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

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

• 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

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tình trạng thoái hóa đất và xói mòn bề mặt lưu vực đang gia tăng dưới tác động tổng hợp của các yếu tố tự nhiên và hoạt động khai thác tài nguyên của con người, đặc biệt tại các khu vực địa hình đồi núi dốc. Theo số liệu của Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam có trên 13 triệu hecta đất bị suy thoái thành đất trống, đồi núi trọc, trong đó có khoảng 1,2 triệu hecta đã bị xói mòn trơ sỏi đá. Với đặc điểm địa hình có 3/4 diện tích là đồi núi, nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, mạng lưới sông suối ngắn và dốc làm giảm khả năng giữ nước, gia tăng tốc độ dòng chảy mặt và nguy cơ lũ quét, xói mòn đất dốc là một hiểm họa đối với sản xuất nông - lâm nghiệp. Báo cáo của FAO – UNEP chỉ ra rằng hàng năm trên phạm vi toàn cầu có từ 5 đến 7 triệu hecta đất mất hoàn toàn khả năng sản xuất do xói mòn.

Để định lượng lượng đất mất và bùn cát vận chuyển, mô hình toán học là công cụ có chi phí thấp, cho phép mô phỏng trên các quy mô lưu vực khác nhau và dự báo theo nhiều kịch bản. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu trong nước và quốc tế trước đây chủ yếu dựa trên Phương trình mất đất phổ dụng (USLE) hoặc các mô hình kinh nghiệm tĩnh. Các mô hình này có phạm vi ứng dụng mang tính địa phương, độ chính xác suy giảm khi áp dụng cho lưu vực mới, chưa mô tả quá trình bồi lắng, vận chuyển cơ học của hạt bùn cát và không có khả năng tính toán chi tiết cho từng trận mưa theo các bước thời gian ngắn. Luận án "Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ" do tác giả Đào Tấn Quy thực hiện (Trường Đại học Thủy lợi, năm 2017) tập trung giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. 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.
2. Thử nghiệm mô hình đã xây dựng cho một số lưu vực vừa và nhỏ.

Đối tượng 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 sông suối vừa và nhỏ. Về mặt thực nghiệm không gian, mô hình được kiểm định tại hai lưu vực miền núi thuộc tỉnh Sơn La: lưu vực Nậm Sập và lưu vực Phiêng Hiềng. Dữ liệu tính toán dựa trên các bản đồ hiện trạng sử dụng đất (năm 2015), chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn và số liệu thực đo các trận mưa tại các trạm đo trên lưu vực.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các nghiên cứu đầu tiên về xói mòn đất được các nhà khoa học Đức tiến hành từ năm 1877; đến năm 1907, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) ban hành chính sách bảo vệ tài nguyên đất. Theo thống kê của các tổ chức quốc tế, tỷ lệ xói mòn dao động từ 30 đến 40 tấn/ha/năm, toàn cầu có khoảng 1.960 triệu hecta đất có nguy cơ xói mòn (chiếm 15% diện tích đất thế giới, trong đó 50% bị xói mòn trầm trọng), làm thất thoát từ 75 đến 109 triệu tấn đất mỗi năm, gây thiệt hại ước tính 400 tỷ USD/năm. Tổng lượng phù sa từ các hệ thống sông lớn đổ ra biển ước tính tăng từ 9 tỷ tấn lên 24 tỷ tấn/năm.

Hệ thống sông	Quốc gia	Lượng phù sa hàng năm (tỷ tấn)
Hoàng Hà	Trung Quốc	1.600
Ganges	Ấn Độ	1.455
Amazon	Một số nước	363
Mississippi	Mỹ	300
Kosi	Ấn Độ	172
Mekong	Một số nước	170
Nile	Một số nước	111

Về mặt lý thuyết động lực, nghiên cứu xói mòn thế giới phân hóa theo hai trường phái:

• Trường phái Bennett: Cho rằng việc hình thành các rãnh trên bề mặt là do động năng của dòng chảy cuốn trôi vật chất rắn; các biện pháp kiểm soát tập trung vào cơ giới để giảm lưu tốc dòng chảy mà không nhất thiết phải giảm tổng lượng dòng chảy mặt.
• Trường phái Ellison: Khẳng định dòng chảy gia tăng do suy thoái cấu trúc đất dưới tác động phân tán của hạt mưa; kiểm soát xói mòn phải tập trung vào bề mặt lưu vực thông qua lớp phủ thực vật và biện pháp canh tác.

