Chương 1. Tổng quan nghiên cứu và giới thiệu lưu vực sông La: giới thiệu các nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy trong và ngoài nước; các phương pháp tính thấm và giới thiệu về điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển KTXH của vùng nghiên cứu; Chương 2. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE và yêu cầu số liệu sử dụng: giới thiệu chung về mô hình MIKE SHE, các cơ sở lý thuyết toán học của mô hình và các yêu cầu đầu vào của mô hình. Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La 3 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI THIỆU LƢU VỰC SÔNG LA 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Khi đánh giá nguồn nước của một khu vực, vùng lãnh thổ hay một quốc gia, sông ngòi là đối tượng được chú ý nhiều nhất vì vị trí quan trọng của nó. Một vùng đất không có hoặc có rất ít dòng chảy sông ngòi thường là vùng đất kém phát triển ở tất cả các phương diện. Dòng chảy sông ngòi là yếu tố chính trong phương trình cân bằng nước của một lưu vực sông vì nó bao hàm các đặc điểm của lượng mưa rơi trên khu vực, khả năng tập trung, tích tụ và vận chuyển nước ở trên mặt, dưới lòng đất và trao đổi với biển. Hệ thống sông phải bao gồm tất cả các sông, suối, ao hồ, đầm lầy, đồng trũng và cửa ra của lưu vực.
Dòng chảy của sông càng phong phú về nguồn nước thì càng chứng tỏ sự phát triển về mặt tự nhiên và nhân tạo ở nơi chúng chảy qua. Hầu hết các con sông đều cong, uốn lượn, không cân đối về mặt cắt ngang ở hai bên bờ và thay đổi bề rộng sông dọc theo chiều dòng chảy. Sự thay đổi hình thể sông rạch và dòng chảy thường xảy ra liên tục trong suốt quá trình lịch sử tiến triển của tự nhiên. Tiến trình thay đổi này thường diễn ra từ từ, rất chậm so với với thời gian của đời người.
Tuy nhiên, khi con người áp đặt các công trình trên hệ thống sông thì sự thay đổi trực tiếp và gián tiếp dòng chảy và quá trình biến hình lòng dẫn, do xói lở hay bồi lắng hoặc đổi dòng, sẽ xảy ra rất nhanh, có thể là tức thời hoặc chỉ trong một thời gian ngắn. Trong khi đó, các thay đổi khác về chất lượng nước, đa dạng sinh học, hình dạng dòng sông. cả về phía thượng lưu và hạ lưu có thể diễn ra trong một thời gian dài hơn.1 Trên thế giới Từ những năm đầu của thập kỷ 60 thế kỷ 20 đã diễn ra sự phát triển sâu rộng việc mô hình hóa dòng chảy sông ngòi. Vấn đề mô hình hóa dòng chảy được thảo luận trên nhiều hội nghị Quốc tế, lượng mô hình hoá dòng chảy đã tăng lên không ngừng.
Các mô hình toán thuỷ văn đã được nhanh chóng ứng dụng trong công tác quy hoạch và quản lý nguồn nước cũng như trong thiết kế công trình thuỷ lợi. Các mô hình toán thuỷ văn không những giúp ta phân tích sâu hơn bản chất hiện tượng 4 thuỷ văn mà còn làm tăng tính hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình quy hoạch, thiết kế và quản lý hệ thống nguồn nước. Trong những năm gần đây các mô hình toán thuỷ văn phát triển rất mạnh và đã được ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch và thiết kế các công trình thuỷ lợi. Mô phỏng hệ thống là phương thức mô tả một hệ thống bằng một hệ thống không thực do người nghiên cứu tạo ra.
Trên hệ thống nhân tạo, các quá trình vật lý của mô hình thực được mô tả gần đúng hoặc tương tự. Các quy luật vật lý của hệ thống thực được suy ra từ những kết quả nghiên cứu trên hệ thống do người nghiên cứu tạo ra. Có nhiều cách mô phỏng, bao gồm: mô hình vật lý, mô hình toán v.Chẳng hạn quá trình tập trung nước trên lưu vực có thể mô tả bằng mô hình tương tự điện. Các quy luật chuyển động nước trong lòng dẫn có thể mô tả bằng các mô hình vật lý được xây dựng trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn tương tự.
Khi nghiên cứu các hệ thống kỹ thuật và hệ nguồn nước người ta sử dụng mô phỏng toán học. Mô phỏng toán học là sự biểu đạt các quy luật vật lý và quá trình hoạt động của hệ thống bằng các biểu thức toán học bao gồm các hàm số, các công thức toán học, các biểu thức logic, các bảng biểu và các biểu đồ. Mô hình thông số phân bố thuộc nhóm mô hình tất định. Mô hình thông số phân phối lại được chia làm 3 loại: mô hình sóng động học, mô hình sóng động lực và mô hình sóng khuếch tán.
Khi sử dụng mô hình thông số phân bố thì dòng chảy được coi là hàm của cả không gian và thời gian trên toàn hệ thống, tức là người ta xem xét diễn biến của các quá trình dòng chảy tại các vị trí khác nhau trong không gian. Trên cơ sở phân tích các hiện tượng vật lý tạo nên quá trình hình thành dòng chảy để xây dựng những quy luật tương ứng, được biểu diễn dưới dạng các phương trình, các biểu thức toán học dựa trên 3 quy luật chung nhất của vật lý là: - Bảo toàn vật chất (phương trình liên tục hay phương trình cân bằng nước); - Bảo toàn năng lượng (phương trình cân bằng động lực hay phương trình chuyển động thể hiện nguyên lý Dalambera); - Bảo toàn động lượng (phương trình động lượng). 5 Trong trường hợp tổng quát, những công thức được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng thì đặc trưng địa hình - thủy địa mạo lòng sông đóng vai trò các thông số phương trình (các hằng số, hoặc trong trường hợp chung sẽ biến đổi theo thời gian), quá trình dòng chảy tại các nút vào hoặc nút ra của hệ thống sông là điều kiện biên, còn trạng thái dòng chảy ban đầu gọi là những điều kiện ban đầu. Hệ phương trình Saint -Venant được giải bằng phương pháp số là một điển hình về cách tiếp cận này.
Bởi vậy, mô hình thông số phân bố còn được gọi là mô hình vật lý - toán hoặc còn gọi là mô hình thủy lực. Các mô hình thông số phân bố có thể được dùng để diễn toán dòng chảy trong hệ thống lòng dẫn, diễn toán dòng chảy chậm như nước tưới được cấp qua một hệ thống kênh hay hệ thống sông. Quá trình dòng chảy trong cả hai ứng dụng trên biến đổi trong một không gian 3 chiều. Chẳng hạn vận tốc trong một con sông thay đổi theo chiều dọc, theo chiều ngang của sông và cũng thay đổi theo chiều sâu từ mặt thoáng tới đáy sông.
Tuy nhiên đối với nhiều mục đích tính toán thực tế, sự thay đổi theo không gian của vận tốc theo chiều ngang của lòng dẫn và theo chiều sâu có thể được bỏ qua để cho quá trình dòng chảy được xấp xỉ coi như biến đổi theo không gian một chiều, dọc theo dòng chảy trong kênh sông hay theo chiều dòng chảy. Hệ phương trình Saint -Venant mô tả dòng không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở có thể được áp dụng cho trường hợp này. Bằng việc sử dụng phương trình liên tục dạng đầy đủ và loại trừ một số thành phần trong phương trình động lực ta sẽ có các dạng mô hình thông số phân bố khác nhau. Các mô hình sóng động học, sóng khuếch tán, sóng động lực là những ví dụ điển hình về mô hình diễn toán dòng không ổn định phân bố, một chiều này.
Trên thế giới, công trình đầu tiên nghiên cứu về đặc trưng thấm của đất là của nhà bác học Darcy vào năm 1856, ông đã đưa ra Định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất. Sau này có rất nhiều mô hình thấm nước của đất đã được phát triển dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm. Đáng chú ý là mô hình thấm của Green – Ampt (1911), Horton (1933), Philip (1957), Smith (1972) và Smith and Parlange (1978). Mô hình Green - Ampt được xây dựng dựa trên cơ sở của định luật Darcy.
Horton (1933) (Surendra Kumar Mishra and Vijay P.Singh, 2003) 6 lại dựa vào tốc độ thấm khởi đầu, ổn định xây dựng mô hình thấm. Philip (1957) lại sử dụng tỉ lệ hút nước và tốc độ thấm nước ổn định rồi thiết lập mô hình thấm nước. Ngoài ra còn các mô hình thấm nước được các tác giả và tổ chức khác xây dựng như Zhao (1981), HEC (1981), Simgh and Yu (1990), Mishra and Singh (2002). Những mô hình thấm và khả năng trữ nước đã đạt được những thành công khá lớn và đã đặt tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau như khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, rừng,.
Trong đó những công trình nghiên cứu về độ ẩm đất phục vụ khí tượng thủy văn đã có từ rất sớm như nghiên cứu của T.Manabe (1983) về tác động của độ ẩm đất đến biến đổi khí tượng thủy văn khu vực. Tác giả đã miêu tả hàng loạt các mô phỏng kinh nghiệm cho 3 khu vực vĩ độ khác nhau 30oN-60oN, 0-30oN, và 15oS-15oN để cho thấy sự biến đổi của chu trình thủy văn trong nhưng khu vực này. Năm 1988, Thomas L, Delwworth and Syukuro Manabe lại có nghiên cứu về ảnh hưởng của bốc hơi tiềm năng đến biến đổi khí tượng và độ ẩm đất. Năm 1994 Alan Robock, Vinnikov và Adam Schlosser sử dụng độ ẩm đất trung độ và dữ liệu khí tượng quan trăc để mô phỏng độ ẩm đất với mô hình Biosphere và Bucket.Srinivasan, Alan Robock và nnk (2000) đã mô phỏng độ ẩm đất dựa trên mô hình so sánh khí quyển (AMIP).
Tác giả đã mô phỏng và so sánh độ ẩm đất tính toán với độ ẩm đất thực tế của các khu vực trên thế giới. Năm 2001, Zaitao Pan, Raymond .Wrritt và nnk đã mô phỏng và dự báo độ đẩm đất dựa trên mô hình khí hậu khu vực. Moore đã sử dụng độ ẩm đất để dự báo thủy văn. Trong nghiên cứu dữ liệu độ ẩm đất được xác định từ mô hình khí tượng và sau đó được đưa vào mô hình thủy văn để hiệu chỉnh kiểm định cho khu vực lưu vực sông Thames.
Kết quả độ ẩm đất phù hợp với mô hình tạo kết quả tính toán tương đối chính xác cho mô hình thủy văn. Trên cơ sở nghiên cứu đó cho thấy dóng chảy bề mặt khá nhạy cảm với các tính chất của đất thương lưu hay là độ ẩm đất, cũng như các thông số trong mô hình mưa rào dòng chảy.
