒ mÆt kh«ng gian c¸c yÕu tè thñy lùc, sö dông lµm ®Çu vµo cña m« h×nh. B¶n ®å cña Ên ®é (IOI) c¸c b¶n ®å ph©n tÝch, tr-êng sè liÖu , IRS LISS, sè liÖu nhanh nh¹y cña vÖ tinh mïa kh« vµ mïa m-a vµ d÷ liÖu IRS ®· ®-îc sö dông, sè CN vµ ph-¬ng ph¸p b¶n ®å ®¬n vÞ ®· ®-îc sö dông ®Ó ®-a vµo vµ sù tæng hîp cña c¸c quan hÖ b¶n ®å ®¬n vÞ, l-u vùc hîp thµnh ®iÒu kiÖn chia lµm 10 khu vùc, n¬i mµ b¶n ®å thñy v¨n ®-îc tæng hîp bëi ®-êng ®-êng ph©n chia b¶n ®å thñy v¨n däc theo chiÒu dµi cña s«ng. Dù b¸o ®Çu ra ®· ®-îc thùc hiÖn thµnh c«ng ®-êng ph©n giíi tèt nh- lµ diÖn tÝch ngµm. Dù b¸o ®Çu ra vµ m« pháng viÖc sö dông sè cong SCS. Ph-¬ng ph¸p SCS bao gåm sù m« t¶ quan hÖ ®Êt bao phñ (kiÓu bao phñ, ®Êt dïng vµ ®iÒu kiÖn thñy lùc) nhãm ®Êt thñy lùc vµ sè CN. Sè CN ®¹i diÖn cho tiÒm n¨ng dßng mÆt cña ®Êt thñy lùc bao phñ phøc hîp. B¶ng 1.2. Sù biÕn ®æi tæn thÊt ban ®Çu vµ l-îng cÇm gi÷ tiÒm n¨ng lín nhÊt trong ®Êt vµ ®iÒu kiÖn che phñ §Êt vµ ®iÒu kiÖn che phñ Quan hÖ víi S Khu vùc ®Êt ®en ®iÒu kiÖn AMC2 vµ AMC3 Ia = 0.1S Khu vùc ®Êt ®en ®iÒu kiÖn AMC1 Ia = 0.2S TÊt c¶ c¸c khu vùc kh¸c Ia = 0.3S C¸c ®iÒu kiÖn Èm kú tr-íc (AMC) - AMC lµ b¶ng phô lôc mµ tr-êng ®iÒu kiÖn dßng mÆt kh¸c nhau nÕu ®iÒu kiÖn m-a t-¬ng tù. Quan s¸t 5 ngµy trong ®iÒu kiÖn m-a sím tïy theo møc ®é s¾p xÕp theo tiªu chuÈn. 17 B¶ng 1.3. §iÒu kiÖn AMC Líp AMC AMC (mm) §iÒu kiÖn AMC I <35 §Êt kh« nh-ng cã ®iÓm s-¬ng AMC II 35  52.5 §iÒu kiÖn trung b×nh AMC III >52.5 §Êt b·o hoµ, m-a nÆng h¹t cña trËn m-a nhá T×nh h×nh sè liÖu cña P vµ Q ®èi víi nhiÒu ®-êng ph©n giíi ®· thÓ hiÖn mèi quan hÖ, ®ã lµ sè cong dßng mÆt (CN). CN biÕn ®æi tõ 0 ®Õn 100, vïng cã bÒ mÆt kh«ng thÊm th× CN cã gi¸ trÞ lµ 100. Nh©n tè chÝnh quyÕt ®Þnh CN lµ nhãm ®Êt thñy lùc (HSG) kiÓu lo¹i che phñ sö dông ®Êt, ®iÒu kiÖn thñy lùc vµ ®iÒu kiÖn Èm ban ®Çu. Sù tÝch tr÷ tiÒm n¨ng lín nhÊt liªn quan ®Õn ®Êt vµ ®iÒu kiÖn ph©n giíi che phñ thÓ hiÖn theo CN nh- ph-¬ng tr×nh (1.42): S 254000  254 CN (1.42) Ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i CN – VSA [25] cung cÊp mét con ®-êng ®¬n gi¶n ®Ó dù b¸o nh÷ng phÇn rÊt nhá cña l-u vùc t¹o ra dßng mÆt vµ sù qu¶n lý tíi c¸c vÞ trÝ ë khu vùc b·o hßa nµy. Ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i CN – VSA ®· thÓ hiÖn tèt mèi t-¬ng quan víi c¶ diÖn tÝch b·o hßa ®o ®¹c vµ trong m« h×nh. C¸ch tiÕp cËn ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i CN – VSA lµ mét con ®-êng cã ý nghÜa cho viÖc ¸p dông thùc nghiÖm ph-¬ng ph¸p SCS – CN truyÒn thèng cho nh÷ng khu vùc n¬i mµ sù v-ît b·o hßa lµ mét qu¸ tr×nh dßng ch¶y quan träng vµ nh- vËy tÝnh tin cËy ®-îc c¶i thiÖn ë nh÷ng vÞ trÝ th-a th-ít cña c¸c m« h×nh chÊt l-îng n-íc trªn nÒn t¶ng ph-¬ng ph¸p SCS–CN truyÒn thèng. Ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i CN – VSA míi kh«ng lµm mÊt cÊu tróc l-u vùc cña ph-¬ng ph¸p SCS – CN truyÒn thèng nh-ng kh«ng lËp thµnh b¶ng c¸c lo¹i ®Êt sö dông vµ c¸ch tiÕp cËn c¸c líp ®Êt ®Ó x¸c ®Þnh S. ChØ thªm d÷ liÖu cÇn thiÕt lµ ®Þa h×nh vµ cã thÓ lµ c¸c th«ng tin vÒ ®Êt, cã gi¸ trÞ ë kh¾p nh÷ng vïng xa x«i cña USA vµ yÕu tè cÇn thiÕt trong c¸c m« h×nh thñy v¨n. Ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i CN – VSA t¹o ra mét c«ng cô ®ñ ®¬n gi¶n ®Ó thùc hiÖn ®Çy ®ñ trong qu¶n lý l-u vùc vµ hÇu hÕt c¸c m« h×nh dßng « nhiÔm kh«ng ®iÓm nguån hoÆc c¸c m« h×nh chÊt l-îng n-íc. 1.4. M« h×nh sãng ®éng häc ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n m« pháng dßng ch¶y HiÖn nay khoa häc vÒ thñy v¨n ®· tÝch luü ®-îc nh÷ng kiÕn thøc phong phó vÒ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý h×nh thµnh chu tr×nh thñy v¨n. MÆt kh¸c, c¸c kü thuËt vµ c«ng nghÖ cao ®· b¾t ®Çu ®-îc sö dông ®Ó thu thËp sè liÖu mét c¸ch liªn tôc theo kh«ng gian vµ thêi gian, kÕt hîp víi c¸c m¸y tÝnh hiÖn ®¹i ®· cho phÐp kh¶ n¨ng sö lý tÊt c¶ c¸c d¹ng 18 sè liÖu khÝ t-îng thñy v¨n mét c¸ch nhanh chãng. TÊt c¶ c¸c vÊn ®Ò nµy ®· më ra mét giai ®o¹n míi trong viÖc m« h×nh hãa c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y b»ng c¸c m« h×nh thñy ®éng lùc häc. M« h×nh thñy ®éng lùc häc dùa trªn c¬ së xÊp xØ kh«ng gian l-u vùc vµ tÝch ph©n sè trÞ c¸c ph-¬ng tr×nh ®¹o hµm riªng m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý diÔn ra trªn l-u vùc nh- ph-¬ng tr×nh b¶o toµn vµ ph-¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña chÊt láng. §èi víi m« h×nh thñy ®éng lùc häc, qu¸ tr×nh h×nh thµnh dßng ch¶y s«ng ®-îc chia lµm hai giai ®o¹n: Ch¶y trªn s-ên dèc vµ trong lßng dÉn. Ng-êi ta ®· x©y dùng ®-îc m« h×nh sãng ®éng lùc häc hai chiÒu, mét chiÒu vµ m« h×nh sãng ®éng häc hai chiÒu vµ sãng ®éng häc mét chiÒu víi nhiÒu ph-¬ng ph¸p gi¶i, nh-ng ph-¬ng ph¸p gi¶i mang l¹i kÕt qu¶ cao lµ ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. M« h×nh sãng ®éng häc hai chiÒu m« pháng dßng ch¶y s-ên dèc cã -u ®iÓm lµ cã c¬ së vËt lý vµ to¸n häc chÆt chÏ. Tuy nhiªn, hiÖn nay m« h×nh nµy míi chØ cã ý nghÜa vÒ mÆt lý thuyÕt vµ chØ dõng l¹i ë kh¶o s¸t to¸n häc vµ thùc nghiÖm sè trÞ. M« h×nh nµy ch-a cã kh¶ n¨ng ¸p dông vµo thùc tÕ v× thuËt to¸n phøc t¹p còng nh- kh¶ n¨ng ®¸p øng yªu cÇu th«ng tin vµo mét c¸ch chi tiÕt vµ ®ång bé rÊt h¹n chÕ. M« h×nh sãng ®éng häc hai chiÒu ®· cã thÓ ¸p dông vµo tÝnh to¸n thùc tÕ. Tuy nhiªn, thùc chÊt c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n míi chØ ë møc ®é thùc nghiÖm sè trÞ ch-a cã kh¶ n¨ng øng dông phæ biÕn. M« h×nh sãng ®éng häc ¸p dông cho dßng ch¶y s-ên dèc vµ lßng dÉn cã d¹ng nh- sau: Q A  q  0 x t Q trong ®ã: 