Các mô hình kinh nghiệm tính toán xói mòn được phát triển qua nhiều giai đoạn:

• Zingg (1940) đề xuất phương trình tính lượng mất đất theo chiều dài ($L$) và độ dốc ($S$) sườn: $A = C \cdot S^{1,60} \cdot L^{0,60}$ (hoặc dạng rút gọn $A = C \cdot S^{1,60}$).
• Smith (1941) bổ sung các yếu tố luân canh, làm đất, lớp phủ thực vật ($C$) và hệ số thực hành bảo tồn ($P$): $A = C \cdot S^{7/5} \cdot L^{3/5} \cdot P$.
• Ellison (1947) xây dựng công thức thể hiện năng lượng động học của mưa làm bong tách hạt đất: $E = K \cdot V^{4,33}$.
• Musgrave (1947) tính toán xói mòn lưu vực đầu nguồn: $E = I \cdot R \cdot S^{1,35} \cdot L^{0,35} \cdot P_{30}^{1,75}$.
• Wischmeier và Smith (1965, 1978) hoàn thiện Phương trình mất đất phổ dụng USLE: $A = R \cdot K \cdot LS \cdot C \cdot P$. Chỉ số xói mòn mưa ($R$) được tính theo nhiều tác giả tùy điều kiện số liệu: Brown và Foster (1987) ($R = \sum V_j \cdot I_{30}$); Renard và Freimund (1994) ($R = 0,07397 \cdot F^2 / 17,2$ với $F \ge 55\text{ mm}$); Larionov ($R = 0,258 \cdot X_i \cdot I_{i,30}^{0,149}$).

Tác giả	Phương pháp / Công thức tính chỉ số xói mòn do mưa ($R$)
Roose (1975)	$R = 0,5 \cdot P \cdot 1,73$ (theo lượng mưa năm $P$)
Morgan (1974)	$R = 9,28 \cdot P - 8,838$ (theo lượng mưa năm $P$)
Foster và cộng sự (1981)	$R = 0,276 \cdot P \cdot I_{30}$ (theo mưa năm $P$ và $I_{30}$)
El-Swaify và cộng sự (1985)	$R = 38,5 + 0,35 \cdot P$ (theo lượng mưa năm $P$)
Wanapiryarat và cộng sự (1986)	$R = -3,2353 + 1,789 \cdot \ln(x)$ (theo lượng mưa ngày $x$)
Nguyễn Trọng Hà	$R = 0,548257 \cdot P - 59,9$ (theo lượng mưa năm $P$)

• Williams (1975) cải biên USLE thành mô hình MUSLE tính cho từng trận lũ: $msf = 0,95 \cdot (V \cdot Q_s)^{0,56} \cdot K \cdot LS \cdot C \cdot P$.

Bên cạnh mô hình kinh nghiệm, các mô hình nhận thức (mô hình dựa trên quá trình vật lý) được thiết lập từ phương trình liên tục Bennett (1974): $\frac{\partial q_s}{\partial x} + \frac{\partial (c y \rho_s)}{\partial t} = D_r + D_l$. Các mô hình tiêu biểu gồm:

• ANSWERS (Beasley và cộng sự, 1980): Chia lưu vực thành các ô lưới độc lập, chưa xét xói mòn lòng kênh và dòng ngầm.
• CREAMS (Knisel, 1980): Tách biệt dòng chảy, xói mòn mặt và khe rãnh trong nông nghiệp.
• AGNPS (Young và cộng sự, 1989): Mô hình lưới ô vuông tính cho trận mưa đơn và nhiều năm, phân tích 5 cấp hạt (sét, thịt, hạt kết nhỏ, hạt kết lớn, cát).
• KINEROS (Woolhiser và cộng sự): Tích hợp sóng động học 1 chiều, xói mòn mưa rơi và xói mòn thủy lực.
• WEPP (Flanagan và Nearing, 1995): Ứng dụng phương trình Foster và Meyer (1972) tính toán xói mòn mảng $D_i = K_i \cdot I_e^2 \cdot G_e \cdot C_e \cdot S_f$.
• EUROSEM (Morgan và cộng sự, 1998): Mô hình dự báo xói mòn châu Âu, mô phỏng xói mòn bắn tóe, khe rãnh và dòng nhập lưu.
• SWAT (Jeff Arnold, USDA-ARS): Mô hình thủy văn tích hợp MUSLE, mô phỏng sử dụng đất và bùn cát dài hạn.

Tại Việt Nam, nghiên cứu xói mòn trải qua 3 giai đoạn theo Nguyễn Quang Mỹ: trước 1954 (biện pháp canh tác truyền thống), 1954–1975 (Chu Đình Hoàng nghiên cứu giọt mưa; Nguyễn Tử Xiêm và Thái Phiên nghiên cứu đất đồi núi), và từ 1975 đến nay. Các nghiên cứu gần đây ứng dụng USLE/RUSLE kết hợp GIS gồm có: Phạm Ngọc Dũng (1998) tại Tây Nguyên; Nguyễn Trọng Hà xác định $R, K$; Phạm Hùng (2004) xác định ngưỡng mưa gây lũ quét; Lại Vĩnh Cẩm (2005) tại 4 lưu vực miền Bắc; Phạm Hữu Tỵ (2009) dùng RUSLE và ảnh Landsat ETM+, SRTM tại Thừa Thiên Huế; Nguyễn Văn Dũng (2012) tại vùng Thanh – Nghệ – Tĩnh; Lê Mạnh Hùng (2014) dùng SWAT tính toán bùn cát sông Mekong về Kratie ($NSE = 0,86$, $PBIAS = 11,2%$, tải lượng trung bình 162 triệu tấn/năm); Trần Quốc Vinh (2012) tại Tam Nông (Phú Thọ); Trương Văn Cảnh (2015) tại sông Cu Đê.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra gồm:

1. Các nghiên cứu trong nước chưa đánh giá được sự phân bố lượng bùn cát theo thời gian cho từng trận mưa đơn và chưa phản ánh sự biến thiên của cấp độ dốc địa hình.
2. Hầu hết các ứng dụng dựa vào các phần mềm thương mại mã nguồn đóng của nước ngoài (ANSWERS, WEPP, EUROSEM, SWAT) có chi phí cao, bộ thông số hiệu chuẩn theo điều kiện quốc tế dẫn đến sai số khi áp dụng tại Việt Nam.
3. Thuật toán giải giải tích trong WEPP, SWAT bắt buộc phải giả thiết đồng nhất độ dốc sườn, không phản ánh đúng địa hình thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án tiếp cận theo hướng mô hình nhận thức dựa trên các quy luật thủy lực và cơ chế vật lý của quá trình xói mòn do nước, bao gồm xói mòn bắn tóe (splash erosion), xói mòn bề mặt (sheet erosion), xói mòn rãnh (rill erosion) và vận chuyển bùn cát trong kênh.

1. Khung lý thuyết và các phương trình toán học:

• Mô hình thấm: Luận án sử dụng phương pháp tính toán tổn thất thấm trực tiếp từ phương trình Green – Ampt Mein – Larson (1973), bỏ qua bốc hơi và đọng trũng: $$f_i = K_e \left(1 + \frac{(\phi - \theta_0)\psi_c}{I}\right)$$ Trong đó: $f_i$ là cường độ thấm thực (m/s); $K_e$ là độ dẫn thủy lực bão hòa (m/s); $\phi$ là độ xốp của đất ($\text{m}^3/\text{m}^3$); $\theta_0$ là độ bão hòa ban đầu ($\text{m}^3/\text{m}^3$); $\psi_c$ là sức căng mao dẫn (m); $I$ là độ sâu thấm tích lũy (m).
• Hệ phương trình dòng chảy mặt (sóng động học 1 chiều): Phương trình liên tục: $\frac{\partial h}{\partial t} + \frac{\partial (uh)}{\partial x} = r$ Phương trình động lượng rút gọn ($S_0 = S_f$): kết hợp với công thức Manning $u = \alpha h^{m-1}$, ta có hệ phương trình: $$\frac{\partial h}{\partial t} + \frac{\partial (\alpha h^m)}{\partial x} = r$$ Với điều kiện biên $h(0,t) = 0$ ($t \ge 0$) và điều kiện ban đầu $h(x,0) = 0$ ($x \ge 0$). Vận tốc dòng chảy tính theo công thức Manning: $u = \frac{1}{n} R_H^{2/3} S_f^{1/2}$.
• Hệ phương trình dòng chảy trong kênh/sông: Phương trình liên tục: $\frac{\partial A}{\partial t} + \frac{\partial (uA)}{\partial x} = q_A$ Phương trình động lượng sóng động học: $Q = \alpha A R_H^{m-1} \Rightarrow \frac{\partial A}{\partial t} + \frac{\partial Q}{\partial x} = q_A$.
• Phương trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát: Phương trình liên tục Bennett: $\frac{\partial (\rho_s C_s h)}{\partial t} + \frac{\partial q_s}{\partial x} = \theta(x,t)$ Được biến đổi thành phương trình vi phân tuyến tính biểu diễn lưu lượng bùn cát $q(t)$: $$\frac{dq(t)}{dt} = -\frac{1}{k} q(t) + \frac{1}{k} p(t)$$ Phương trình này được giải số trị bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 (RK4).

2. Phương pháp giải số trị: Luận án đề xuất sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có bổ sung trọng số thời gian và không gian (Lax-Friedrichs Weight - LFW) trên lưới chữ nhật không gian - thời gian ($x, t$) để giải hệ phương trình đạo hàm riêng dòng chảy mặt và bùn cát. Thuật toán này bảo đảm tính ổn định và hội tụ của nghiệm mà không đòi hỏi phải đơn giản hóa hay đồng nhất độ dốc lưu vực.

3. Phương pháp thực hiện và nguồn dữ liệu:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu và kế thừa số liệu điều tra cơ bản.
• Phương pháp viễn thám và GIS: Sử dụng các phần mềm ArcGIS, MapInfo để biên tập số hóa bản đồ địa hình (DEM), bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, mạng lưới sông ngòi và bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy.
• Phương pháp mô hình toán: Viết mã nguồn hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ lập trình C++, thiết lập 2 thành phần cơ bản và các mô đun chuyên biệt, thiết kế giao diện đồ họa phục vụ nhập dữ liệu và vận hành mô phỏng.
• Nguồn số liệu: Số liệu mưa từng trận, chuỗi lưu lượng và hàm lượng bùn cát quan trắc thực tế tại các trạm thuộc lưu vực Nậm Sập và Phiêng Hiềng (tỉnh Sơn La).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các khái niệm, cơ chế vật lý và nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất: lượng mưa và cường độ mưa, thành phần cơ giới đất (đất sét liên kết chặt; đất cát thấm nhanh nhưng khó cuốn trôi; đất thịt dễ bị xói mòn nhất), đặc điểm địa hình (độ dốc $S$ và chiều dài sườn $L$), lớp phủ thực vật (tán rừng giữ lại từ 5% đến 30% lượng mưa theo MacDonald, giảm động năng va đập và tăng lượng thấm) và các hoạt động kinh tế - xã hội.

Tác nhân / Dạng xói mòn	Biểu hiện	Nguồn năng lượng	Nhân tố môi trường chi phối
Xói mòn do gió (Wind erosion)	Vết lằn, ụ đất, đám khí bụi	Năng lượng gió, sự nhiễu động không khí	Vận tốc và hướng gió; độ nhám đất; thảm phủ thực vật; cấu trúc và chất hữu cơ
Xói mòn khô (Dry mechanical)	Lở đất	Lực trọng trường, áp lực canh tác	Cường độ canh tác; độ dốc; mức độ kết dính của đất
Xói mòn bề mặt	Mảng cát, lớp bồi	Tác động của giọt mưa	Lớp phủ cây trồng; công nghệ và cấu trúc kiểm soát xói mòn
Xói mòn dạng tuyến (Linear erosion)	Rãnh nước, dòng suối nhỏ	Năng lượng dòng chảy	Vận tốc, độ dốc, độ nhám; thể tích dòng chảy, khả năng thấm và tầng đá mẹ
Di chuyển khối đất	Trượt lở, lũ bùn	Trọng lực, mất cân bằng khối đất	Khối lượng lớp thổ nhưỡng + nước + cây trồng; độ ẩm; độ dốc và tầng đá

Chương này phân tích chi tiết bảng tra hệ số che phủ $C$ của Hội Khoa học đất Quốc tế theo độ che phủ thực vật (từ 0% đến 100%) cho các trạng thái rừng nhiệt đới, bãi chăn thả, cây hàng năm và tầng cây bụi; đồng thời điểm luận chi tiết các công thức xác định hệ số $K$ (theo Wischmeier và Smith: $100K = 2,1 \cdot 10^{-4}(12-a)M^{1,14} + 3,25(b-2) + 2,5(c-3)$), hệ số địa hình $LS = (x/22,13)^n (0,065 + 0,045s + 0,0065s^2)$ và hệ số thực hành bảo tồn $P = P_c \cdot P_{st} \cdot P_{ter}$. Tác giả tổng kết các nghiên cứu trong nước, đối chiếu ưu nhược điểm của các mô hình hiện có và xác lập luận cứ cho việc xây dựng mô hình toán tự chủ mã nguồn.

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

Chương 2 trình bày chi tiết cấu trúc toán học của mô hình. Tác giả thiết lập hệ phương trình thấm Green – Ampt, hệ phương trình vi phân sóng động học cho dòng chảy mặt và dòng chảy lòng dẫn, phương trình liên tục bùn cát Bennett kết hợp nghiệm Runge-Kutta RK4. Sơ đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs cải tiến có bổ sung trọng số (LFW) được xây dựng để rời rạc hóa hệ phương trình trên lưới không-thời gian.

Mô hình được cấu trúc hóa thành 3 quá trình cơ bản:

1. Quá trình liên rãnh: Mô phỏng khả năng xói mòn và lượng bùn cát sinh ra do tác động phân tán của hạt mưa và dòng chảy tràn đưa vào rãnh.
2. Quá trình rãnh: Mô phỏng sự tập trung dòng chảy, khả năng xói rãnh và vận chuyển bùn cát trong các rãnh sườn dốc.
3. Quá trình lòng kênh/sông: Mô phỏng động lực dòng chảy trong sông, xác định sức tải bùn cát và lượng bùn cát vận chuyển tích lũy tới cửa ra lưu vực.

Về mặt công nghệ phần mềm, mô hình được lập trình bằng C++ gồm hai khối thành phần chính, tích hợp các chương trình con chuyên biệt cho từng bài toán thủy lực - bùn cát và trang bị giao diện người dùng trực quan cho các thao tác: khởi động, mở tệp dữ liệu đầu vào và thực thi mô phỏng.

Chương 3: Thử nghiệm mô hình để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát cho một số lưu vực vừa và nhỏ

Chương 3 triển khai ứng dụng thử nghiệm mô hình trên hai lưu vực thực tế tại tỉnh Sơn La:

• Lưu vực Nậm Sập: Tác giả thu thập và số hóa dữ liệu vị trí địa lý, địa hình (DEM), thổ nhưỡng, hiện trạng thảm phủ, mạng lưới thủy văn, trạm quan trắc và bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy; tiến hành phân chia tiểu lưu vực. Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thực hiện thông qua so sánh đường quá trình lưu lượng ($Q$) và đường quá trình hàm lượng bùn cát ($C_s$) tính toán so với số liệu thực đo tại trạm (kèm phân tích dữ liệu bùn cát tại khu vực Thác Mộc).
• Lưu vực Phiêng Hiềng: Thiết lập cơ sở dữ liệu số về địa hình, thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất năm 2015, chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn; phân chia các tiểu lưu vực; thực hiện hiệu chỉnh và kiểm định đường quá trình lưu lượng và nồng độ bùn cát tính toán so với thực đo.

Bên cạnh đó, chương 3 tiến hành phân tích độ nhạy của các thông số mô hình khi có sự biến động của điều kiện mặt đệm và dữ liệu khí tượng; đồng thời phân tích định lượng tương quan giữa cường độ mưa, độ dốc địa hình với cường độ xói mòn liên rãnh và xói mòn rãnh trên các lưu vực nghiên cứu.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án được xác định gồm:

1. Xây dựng thành công mô hình toán nhận thức mô phỏng dòng chảy, xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ, sử dụng thuật toán sơ đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có bổ sung trọng số thời gian và không gian (LFW) để giải hệ phương trình dòng chảy và phương trình vận chuyển bùn cát, bảo đảm tính ổn định và hội tụ số trị trên địa hình thực tế.
2. Xây dựng được phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh với độ dốc địa hình và cường độ mưa trên các lưu vực nghiên cứu (lưu vực Nậm Sập và lưu vực Phiêng Hiềng, tỉnh Sơn La), tạo cơ sở dự báo lượng bùn cát bị xói mòn và vận chuyển theo từng trận mưa.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ kết quả nghiên cứu:

• Đề xuất chuyển giao mô hình và bộ cơ sở dữ liệu số cho các cơ quan quản lý tại địa phương (Sơn La và các tỉnh miền núi phía Bắc) làm công cụ giám sát, tra cứu, đánh giá tác động của xói mòn đất đến sản xuất nông nghiệp và bồi lắng lòng hồ/sông suối.
• Khuyến nghị ứng dụng mô hình để hỗ trợ công tác quy hoạch tài nguyên nước, thiết kế công trình thủy lợi và bố trí cơ cấu cây trồng, quy hoạch sử dụng đất dốc nhằm giảm thiểu nguy cơ suy thoái đất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Mô hình tập trung mô phỏng các quá trình xói mòn do nước (bắn tóe, xói mòn bề mặt, xói rãnh và xói mòn lòng dẫn), chưa tích hợp đầy đủ cơ chế trượt lở đất quy mô lớn, lũ bùn đá và xói mòn do trọng lực.
• Khi tính toán lượng mưa sinh dòng chảy, mô hình áp dụng phương pháp lược bỏ bốc hơi và đọng trũng, chỉ tập trung giải bài toán tổn thất thấm theo Green – Ampt.
• Phạm vi kiểm định thực tế giới hạn trên hai lưu vực vừa và nhỏ tại tỉnh Sơn La.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tiếp tục thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho các lưu vực có quy mô, điều kiện khí hậu, địa chất và thảm phủ thực vật khác nhau tại các vùng miền trên toàn quốc.
• Bổ sung các mô đun tính toán tương tác dài hạn giữa thay đổi sử dụng đất, biến đổi khí hậu và các hiện tượng di chuyển khối đất phức tạp.

Giá trị tham khảo

Kết quả của luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Mô hình hóa môi trường và Khoa học đất: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán nhận thức, phương trình thủy lực sóng động học và kỹ thuật lập trình C++ cho các bài toán xói mòn - bùn cát.
• Các chuyên gia nghiên cứu thuật toán số trị: Tham khảo cách thiết lập sơ đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có trọng số (LFW) và phương pháp Runge-Kutta RK4 trong giải phương trình liên tục Bennett.
• Cơ quan quản lý nhà nước (Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sơn La và các tỉnh miền núi phía Bắc): Sử dụng bộ công cụ để tính toán xói mòn đất, dự báo bồi lắng và lập quy hoạch bảo vệ đất dốc.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng thuật toán số trị nào để giải hệ phương trình dòng chảy và vận chuyển bùn cát?
Tác giả sử dụng lược đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có bổ sung trọng số thời gian và không gian (LFW) để giải hệ phương trình sóng động học dòng chảy mặt và dòng chảy kênh, kết hợp với phương pháp Runge-Kutta bậc 4 (RK4) để giải phương trình tích phân biểu diễn lưu lượng bùn cát qua mặt cắt.

2. Quá trình thấm nước mưa sinh dòng chảy được mô hình hóa theo lý thuyết nào?
Quá trình thấm được tính toán trực tiếp từ phương trình thấm Green – Ampt Mein – Larson (1973): $f_i = K_e [1 + (\phi - \theta_0)\psi_c / I]$. Mô hình lựa chọn phương án tính toán chỉ trừ tổn thất do thấm xuống đất, bỏ qua tổn thất do bốc hơi và giữ nước trong các vũng, ao trũng.

3. Khác biệt cơ bản giữa mô hình của luận án với các mô hình kinh nghiệm (như USLE, MUSLE) là gì?
Mô hình của luận án là mô hình nhận thức dựa trên các phương trình vật lý thủy lực và phương trình liên tục Bennett, cho phép mô phỏng chi tiết đường quá trình lưu lượng và hàm lượng bùn cát theo từng bước thời gian ngắn cho từng trận mưa đơn lẻ, đồng thời mô tả được cả quá trình xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh và chuyển tải/bồi lắng trong lòng kênh trên địa hình có độ dốc biến thiên.

4. Mô hình toán được lập trình bằng ngôn ngữ nào và gồm các thành phần cấu trúc gì?
Mô hình được viết hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ C++, gồm 2 thành phần cơ bản và các mô đun tính toán chuyên biệt cho xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh, thủy lực kênh và vận chuyển bùn cát ra cửa lưu vực, đi kèm giao diện đồ họa hỗ trợ mở tệp dữ liệu và vận hành mô phỏng.

5. Luận án đã thử nghiệm mô hình trên những lưu vực cụ thể nào?
Mô hình đã được thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định đường quá trình lưu lượng và nồng độ bùn cát tính toán so với thực đo tại hai lưu vực miền núi vừa và nhỏ thuộc tỉnh Sơn La: lưu vực Nậm Sập và lưu vực Phiêng Hiềng.

Kết luận

Luận án của tác giả Đào Tấn Quy đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và bộ chương trình tính toán hoàn chỉnh cho mô hình toán nhận thức mô phỏng dòng chảy, xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ. Thông qua việc ứng dụng sơ đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có trọng số (LFW) và phương pháp Runge-Kutta RK4 trên nền ngôn ngữ C++, nghiên cứu đã khắc phục được hạn chế của các mô hình kinh nghiệm tĩnh và các phần mềm thương mại mã nguồn đóng. Kết quả kiểm định thực tế tại lưu vực Nậm Sập và Phiêng Hiềng (tỉnh Sơn La) cùng các phương trình tương quan được thiết lập đã chứng minh tính khả thi của mô hình, cung cấp công cụ phục vụ công tác quy hoạch tài nguyên nước và quản lý bền vững đất dốc tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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

Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 1. Một số khái niệm, thuật ngữ 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. 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]. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn 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]. 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.

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 sa từ các con sông đổ ra biển đã tăng từ 9 tỷ tấn lên đến 24 tỷ tấn [18]. Sông Nƣớc Lƣợng phù sa hàng năm Hoàng Hà Trung Quốc 1600 (tỷ tấn) Ganges Ấn Độ 1455 (tỷ tấn) Amazon Một số nƣớc 363 (tỷ tấn) Missisipi Mỹ 300 (tỷ tấn) Kosi Ấn Độ 172 (tỷ tấn) Mekong Một số nƣớc 170 (tỷ tấn) Nile Một số nƣớc 111 (tỷ tấn) Nhƣ vậy yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn bao gồm: Địa hình (L.S), S là độ dốc, L là chiều dài sƣờn dốc; tác động của thực vật và các tác động của con ngƣời.