Nghiên Cứu Mô Hình Toán Mô Phỏng Dòng Chảy và Vận Chuyển Bùn Cát trên Lưu Vực Vừa và Nhỏ

Luận văn tốt nghiệp kỹ thuật nghiên cứu 0696 nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Tác giả: Đào Tấn Quy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy Văn Học
• Đề tài: Mô Hình Toán Mô Phỏng Dòng Chảy và Vận Chuyển Bùn Cát trên Lưu Vực 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 I: 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 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
• 2. CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU 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
• 2.1.5. Xây dựng các thành phần của mô hình
• 2.1.5.1. Quá trình liên rãnh
• 2.1.5.2. Khả năng xói mòn liên rãnh
• 2.1.5.3. Vận chuyển bùn cát liên rãnh
• 2.1.5.4. Quá trình xói mòn rãnh
• 2.1.5.5. Vận chuyển bùn cát trong rãnh
• 2.1.5.6. Quá trình lòng kênh/sông
• 2.1.5.7. Sức tải bùn cát trong kênh/sông
• 2.1.5.8. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông
• 2.1.6. Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình
• 2.1.7. Cấu trúc và chức năng của một số chương trình con
• 2.1.7.1. Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần cơ bản
• 2.1.7.2. Một số mô đun chính
• 2.1.7.3. Chức năng của một số chương trình con
• 2.1.8. Giao diện sử dụng chương trình
• 3. CHƯƠNG III: THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ
• 3.1. Số liệu đầu vào cho mô hình
• 3.1.1. Tạo cơ sở dữ liệu
• 3.1.2. 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
• 3.2.1.6. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 3.2.1.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình
• 3.2.1.8. 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
• 3.2.2.6. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 3.2.2.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình
• 3.2.2.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
• 3.2.3. Xây dựng phương trình tương quan
• 3.2.4. Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình
• 3.2.5. Phân tích tương quan giữa xói mòn liên rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
• 3.2.6. Phân tích tương quan giữa xói mòn rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
• 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 dòng chảy bùn cát

Mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực nhỏ là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu thủy văn. Mô hình này giúp hiểu rõ hơn về các quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả cho việc quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng mô hình toán không chỉ giúp dự đoán lượng bùn cát mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch và bảo vệ môi trường.

1.1. Khái niệm về mô hình toán trong thủy văn

Mô hình toán trong thủy văn là các phương trình toán học mô tả các quá trình vật lý liên quan đến dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Các mô hình này thường được sử dụng để phân tích và dự đoán các hiện tượng tự nhiên.

1.2. Tầm quan trọng của mô hình mô phỏng bùn cát

Mô hình mô phỏng bùn cát giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn và vận chuyển bùn cát, từ đó đưa ra các biện pháp quản lý hiệu quả. Việc hiểu rõ các quá trình này là cần thiết để bảo vệ môi trường và tài nguyên nước.

II. Vấn đề xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực nhỏ

Xói mòn và vận chuyển bùn cát là những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng đất và nước. Các yếu tố như lượng mưa, độ dốc địa hình và loại đất đều có tác động lớn đến quá trình này. Việc nghiên cứu và mô phỏng các vấn đề này là cần thiết để tìm ra giải pháp hiệu quả.

2.1. Nguyên nhân gây xói mòn trên lưu vực

Nguyên nhân chính gây xói mòn bao gồm lượng mưa lớn, độ dốc cao và loại đất dễ bị xói mòn. Những yếu tố này kết hợp với nhau tạo ra áp lực lớn lên bề mặt đất, dẫn đến hiện tượng xói mòn nghiêm trọng.

2.2. Hệ quả của xói mòn và vận chuyển bùn cát

Xói mòn không chỉ làm giảm chất lượng đất mà còn ảnh hưởng đến nguồn nước. Bùn cát được vận chuyển vào các nguồn nước, gây ô nhiễm và làm giảm khả năng chứa nước của các hồ chứa.

III. Phương pháp xây dựng mô hình toán mô phỏng bùn cát

Việc xây dựng mô hình toán mô phỏng bùn cát đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các phương trình toán học được sử dụng để mô tả các quá trình vật lý, từ đó tạo ra mô hình có khả năng dự đoán chính xác lượng bùn cát trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Các phương trình cơ bản trong mô hình

Các phương trình cơ bản trong mô hình bao gồm phương trình dòng chảy và phương trình vận chuyển bùn cát. Những phương trình này giúp mô phỏng chính xác các quá trình diễn ra trong tự nhiên.

3.2. Thuật toán giải mô hình toán

Thuật toán giải mô hình toán là bước quan trọng để xử lý các phương trình đã xây dựng. Việc lựa chọn thuật toán phù hợp sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình toán mô phỏng bùn cát

Mô hình toán mô phỏng bùn cát đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu thực tiễn. Các kết quả từ mô hình giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc bảo vệ tài nguyên nước và đất.

4.1. Nghiên cứu tại lưu vực Nậm Sập

Tại lưu vực Nậm Sập, mô hình đã được áp dụng để dự đoán lượng bùn cát bị xói mòn. Kết quả cho thấy mô hình có khả năng dự đoán chính xác, giúp cải thiện quản lý tài nguyên nước.

4.2. Kết quả từ mô hình tại lưu vực Phiêng Hiềng

Mô hình tại lưu vực Phiêng Hiềng cũng cho thấy hiệu quả trong việc dự đoán xói mòn. Các dữ liệu thu thập được từ mô hình đã hỗ trợ trong việc quy hoạch sử dụng đất.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu mô hình toán

Mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực nhỏ là một công cụ hữu ích trong nghiên cứu thủy văn. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình có khả năng dự đoán chính xác, từ đó mở ra nhiều triển vọng cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.1. Tương lai của mô hình toán trong nghiên cứu thủy văn

Mô hình toán sẽ tiếp tục được phát triển và cải tiến để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu ngày càng cao. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao độ chính xác của mô hình.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện mô hình để có thể áp dụng cho các lưu vực lớn hơn và đa dạng hơn. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của mô hình trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Thủy văn học (mã số: 62 44 90 01) của tác giả Đào Tấn Quy với đề tài "Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ" được thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi năm 2017 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Thị Hương Lan và PGS.TS Ngô Lê Long.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và hoạt động khai thác tài nguyên của con người, tài nguyên đất đai đang bị thoái hóa nghiêm trọng. Theo số liệu của Bộ Khoa học và Công nghệ được trích dẫn trong văn bản, Việt Nam có hơn 13 triệu hecta đất bị suy thoái thành đất trống, đồi núi trọc, trong đó có 1,2 triệu hecta đã bị xói mòn trơ sỏi đá. Với đặc thù địa hình 3/4 diện tích là đồi núi, nằm trong vùng nhiệt đới ẩm gió mùa, hệ thống sông suối ngắn và dốc dẫn đến khả năng giữ nước kém, tốc độ dòng chảy lớn, thường xuyên gây ra lũ quét, xói mòn và rửa trôi mạnh. Theo thống kê của FAO – UNEP, hàng năm trên thế giới có khoảng từ 5 đến 7 triệu hecta đất bị mất khả năng sản xuất do xói mòn.

Mô hình toán là công cụ để định lượng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực với ưu điểm tiết kiệm chi phí, khả năng mô phỏng linh hoạt trên nhiều quy mô lưu vực và dự tính theo các kịch bản khác nhau. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu trong nước và quốc tế trước đây chủ yếu sử dụng phương trình mất đất phổ dụng (USLE) hoặc các biến thể kinh nghiệm. Hướng tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế: phạm vi ứng dụng mang tính địa phương, độ chính xác giảm khi áp dụng sang các lưu vực khác, chưa mô tả quá trình bồi lắng và chuyển tải hạt bùn cát, đồng thời không có khả năng tính toán chi tiết cho từng trận mưa đơn lẻ hoặc các bước thời gian ngắn. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng một mô hình toán dựa trên cơ chế vật lý mô phỏng đồng thời dòng chảy và vận chuyển bùn cát theo thời gian thực cho các lưu vực vừa và nhỏ tại Việt Nam là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu 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 (cụ thể là lưu vực Nậm Sập và Phiêng Hiềng thuộc tỉnh Sơn La).

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 không gian: Áp dụng cho các lưu vực sông có quy mô vừa và nhỏ; thử nghiệm thực tế tại lưu vực Nậm Sập, lưu vực Phiêng Hiềng (và đối chứng tiểu lưu vực Thác Mộc) thuộc tỉnh Sơn La.
• Phạm vi thời gian: Mô phỏng dòng chảy và bùn cát chi tiết theo các trận mưa đơn lẻ và chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn nhiều năm phục vụ hiệu chỉnh, kiểm định.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả hệ thống hóa lịch sử nghiên cứu xói mòn trên thế giới từ những năm 1877 tại Đức và năm 1907 tại Mỹ khi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ công bố chính sách bảo vệ tài nguyên đất. Các nghiên cứu cơ học đầu tiên về tác động của giọt mưa được thực hiện bởi Ellison (1944). Trong lịch sử phát triển, nghiên cứu xói mòn chia thành hai trường phái chính:

• Trường phái Bennett (1974): Khẳng định sự hình thành rãnh xói là do sự vận chuyển vật chất rắn bởi năng lượng dòng chảy, từ đó đề xuất kiểm soát xói mòn bằng các biện pháp cơ giới nhằm giảm vận tốc dòng chảy.
• Trường phái Ellison (1944): Khẳng định dòng chảy gia tăng do suy thoái cấu trúc bề mặt từ tác động va đập của hạt mưa, do đó kiểm soát xói mòn cần tập trung vào lớp phủ thực vật và kỹ thuật canh tác.

Các mô hình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên thế giới được chia thành hai nhóm:

1. Nhóm mô hình kinh nghiệm

• Mô hình Zingg (1940): Xác định quan hệ mất đất phụ thuộc vào độ dốc ($S$) và chiều dài sườn dốc ($L$): $A = C S^{1.60} L$.
• Mô hình Smith (1941): Bổ sung các hệ số cây trồng ($C$) và biện pháp bảo vệ đất ($P$): $A = C S^{7/5} L^{3/5} P$.
• Mô hình Musgrave (1947): Bổ sung yếu tố mưa cực đại 30 phút ($P_{30}$) chu kỳ 2 năm: $E = I R S^{1.35} L^{0.35} P_{30}^{1.75}$.
• Mô hình USLE của Wischmeier và Smith (1965, 1978): Phương trình mất đất phổ dụng $A = R \cdot K \cdot LS \cdot C \cdot P$.
• Mô hình MUSLE của Williams (1975): Cải biên USLE để tính cho từng trận mưa dựa trên tổng lượng lũ ($V$) và lưu lượng đỉnh lũ ($Q_s$): $msf = 0.95 (V \cdot Q_s)^{0.56} K \cdot LS \cdot C \cdot P$.

Tác giả	Năm công bố	Công thức tính chỉ số xói mòn mưa ($R$)
Roose	1975	$R = 0.5 \times P \times 1.73$
Morgan	1974	$R = 9.28 \times P - 8.838$
Foster và cộng sự	1981	$R = 0.276 \times P \times I_{30}$
El-Swaify và cộng sự	1985	$R = 38.5 + 0.35 P$
Wanapiryarat và cộng sự	1986	$R = -3.2353 + 1.789 \ln(x)$
Renard và Freimund	1994	$R = \frac{0.07397 F^2}{17.2}$ (với $F \ge 55\text{ mm}$)
Larionov	Liên Xô cũ	$R = \sum 0.258 X_i I_{i,30}^{0.149}$
Nguyễn Trọng Hà	ĐH Thủy Lợi	$R = 0.548257 P - 59.9$

2. Nhóm mô hình nhận thức (vật lý)

Các mô hình nhận thức xây dựng trên nền tảng phương trình liên tục của Bennett (1974): $$\frac{\partial q_s}{\partial x} + \rho_s \frac{\partial (c y)}{\partial t} = D_r + D_l$$ Trong đó $q_s$ là tải lượng bùn cát, $\rho_s$ là mật độ bùn cát, $c$ là nồng độ bùn cát, $y$ là độ sâu dòng chảy, $D_r$ là tốc độ xói mòn rãnh, $D_l$ là lượng bùn cát gia nhập từ vùng liên rãnh. Các mô hình tiêu biểu gồm:

• ANSWERS (Beasley et al., 1980): Chia lưu vực thành các ô lưới độc lập, mô tả dòng chảy và xói mòn bằng phương trình Manning, không tính bùn cát trong dòng ngầm và lòng kênh.
• CREAMS (Knisel, 1980): Phân tích riêng biệt vùng mặt sườn dốc và khe rãnh.
• AGNPS (Young et al., 1987): Mô hình hóa trên lưới ô vuông, tính toán 5 cấp hạt (sét, thịt, hạt kết nhỏ, hạt kết lớn, cát) và vận chuyển chất dinh dưỡng theo trận mưa.
• KINEROS (Woolhiser et al., 1990): Mô hình mạng lưới động lực dòng chảy và bùn cát một chiều.
• WEPP (Foster et al., 1989; Nearing et al., 1989): Tính toán quá trình liên tục cho dòng chảy mặt và rãnh nhỏ theo phương trình sóng động học và phương trình xói mòn $D_i = K_i I_e^2 G_e C_e S_f$.
• EUROSEM (Morgan et al., 1998): Mô hình châu Âu mô phỏng chi tiết sự tách hạt do động năng hạt mưa và vận chuyển trong rãnh.
• SWAT (Arnold et al., USDA-ARS): Tích hợp tính toán tài nguyên nước lưu vực dài hạn, sử dụng phương trình MUSLE tính toán bùn cát.

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, tổng lượng phù sa đổ ra Biển Đông ước tính khoảng 200 triệu tấn/năm, hàm lượng bùn cát trung bình trong sông từ $50 - 400\text{ g/m}^3$ (sông Hồng có thời điểm đạt $1000 - 2000\text{ g/m}^3$). Lịch sử nghiên cứu trong nước được chia làm 3 giai đoạn:

1. Trước năm 1954: Áp dụng kinh nghiệm dân gian qua các biện pháp công trình như ruộng bậc thang, xây kè cống.
2. Giai đoạn 1954 - 1975: Bắt đầu nghiên cứu lý luận; Chu Đình Hoàng nghiên cứu ảnh hưởng của giọt mưa và canh tác; Nguyễn Tử Xiêm và Thái Phiên đánh giá năng lực phòng hộ xói mòn của thảm thực vật rừng.
3. Giai đoạn 1975 đến nay: Phạm Ngọc Dũng ứng dụng USLE dự báo xói mòn tại Tây Nguyên; Nguyễn Trọng Hà xác định chỉ số $R$ và $K$ lập bản đồ xói mòn quy mô nhỏ; Phạm Hùng tích hợp USLE với GIS xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét; Lại Vĩnh Cẩm ứng dụng USLE cho 4 lưu vực lớn miền Bắc; Phạm Hữu Tỵ kết hợp viễn thám Landsat ETM+, radar STM với RUSLE đánh giá rủi ro xói mòn cảnh quan đồi núi.

Khoảng trống luận án giải quyết

Các công trình trong nước chủ yếu tiếp cận theo mô hình tĩnh USLE/RUSLE dạng tổng lượng năm, chưa mô phỏng quá trình động lực học của dòng chảy và bùn cát theo từng trận mưa. Các mô hình nhập ngoại phức tạp đòi hỏi nhiều tham số khó thu thập tại Việt Nam. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng mô hình toán dựa trên cơ chế vật lý (quá trình liên rãnh, rãnh xói, kênh sông), áp dụng thuật toán giải số trị cải tiến phù hợp với điều kiện số liệu của các lưu vực vừa và nhỏ tại Việt Nam.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các phương trình toán học

1. Quá trình thấm: Xác định lượng nước thấm vào các tầng đất để tính toán lượng mưa hiệu quả sinh dòng chảy tràn.
2. Phương trình mô phỏng dòng chảy: Hệ phương trình sóng động học mô tả chuyển động của dòng chảy mặt sườn dốc và dòng chảy một chiều trong mạng lưới lòng kênh/sông.
3. Phương trình diễn toán xói mòn và bùn cát: Dựa trên phương trình liên tục Bennett kết hợp định luật bảo toàn khối lượng bùn cát lơ lửng, phân chia thành 3 cấu phần:
   • Cấu phần liên rãnh (Interrill): Tách hạt đất do động năng va đập của hạt mưa và dòng chảy tràn mỏng, tính toán khả năng kháng xói và sức tải liên rãnh.
   • Cấu phần rãnh xói (Rill): Tách hạt và vận chuyển bùn cát trong các rãnh tập trung dòng chảy dưới tác động của ứng suất tiếp đáy.
   • Cấu phần kênh/sông (Channel): Vận chuyển bùn cát lơ lửng trong lòng dẫn, xác định sức tải bùn cát và lượng bồi lắng/xói lòng dẫn đến cửa ra lưu vực.

Thuật toán giải số trị

Luận án nghiên cứu và đề xuất sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn Lax-Friedrichs cải tiến có bổ sung trọng số không gian và thời gian (Lax-Friedrichs Weight - LFW). Sơ đồ này giải hệ phương trình đạo hàm riêng phi tuyến mô tả dòng chảy mặt, dòng chảy trong kênh và phương trình vận chuyển bùn cát trên lưới không gian - thời gian hình chữ nhật, đảm bảo tính ổn định số trị và hạn chế hiện tượng tiêu tán/khuếch tán giả khi mô phỏng trên sườn dốc lớn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Thu thập chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, đặc điểm thổ nhưỡng, địa hình, thảm phủ thực vật và tình hình canh tác trên lưu vực.
• Phương pháp kế thừa: Tiếp thu kết quả phân loại đất, các công thức thực nghiệm tính hệ số xói mòn đã được công nhận.
• Phương pháp viễn thám và GIS: Sử dụng các phần mềm chuyên dụng (ArcGIS, MapInfo) để xử lý mô hình số độ cao (DEM), số hóa bản đồ mạng lưới sông ngòi, bản đồ thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất và trích xuất các thông số địa hình (độ dốc $S$, chiều dài sườn dốc $L$, phân chia tiểu lưu vực).
• Phương pháp mô hình toán: Lập trình các mô đun tính toán dòng chảy và vận chuyển bùn cát, ghép nối thuật toán LFW, xây dựng giao diện tương tác và chạy mô phỏng.
• Phương pháp chuyên gia và tham vấn cộng đồng: Tham khảo ý kiến chuyên gia thủy văn, thổ nhưỡng để hiệu chỉnh các khoảng biến thiên thông số thực tế.

---

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 này tập trung phân tích bản chất vật lý của quá trình xói mòn do nước (xói mòn bắn tóe, xói mòn bề mặt, xói mòn rãnh nhỏ, xói mòn tuyến và trượt lở khối). Tác giả làm rõ các nhân tố chính tác động đến quá trình xói mòn:

• Nhân tố mưa: Động năng giọt mưa, lượng mưa và cường độ mưa ($I_{30}$).
• Nhân tố thổ nhưỡng: Thành phần cơ giới đất (cát, thịt, sét), kích thước kết hạt ($2 - 500\ \mu\text{m}$), tỷ trọng tương đối khoảng 1,8; đất sét khó tách hạt, đất cát dễ thấm nhưng khó vận chuyển hạt thô, đất thịt dễ bị xói mòn nhất.
• Nhân tố địa hình: Độ dốc ($S$) và chiều dài sườn ($L$). Khi chiều dài sườn dốc tăng 2 lần, lượng đất xói mòn tăng gần 2 lần trên đất lâm nghiệp và tăng gần 3 lần trên đất trồng cà phê.
• Nhân tố thảm phủ: Tán lá giữ lại $5 - 30%$ lượng mưa (theo Lee MacDonald); tán rừng cao trên 10m có thể tích tụ giọt nước lớn làm tăng động năng giọt mưa nếu tầng mặt đất thiếu thảm mục.
• Số liệu tải lượng phù sa toàn cầu: Tổng lượng phù sa hàng năm của một số sông lớn trên thế giới được thống kê nhằm đối chiếu quy mô xói mòn:

Tên sông	Quốc gia / Khu vực	Lượng phù sa hàng năm (tỷ tấn)
Hoàng Hà	Trung Quốc	1600
Ganges	Ấn Độ	1455
Amazon	Nam Mỹ	363
Mississippi	Mỹ	300
Kosi	Ấn Độ	172
Mê Kông	Đông Nam Á	170
Nile	Châu Phi	111

Bảng tra hệ số thảm phủ $C$ theo Hội Khoa học đất Quốc tế:

Độ che phủ thực vật (%)	Rừng nhiệt đới và có lớp phủ ($>50\text{ mm}$)	Bãi chăn thả, cây lâu năm thấp	Cây hàng năm	Cây che phủ (chiều cao 4m)	Cây che phủ (chiều cao 2m)	Cây che phủ (chiều cao 1m)	Cây che phủ (chiều cao 0,5m)
0	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
20	0,30	0,95	0,90	0,83	0,83	0,009	0,30
40	0,09	0,89	0,80	0,72	0,66	-	0,09
60	0,027	0,84	0,70	0,58	0,50	-	0,056
80	0,008	0,78	0,60	0,44	0,33	-	0,050
100	0,002	0,73	0,50	0,30	0,16	0,0001	0,043

Chương 1 kết luận bằng việc chỉ ra các giới hạn của mô hình USLE/MUSLE và khẳng định hướng nghiên cứu tiếp cận mô hình nhận thức dựa trên cơ chế phân rãnh - liên rãnh kết hợp giải sai phân số trị.

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 toàn bộ cấu trúc toán học và kiến trúc phần mềm của mô hình:

1. Hệ phương trình toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả quá trình thấm, dòng chảy mặt sườn dốc, dòng chảy trong lòng dẫn và phương trình liên tục bùn cát một chiều có xét đến các nguồn gia nhập và bồi lắng.
2. Đề xuất thuật toán giải LFW: Phát triển sơ đồ sai phân Lax-Friedrichs có trọng số không gian và thời gian. Thuật toán phân rã tính toán thành các bước:
   • Giải dòng chảy mặt và dòng chảy kênh để xác định trường độ sâu ($y$) và vận tốc ($v$).
   • Giải phương trình bùn cát liên rãnh, rãnh xói và truyền tải bùn cát trong mạng lưới kênh sông.
3. Kiến trúc phần mềm mô hình:
   • Cấu trúc chương trình gồm 2 thành phần cơ bản: Khối cơ sở dữ liệu không gian (tích hợp GIS) và Khối tính toán thủy lực - bùn cát.
   • Các mô đun chính: Mô đun nạp dữ liệu địa hình/mưa; Mô đun tính toán thấm và dòng chảy tràn; Mô đun tính toán xói mòn liên rãnh và rãnh; Mô đun diễn toán lũ và bùn cát lòng dẫn; Mô đun kết xuất biểu đồ đường quá trình lưu lượng $Q(t)$ và hàm lượng bùn cát $S(t)$.
   • Giao diện người dùng: Thiết kế các cửa sổ chức năng mở tệp dữ liệu, cài đặt thông số mô hình và chạy chương trình 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 tiến hành thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình trên hai lưu vực thực tế tại tỉnh Sơn La:

1. Lưu vực Nậm Sập:
   • Thu thập số liệu địa hình, mạng lưới sông ngòi, trạm đo khí tượng thủy văn, bản đồ thổ nhưỡng và hiện trạng sử dụng đất.
   • Phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực tính toán.
   • Tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình qua các trận mưa thực đo: so sánh đường quá trình lưu lượng $Q(t)$ và đường quá trình hàm lượng bùn cát lơ lửng $S(t)$ giữa tính toán và thực đo tại trạm cửa ra.
   • Đối chứng kiểm định trên tiểu lưu vực Thác Mộc.
2. Lưu vực Phiêng Hiềng:
   • Thiết lập bộ dữ liệu không gian (bản đồ địa hình, thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất năm 2015, bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy).
   • Chạy mô phỏng kiểm định đường quá trình lưu lượng và nồng độ bùn cát qua nhiều trận mưa lũ.
3. Phân tích độ nhạy và thiết lập phương trình tương quan:
   • Đánh giá độ nhạy của các thông số nhám, hệ số xói mòn đất, chỉ số che phủ đối với lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng bùn cát.
   • Thiết lập các phương trình tương quan thực nghiệm giữa xói mòn liên rãnh với độ dốc ($S$) và cường độ mưa ($I$).
   • Thiết lập phương trình tương quan giữa xói mòn rãnh với độ dốc ($S$) và cường độ mưa ($I$), phục vụ dự báo nhanh tải lượng bùn cát theo kịch bản mưa.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Theo công bố của tác giả trong phần mở đầu và kết luận, luận án đạt được hai đóng góp mới chính:

1. Về mặt lý luận và phương pháp: Xây dựng thành công mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ, ứng dụng thuật toán sơ đồ sai phân 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.
2. Về mặt thực tiễn và ứng dụng: Xây dựng được hệ phương trình tương quan giữa lượng xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh trên các lưu vực nghiên cứu thực tế (lưu vực Nậm Sập, lưu vực Phiêng Hiềng thuộc tỉnh Sơn La) với độ dốc địa hình và cường độ mưa; cho phép dự báo nhanh lượng bùn cát xói mòn và vận chuyển từ lưu vực theo các kịch bản cường độ mưa khác nhau.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đề xuất ứng dụng mô hình toán đã xây dựng như một công cụ hỗ trợ các cơ quan quản lý tại địa phương (đặc biệt là tỉnh Sơn La và vùng núi phía Bắc) trong công tác giám sát, tra cứu thông tin và theo dõi tác động của xói mòn, bồi lắng bùn cát.
• Ứng dụng kết quả tính toán xói mòn để phục vụ công tác quy hoạch tài nguyên nước, thiết kế dung tích chết cho các công trình hồ chứa thủy lợi - thủy điện vừa và nhỏ trên địa bàn.
• Đề xuất quy hoạch sử dụng đất dốc hợp lý, duy trì độ che phủ rừng và áp dụng các biện pháp canh tác nông lâm kết hợp để giảm thiểu xói mòn đất mặt.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản:

• Phạm vi đối tượng: Mô hình được thiết lập và kiểm nghiệm chuyên biệt cho các lưu vực có quy mô vừa và nhỏ; chưa thử nghiệm trên các lưu vực sông lớn có chế độ thủy văn phức tạp.
• Yêu cầu dữ liệu đầu vào: Mô hình đòi hỏi chuỗi số liệu mưa thời đoạn ngắn (độ phân giải cao theo từng phút/giờ) và số liệu quan trắc bùn cát đồng bộ theo từng trận mưa – nguồn tài liệu này tại nhiều vùng núi còn hạn chế.
• Cơ chế xói mòn: Luận án tập trung chủ yếu vào xói mòn do nước (xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh và xói lở lòng dẫn); các hiện tượng sạt lở khối lớn, trượt lở địa chất sâu chưa được tích hợp hoàn toàn trong mô hình thủy lực bề mặt.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng thử nghiệm mô hình cho các vùng địa hình, khí hậu khác nhau trên cả nước; tích hợp thêm các mô đun tự động hóa liên kết sâu giữa GIS, viễn thám thời gian thực và mô hình tính toán.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo trong các lĩnh vực:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Thủy văn học, Tài nguyên nước, Kỹ thuật công trình thủy: Tham khảo cơ sở lý thuyết về động lực học bùn cát, phương pháp thiết lập phương trình liên tục Bennett và kỹ thuật giải sai phân LFW có trọng số cho bài toán dòng chảy tràn và lòng dẫn.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng các kết quả đánh giá tổng quan, bảng tra hệ số thảm phủ $C$, các công thức tính chỉ số xói mòn do mưa ($R$) và phương pháp ghép nối mô hình thủy lực với GIS phục vụ giảng dạy các chuyên đề mô hình toán thủy văn.
• Cơ quan quản lý nhà nước và kỹ sư quy hoạch tại địa phương (Sơn La và các tỉnh miền núi): Sử dụng phần mềm và các phương trình tương quan xói mòn - mưa để dự tính bùn cát bồi lắng hồ chứa, đánh giá nguy cơ thoái hóa đất và lập quy hoạch bảo vệ lưu vực đầu nguồn.

---

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? Luận án đề xuất và áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn Lax-Friedrichs có bổ sung trọng số không gian và thời gian (Lax-Friedrichs Weight - LFW) để giải hệ phương trình vi phân mô phỏng dòng chảy mặt, dòng chảy trong kênh và phương trình vận chuyển bùn cát trên lưới không gian - thời gian.

2. Mô hình toán trong luận án phân chia quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực thành các cấu phần nào? Mô hình mô phỏng dựa trên 3 cấu phần cơ bản: (1) Quá trình xói mòn và vận chuyển liên rãnh (Interrill); (2) Quá trình xói mòn và vận chuyển trong rãnh (Rill); (3) Quá trình chuyển tải, xói lở và bồi lắng bùn cát trong hệ thống lòng kênh/sông dẫn đến cửa ra lưu vực.

3. Mô hình toán được thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định tại các địa bàn cụ thể nào? Mô hình được thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định trên chuỗi số liệu thực tế của hai lưu vực vừa và nhỏ tại tỉnh Sơn La: lưu vực Nậm Sập (kết hợp đối chứng tiểu lưu vực Thác Mộc) và lưu vực Phiêng Hiềng.

4. Khác biệt cốt lõi giữa mô hình toán của luận án so với mô hình USLE truyền thống là gì? Mô hình USLE là mô hình kinh nghiệm tính toán lượng mất đất trung bình năm trên diện rộng, không phản ánh diễn biến theo thời gian, không áp dụng được cho từng trận mưa đơn lẻ và không mô phỏng quá trình bồi lắng hay vận chuyển trong lòng kênh. Mô hình của luận án là mô hình nhận thức vật lý, mô phỏng đồng thời dòng chảy và bùn cát theo các bước thời gian ngắn cho từng trận mưa, tách biệt xói mòn liên rãnh, rãnh và lòng dẫn.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Đào Tấn Quy đã nghiên cứu cơ sở khoa học và xây dựng thành công mô hình toán mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ dựa trên sơ đồ sai phân hữu hạn Lax-Friedrichs cải tiến có trọng số (LFW). Công trình đã thực hiện tính toán thử nghiệm, hiệu chỉnh và kiểm định trên các lưu vực Nậm Sập và Phiêng Hiềng thuộc tỉnh Sơn La, đồng thời thiết lập các phương trình tương quan giữa lượng xói mòn với độ dốc địa hình và cường độ mưa. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ hỗ trợ công tác dự báo bồi lắng, quy hoạch tài nguyên nước và quản lý sử dụng đất dốc tại các vùng núi phía Bắc 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.