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

157 trang thiennha21 14/04/2022 4100

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dõng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_xay_dung_mo_hinh_toan_mo_phong_dong_chay.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dõng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO TẤN QUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO TẤN QUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ \ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62 44 90 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phạm Thị Hƣơng Lan 2. PGS.TS. Ngơ Lê Long HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đƣợc luận án, tác giả bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tập thể thầy cơ hƣớng dẫn: PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan và PGS. TS Ngơ Lê Long (Trƣờng Đại học Thủy Lợi) về sự hƣớng dẫn tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án. Nhân dịp này, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ mơn Mơ hình tốn và Dự báo khí tƣợng thủy văn, Khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phịng Đào tạo Đại học và sau Đại học, Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để luận án đƣợc hồn thành. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ mơn Tốn học – Khoa Cơng nghệ thơng tin - Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện tốt nhất, quan tâm giúp đỡ về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu và hồn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 02 năm 2017 Tác giả Đào Tấn Quy i
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, khơng sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, tháng 02 năm 2017 Tác giả Đào Tấn Quy ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 3 7. NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN 4 8. CẤU TRƯC CỦA LUẬN ÁN 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 5 1.1. Tổng quan về xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 5 1.1.1. Một số khái niệm, thuật ngữ 5 1.1.1.1. Xĩi mịn lƣu vực 5 1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng 6 1.1.2. Nguyên nhân chính gây xĩi mịn, ảnh hưởng đến xĩi mịn 6 1.1.2.1. Các yếu tố gây xĩi mịn 6 1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xĩi mịn 8 1.1.3. Phân loại xĩi mịn lưu vực 11 1.1.4. Vận chuyển bùn cát trên lưu vực 13 1.2. Các nghiên cứu trên thế giới 13 1.2.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xĩi mịn 13 1.2.2. Nghiên cứu về các mơ hình mơ phỏng quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 15 1.2.2.1. Mơ hình kinh nghiệm 15 1.2.2.2. Mơ hình nhận thức 25 1.2.3. Các thuật tốn giải trong các mơ hình mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 30 1.3. Các nghiên cứu trong nƣớc 31 1.3.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xĩi mịn 31 iii
1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 32 1.4. Những khoảng trống trong nghiên cứu xĩi mịn và vận chuyển bùn cát – Hƣớng nghiên cứu chính của luận án 35 1.4.1. Những khoảng trống trong nghiên cứu xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 35 1.4.2. Định hướng nghiên cứu của luận án 36 Kết luận chƣơng 1: 36 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 37 2.1. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật tốn giải 37 2.1.1. Cơ sở lý thuyết 37 2.1.1.1. Phƣơng trình thấm 37 2.1.1.2. Phƣơng trình mơ phỏng dịng chảy 38 2.1.1.3. Phƣơng trình diễn tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 40 2.1.2. Nghiên cứu đề xuất thuật tốn giải 44 2.1.2.1. Thuật tốn giải hệ phƣơng trình mơ phỏng dịng chảy trên bề măṭ lƣu vực 44 2.1.2.2. Thuật tốn giải hệ phƣơng trình mơ phỏng dòng chảy trong kênh/sơng: 49 2.1.2.3. Thuật tốn giải phƣơng trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 50 2.1.2.4. Thuật tốn giải phƣơng trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sơng 55 2.2. Xây dựng các thành phần của mơ hình 56 2.2.1. Quá trình liên rãnh 57 2.2.1.1. Khả năng xĩi mịn liên rãnh 58 2.2.1.2. Vận chuyển bùn cát liên rãnh 59 2.2.2. Quá trình xĩi mịn rãnh 61 2.2.2.1. Xĩi mịn rãnh 61 2.2.2.2. Vận chuyển bùn cát trong rãnh 63 2.2.3. Quá trình lịng kênh/sơng 64 2.2.3.1. Sức tải bùn cát trong kênh/sơng 64 2.2.3.2. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sơng 65 2.3. Phân tích lựa chọn ngơn ngữ xây dựng mơ hình 65 2.4. Cấu trúc và chức năng của một số chƣơng trình con 66 2.4.1. Cấu trúc và một số mơ đun chính 66 2.4.1.1 Cấu trúc chƣơng trình: Cĩ hai thành phần cơ bản 66 2.4.1.2 Một số mơ đun chính 66 2.4.2. Chức năng của một số chương trình con 72 iv