1  R 2 / 3 S 1/ 2 A (1.11) (1.12) Q: L-u l-îng trªn b·i dßng ch¶y trªn mÆt hoÆc trong kªnh; q- Dßng ch¶y bæ sung ngang trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi cña b·i dßng ch¶y (m-a v-ît thÊm ®èi víi b·i dßng ch¶y trªn mÆt vµ vµ ®Çu ra cña dßng ch¶y trªn mÆt ®èi víi kªnh dÉn); A: DiÖn tÝch dßng ch¶y trong b·i dßng ch¶y trªn mÆt hoÆc trong kªnh dÉn; S: §é dèc ®¸y cña b·i dßng ch¶y; R: B¸n kÝnh thñy lùc;  : HÖ sè nh¸m Manning. ViÖc kh¶o s¸t ph-¬ng tr×nh (1.12) ®· ®-îc tiÕn hµnh trong nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu vµ rót ra kÕt luËn lµ thÝch hîp nhÊt ®èi víi dßng ch¶y s-ên dèc vµ thÝch hîp nhÊt ®èi víi lßng dÉn cã ®é dèc t-¬ng ®èi lín. Mét trong c¸c c¸ch tiÕp cËn m« pháng 19 dßng ch¶y s-ên dèc b»ng m« h×nh sãng ®éng häc mét chiÒu cã nhiÒu triÓn väng nhÊt lµ m« h×nh phÇn tõ h÷u h¹n. 1.4.1. Gi¶ thiÕt §Ó xÊp xØ l-u vùc s«ng b»ng c¸c phÇn tö h÷u h¹n, lßng dÉn ®-îc chia thµnh c¸c phÇn tö lßng dÉn vµ s-ên dèc ®-îc chia thµnh c¸c d¶i t-¬ng øng víi mçi phÇn tö lßng dÉn sao cho; trong mçi d¶i dßng ch¶y x¶y ra ®éc lËp víi d¶i kh¸c vµ cã h-íng vu«ng gãc víi h-íng dßng ch¶y lßng dÉn trong phÇn tö lßng dÉn. ViÖc chia d¶i cho phÐp ¸p dông m« h×nh dßng ch¶y mét chiÒu cho tõng d¶i s-ên dèc. Trong mçi d¶i l¹i chia ra thµnh c¸c phÇn tö s-ên dèc sao cho ®é dèc s-ên dèc trong mçi phÇn tö t-¬ng ®èi ®ång nhÊt. M« h×nh phÇn tö h÷u h¹n sãng ®éng häc ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña viÖc sö dông ®Êt trªn l-u vùc ®Õn dßng ch¶y ®-îc x©y dùng dùa trªn hai ph-¬ng ph¸p: ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n vµ ph-¬ng ph¸p SCS. 1.4.2. Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n [7, 8, 11, 20, 21] ViÖc ¸p dông lý thuyÕt phÇn tö h÷u h¹n ®Ó tÝnh to¸n dßng ch¶y ®-îc Zienkiewicz vµ Cheung (1965) khëi x-íng. C¸c t¸c gi¶ nµy ®· sö dông ph-¬ng ph¸p nµy ®Ó ph©n tÝch vÊn ®Ò dßng ch¶y thÊm. NhiÒu nhµ nghiªn cøu kh¸c còng ®· ¸p dông ¸p dông ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ®Ó gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò cña dßng ch¶y Oden vµ Somogyi (1969), Tong (1971). Judah (1973) ®· tiÕn hµnh viÖc ph©n tÝch dßng ch¶y mÆt b»ng ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. T¸c gi¶ ®· sö dông ph-¬ng ph¸p sè d- cña Galerkin trong viÖc x©y dùng m« h×nh diÔn to¸n lò vµ ®· thu ®-îc kÕt qu¶ tho¶ m·n khi m« h×nh ®-îc ¸p dông cho l-u vùc s«ng tù nhiªn. T¸c gi¶ cho r»ng m« h×nh phÇn tö h÷u h¹n d¹ng nµy gÆp Ýt khã kh¨n khi l-u vùc cã h×nh häc phøc t¹p, sö dông ®Êt ®a d¹ng vµ ph©n bè m-a thay ®æi. Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n kÕt hîp víi ph-¬ng ph¸p Galerkin cßn ®-îc AlMashidani vµ Taylor (1974) ¸p dông ®Ó gi¶i hÖ ph-¬ng tr×nh dßng ch¶y mÆt ë d¹ng v« h-íng. So víi c¸c ph-¬ng ph¸p sè kh¸c, ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ®-îc coi lµ æn ®Þnh h¬n, héi tô nhanh h¬n vµ ®ßi hái Ýt thêi gian ch¹y h¬n. Cooley vµ Moin (1976) còng ¸p dông ph-¬ng ph¸p Galerkin khi gi¶i b»ng ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n cho dßng ch¶y trong kªnh hë vµ thu ®-îc kÕt qu¶ tèt. ¶nh h-ëng cña c¸c kü thuËt tæng hîp thêi gian kh¸c nhau còng ®-îc ®¸nh gi¸. 20 Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ®Æc biÖt ®-îc øng dông vµo viÖc ®¸nh gi¸ ¶nh h-ëng cña nh÷ng thay ®æi trong sö dông ®Êt ®Õn dßng ch¶y lò v× l-u vùc cã thÓ ®-îc chia thµnh mét sè h÷u h¹n c¸c l-u vùc con hay c¸c phÇn tö. Nh÷ng ®Æc tÝnh thñy v¨n cña mét hoÆc tÊt c¶ c¸c phÇn tö cã thÓ ®-îc thay ®æi ®Ó tÝnh to¸n c¸c t¸c ®éng ®Õn ph¶n øng thñy v¨n cña toµn bé hÖ thèng l-u vùc. 1.4.3. X©y dùng m« h×nh [7, 11] Desai vµ Abel (1972) ®· kÓ ra nh÷ng b-íc c¬ b¶n trong ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n nh- sau: 1. Rêi r¹c ho¸ khèi liªn tôc. 2. Lùa chän c¸c m« h×nh biÕn sè cña tr-êng. 3. T×m c¸c ph-¬ng tr×nh phÇn tö h÷u h¹n. 4. TËp hîp c¸c ph-¬ng tr×nh ®¹i sè cho toµn bé khèi liªn tôc ®· ®-îc rêi r¹c ho¸. 5. Gi¶i cho vector cña c¸c biÕn cña tr-êng t¹i nót. 6. TÝnh to¸n c¸c kÕt qu¶ cña tõng phÇn tö tõ biªn ®é cña c¸c biÕn cña tr-êng t¹i nót. 1.4.4. Ch-¬ng tr×nh diÔn to¸n lò [7, 11] Trong ch-¬ng tr×nh ®-a vµo c¸c ®Æc tr-ng thñy v¨n nh- ®é dèc, hÖ sè Manning, m-a v-ît thÊm trong tõng phÇn tö. C¸c c«ng tr×nh chËm lò hoÆc hå chøa còng cã thÓ ®-îc m« h×nh ho¸. §Çu vµo cña qu¸ tr×nh diÔn to¸n lò lµ l-îng m-a v-ît thÊm ®-îc tÝnh theo ph-¬ng ph¸p SCS. HÖ sè Manning cña tõng phÇn tö còng ®-îc x¸c ®Þnh theo c¸ch lÊy trung b×nh cã träng sè. §é dèc cña tõng phÇn tö cã thÓ x¸c ®Þnh theo b¶n ®å ®Þa h×nh cña khu vùc. §é dèc cña c¸c lßng dÉn cã thÓ t×m ®-îc theo c¸ch t-¬ng tù. 1.4.5. KiÓm tra m« h×nh [7, 11] Sè liÖu ®o ®¹c dßng ch¶y tõ c¸c b·i dßng ch¶y s-ên dèc cña Crawford vµ Linsley (1966), ®· ®-îc sö dông ®Ó kiÓm tra tÝnh ®óng ®¾n cña ch-¬ng tr×nh diÔn to¸n lò ®èi víi dßng ch¶y s-ên dèc. Ph-¬ng ph¸p xÊp xØ b»ng phÇn tö h÷u h¹n cho kÕt qu¶ cã thÓ tho¶ m·n mÆc dï viÖc lÊy hÖ sè Manning biÕn ®æi theo ®é s©u cã thÓ cßn cho kÕt qu¶ tèt h¬n n÷a. M« h×nh nµy cßn cã thÓ ¸p dông cho c¶ l-u vùc lín trong tù nhiªn (Ross, 1975). C¸c phÐp kiÓm tra sù héi tô, tÝnh æn ®Þnh vµ ¶nh h-ëng cña cña viÖc ph©n bè c¸c l-íi « kh¸c nhau ®Õn dßng ch¶y lò còng ®-îc xÐt ®Õn (Ross, 1975). NhËn xÐt vµ lùa chän m« h×nh to¸n: Víi -u ®iÓm cña m« h×nh phÇn tö h÷u h¹n sãng ®éng häc lµ viÖc xÊp xØ s-ên dèc vµ lßng dÉn b»ng c¸c phÇn tö h÷u h¹n mét chiÒu cho phÐp m« pháng ®Þa hÞnh, thæ nh-ìng vµ sö dông ®Êt mét c¸ch kh¸ chi tiÕt, thuËt 21
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan