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

• Tác giả: Đào Tấn Quy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát
• Đề tài: Mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát lưu vực vừa và nhỏ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. 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
• 1.1.2. Bùn cát và bồi lắng
• 1.1.3. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn
• 1.1.3.1. Các yếu tố gây xói mòn
• 1.1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn
• 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. 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. Phương trình thấm
• 2.1.2. Phương trình mô phỏng dòng chảy
• 2.1.3. Phương trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát
• 2.1.4. Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải
• 2.1.4.1. Thuật toán giải hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trên bề mặt lưu vực
• 2.1.4.2. Thuật toán giải hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông
• 2.1.4.3. Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực
• 2.1.4.4. Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sông
• 2.2. Xây dựng các thành phần của mô hình
• 2.2.1. Quá trình liên rãnh
• 2.2.2. Khả năng xói mòn liên rãnh
• 2.2.3. Vận chuyển bùn cát liên rãnh
• 2.2.4. Quá trình xói mòn rãnh. Vận chuyển bùn cát trong rãnh
• 2.2.5. Quá trình lòng kênh/sông
• 2.2.6. Sức tải bùn cát trong kênh/sông
• 2.2.7. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông
• 2.3. Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình
• 2.4. Cấu trúc và chức năng của một số chương trình con
• 2.4.1. Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần cơ bản
• 2.4.2. Một số mô đun chính. Chức năng của một số chương trình con
• 2.5. Giao diện sử dụng chương trình
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ
• 3.1. Số liệu đầu vào cho mô hình
• 3.1.1. Tạo cơ sở dữ liệu. Chạy mô hình
• 3.2. Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát
• 3.2.1. Lưu vực Nậm Sập
• 3.2.1.1. Vị trí địa lý
• 3.2.1.2. Đặc điểm địa hình
• 3.2.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng
• 3.2.1.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất
• 3.2.1.5. Đặc điểm khí hậu. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 3.2.1.6. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình
• 3.2.1.7. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
• 3.2.2. Lưu vực Phiêng Hiềng
• 3.2.2.1. Vị trí địa lý
• 3.2.2.2. Đặc điểm địa hình
• 3.2.2.3. Đặc điểm thổ nhưỡng
• 3.2.2.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất
• 3.2.2.5. Đặc điểm khí hậu. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 3.2.2.6. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình
• 3.2.2.7. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
• 3.3. Xây dựng phương trình tương quan
• 3.4. Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình
• 3.5. Phân tích tương quan giữa xói mòn liên rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
• 3.6. Phân tích tương quan giữa xói mòn rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
• 3.7. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

Luận án tiến sĩ: Mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát lưu vực vừa và nhỏ tập trung vào việc nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học để mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên các lưu vực vừa và nhỏ. Xói mòn và vận chuyển bùn cát là những hiện tượng tự nhiên phổ biến, đặc biệt ở các khu vực có địa hình dốc và khí hậu nhiệt đới ẩm. Mô hình toán được xem là công cụ hiệu quả để dự đoán và đánh giá tác động của các quá trình này. Luận án nhấn mạnh sự cần thiết của việc áp dụng các mô hình toán trong việc quản lý tài nguyên đất và nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và suy thoái đất đang gia tăng.

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

Xói mòn là quá trình di chuyển đất và đá dưới tác động của các yếu tố tự nhiên như nước, gió và trọng lực. Vận chuyển bùn cát là quá trình các hạt bùn cát bị cuốn trôi và lắng đọng trong các dòng chảy. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến xói mòn bao gồm cường độ mưa, độ dốc địa hình, thành phần cơ lý của đất và lớp phủ thực vật. Luận án đã tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về xói mòn và vận chuyển bùn cát, chỉ ra những khoảng trống trong nghiên cứu và hướng đi mới cho việc xây dựng mô hình toán.

1.2. Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Các nghiên cứu trên thế giới về xói mòn và vận chuyển bùn cát đã sử dụng nhiều mô hình toán khác nhau, từ các mô hình kinh nghiệm đến các mô hình nhận thức. Tuy nhiên, các mô hình này thường có độ chính xác hạn chế khi áp dụng ở các lưu vực khác nhau. Trong nước, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng mô hình USLE (Universal Soil Loss Equation), nhưng chưa đề cập đến quá trình bồi lắng và chuyển tải hạt cát. Luận án đã chỉ ra sự cần thiết của việc phát triển mô hình toán mới để khắc phục những hạn chế này.

II. Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

Luận án đã nghiên cứu và đề xuất các thuật toán giải cho hệ phương trình mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực. Các phương trình toán học được sử dụng bao gồm phương trình thấm, phương trình dòng chảy và phương trình xói mòn. Thuật toán Lax-Friedrich với trọng số thời gian và không gian được áp dụng để giải các phương trình này. Mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ chế xói mòn và vận chuyển bùn cát, đồng thời tích hợp các yếu tố địa hình, thổ nhưỡng và khí hậu.

2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán giải

Luận án đã đề xuất các thuật toán giải cho hệ phương trình mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Phương trình thấm được sử dụng để mô phỏng quá trình thấm nước vào đất, trong khi phương trình dòng chảy mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy trong kênh/sông. Phương trình xói mòn được áp dụng để tính toán lượng bùn cát bị cuốn trôi. Thuật toán Lax-Friedrich với trọng số thời gian và không gian được sử dụng để giải các phương trình này, đảm bảo độ chính xác và ổn định của mô hình.

2.2. Xây dựng các thành phần của mô hình

Mô hình được xây dựng với các thành phần chính bao gồm quá trình liên rãnh, quá trình xói mòn rãnh và quá trình lòng kênh/sông. Quá trình liên rãnh mô phỏng sự hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên bề mặt lưu vực. Quá trình xói mòn rãnh tập trung vào việc tính toán lượng bùn cát bị cuốn trôi trong các rãnh. Quá trình lòng kênh/sông mô phỏng sự vận chuyển bùn cát trong các kênh và sông. Mô hình cũng tích hợp các yếu tố địa hình, thổ nhưỡng và khí hậu để đảm bảo tính chính xác.

III. Thử nghiệm mô hình để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát cho một số lưu vực vừa và nhỏ

Luận án đã thử nghiệm mô hình trên hai lưu vực Nậm Sập và Phiêng Hiềng tại tỉnh Sơn La. Các số liệu đầu vào bao gồm địa hình, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật và dữ liệu khí tượng thủy văn. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên các số liệu thực đo về lưu lượng và hàm lượng bùn cát. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình có độ chính xác cao trong việc mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Luận án cũng đã xây dựng các phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh với độ dốc và cường độ mưa, giúp dự báo lượng bùn cát bị xói mòn trên lưu vực.

3.1. Thử nghiệm mô hình trên lưu vực Nậm Sập

Mô hình được thử nghiệm trên lưu vực Nậm Sập với các số liệu đầu vào bao gồm địa hình, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật và dữ liệu khí tượng thủy văn. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình có độ chính xác cao trong việc mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Các phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh với độ dốc và cường độ mưa đã được xây dựng, giúp dự báo lượng bùn cát bị xói mòn trên lưu vực.

3.2. Thử nghiệm mô hình trên lưu vực Phiêng Hiềng

Mô hình cũng được thử nghiệm trên lưu vực Phiêng Hiềng với các số liệu đầu vào tương tự. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình có độ chính xác cao trong việc mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Các phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh với độ dốc và cường độ mưa đã được xây dựng, giúp dự báo lượng bùn cát bị xói mòn trên lưu vực.