2.5. Giao diện sử dụng chƣơng trình 72 Kết luận chƣơng 2 74 CHƢƠNG 3. THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH ĐỂ MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 75 3.1. Số liệu đầu vào cho mơ hình 75 3.1.1. Tạo cơ sở dữ liệu 75 3.1.2. Chạy mơ hình 75 3.2. Thử nghiệm mơ hình để mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 75 3.2.1. Lưu vực Nậm Sập 75 3.2.1.1. Vị trí địa lý 75 3.2.1.2. Đặc điểm địa hình 76 3.2.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng 77 3.2.1.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất 79 3.2.1.5. Đặc điểm khí hậu 80 3.2.1.6. Đặc điểm khí tượng thủy văn 81 3.2.1.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mơ hình 85 3.2.1.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 86 3.2.2. Lưu vực Phiêng Hiềng 90 3.2.2.1. Vị trí địa lý 90 3.2.2.2. Đặc điểm địa hình 91 3.2.2.3. Đặc điểm thổ nhƣỡng 92 3.2.2.4. Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất 94 3.2.2.5. Đặc điểm khí hậu 95 3.2.2.6. Đặc điểm khí tƣợng thủy văn 96 3.2.2.7. Yêu cầu số liệu đầu vào mơ hình 100 3.2.2.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 102 3.2.3. Xây dựng phƣơng trình tƣơng quan 105 3.2.3.1. Phân tích độ nhạy của các thơng số mơ hình 105 3.2.3.2. Phân tích tƣơng quan giữa xĩi mịn liên rãnh trên lƣu vực với độ dốc và cƣờng độ mƣa 108 3.2.3.3. Phân tích tƣơng quan giữa xĩi mịn rãnh trên lƣu vực với độ dốc và cƣờng độ mƣa 110 Kết luận chƣơng 3 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 123 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Bảng tra để tính C theo hội Khoa học đất Quốc tế 23 Bảng 3-1. Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Nậm Sập 79 Bảng 3-2. Loại hình sử dụng đất tại lƣu vực Phiêng Hiềng 94 vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến xĩi mịn đất 8 Hình 1-2. Tỷ lệ xĩi mịn tại các châu lục trên thế giới 14 Hình 1-3. Sử dụng lƣới hình chữ nhật giải phƣơng trình trong mơ hình động lực 31 Hình 2-1. Sơ đồ sai phân Lax- Friedrichs 44 Hình 2-2. Sơ đồ hình thành dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 56 Hình 2-3. Sơ đồ tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 57 Hình 2-4. Sơ đồ khối tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát liên rãnh 66 Hình 2-5. Sơ đồ khối tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát rãnh 69 Hình 2-6. Sơ đồ khối tính lƣợng bùn cát vận chuyển trong sơng đến cửa ra 69 Hình 2-7. Màn hình khởi động chƣơng trình 72 Hình 2-8. Giao diện mở tệp dữ liệu 73 Hình 2-9. Giao diện chạy chƣơng trình 73 Hình 3-1. Bản đồ vị trí lƣu vực Nậm Sập 76 Hình 3-2. Bản đồ địa hình lƣu vực Nậm Sập 77 Hình 3-3. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Nậm Sập 78 Hình 3-4. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Nậm Sập 80 Hình 3-5. Bản đồ mạng lƣới sơng ngịi lƣu vực Nậm Sập 82 Hình 3-6. Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Nậm Sập 83 Hình 3-7. Bản đồ đẳng trị mơ đun dịng chảy lƣu vực Nậm Sập 84 Hình 3-8. Các tiểu lƣu vực của Nậm Sập 86 Hình 3-9. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính tốn và thực đo 87 Hình 3-10. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính tốn và thực đo 88 Hình 3-11. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính tốn và thực đo 88 Hình 3-12. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính tốn và thực đo 89 Hình 3-13. Hàm lƣợng bùn cát trên lƣu vực Thác Mộc 89 Hình 3-14. Bản đồ vị trí lƣu vực Phiêng Hiềng 90 Hình 3-15. Bản đồ địa hình lƣu vực Phiêng Hiềng 91 Hình 3-16. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực Phiêng Hiềng 93 Hình 3-17. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực Phiêng Hiềng năm 2015 95 Hình 3-18. Bản đồ mạng lƣới sơng ngịi lƣu vực Phiêng Hiềng 97 Hình 3-19. Bản đồ lƣới trạm quan trắc trên lƣu vực Phiêng Hiềng 98 Hình 3-20. Bản đồ đẳng trị mơ đun dịng chảy lƣu vực Phiêng Hiềng 99 Hình 3-21. Các tiểu lƣu vực của Phiêng Hiềng 101 vii
Hình 3-22. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính tốn và thực đo 103 Hình 3-23. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính tốn và thực đo 103 Hình 3-24. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính tốn và thực đo 104 Hình 3-25. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính tốn và thực đo 104 Hình 3-26. Đƣờng biểu diễn kết quả khi thay đổi thơng số mơ hình 107 Hình 3-27. Tƣơng quan giữa xĩi mịn liên rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa 109 Hình 3-28. Tƣơng quan giữa xĩi mịn rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa 111 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FAO: Food and Ariculture Organization GIS: Geographic information system LFW: Lax Friedrich Weight MUSLE: Modified Universal Soil Loss Equation USLE: Universal Soil Loss Equation UNEP: United Nation Enviromemt Program ix
MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Trong những năm gần đây, dƣới tác động của các nhân tố tự nhiên và hoạt động khai thác tài nguyên của con ngƣời, đất đai đang ngày càng bị thối hĩa nghiêm trọng và biến đổi một cách nhanh chĩng. Sự tác động tiêu cực của tự nhiên, sự biến đổi của khí hậu tồn cầu gây nên tình trạng xĩi mịn, vận chuyển bùn cát, thối hĩa đất trên lƣu vực, đặc biệt là các vùng đất dốc. Theo báo cáo của Bộ Khoa học và Cơng nghệ nƣớc ta cĩ hơn 13 triệu ha đất bị suy thối thành đất trống, đồi núi trọc, trong đĩ cĩ 1,2 triệu ha đã bị xĩi mịn trơ sỏi đá. Việt Nam cĩ điều kiện tự nhiên phong phú, thuận lợi cho việc phát triển sản xuất nơng nghiệp đa dạng, cùng với đĩ các hoạt động canh tác trên nền đất dốc dẫn đến nguy cơ xĩi mịn và bạc màu đất rất cao, đặc biệt vào mùa mƣa. Hầu hết các sơng suối đều ngắn, độ dốc lớn nên khả năng giữ nƣớc kém, tốc độ dịng chảy lớn, nên khi cĩ mƣa lớn thƣờng gây ra các hiện tƣợng lũ quét, xĩi mịn và rửa trơi mạnh làm tăng nguy cơ mất đất tồn khu vực. Rõ ràng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đang là một vấn đề tồn cầu hiện nay và đang cĩ xu hƣớng gia tăng. Trong khi đĩ quỹ đất canh tác hết sức hữu hạn và dân số khơng ngừng phát triển. Theo các chuyên gia của FAO – UNEP hàng năm trên thế giới cĩ khoảng từ 5 đến 7 triệu ha đất bị mất khả năng sản xuất do bị xĩi mịn đất. Ở Việt Nam, với 3/4 diện tích là đồi núi và nằm trong vùng nhiệt đới ẩm giĩ mùa, nên xĩi mịn đƣợc xem là một hiểm họa đối với đất dốc ở Việt Nam. Nếu khơng cĩ biện pháp phịng chống xĩi mịn thì hàng trăm tấn đất và dinh dƣỡng sẽ bị mất sau mỗi năm và đất trở nên thối hĩa khơng cịn khả năng canh tác. Một trong những phƣơng pháp tốt nhất hiện nay để tính tốn lƣợng đất mất đi do quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực là mơ hình tốn. Ƣu điểm của phƣơng pháp này: Ít chi phí; cĩ thể mơ phỏng đƣợc trên các lƣu vực với quy mơ 1
khác nhau và cĩ thể dự tính lƣợng bùn cát bị xĩi mịn theo các kịch bản khác nhau. Các nhà khoa học đã mơ phỏng xĩi mịn và mơ phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trên lƣu vực dƣới dạng các phƣơng trình tốn học và giải chúng trên máy tính điện tử. Đây là một trong những hƣớng nghiên cứu tiếp cận với những cơng cụ, phần mềm máy tính hiện đại. Đã cĩ rất nhiều nghiên cứu trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới về xĩi mịn với cách tiếp cận mơ phỏng xĩi mịn theo các mơ hình tốn, tuy nhiên chủ yếu theo hƣớng sử dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng (USLE). Tuy nhiên theo hƣớng nghiên cứu này thì phạm vi ứng dụng mang tính địa phƣơng, cĩ độ chính xác hạn chế khi áp dụng ở những lƣu vực khác nhau, chƣa đề cập đến quá trình bồi lắng, chuyển tải hạt cát và khơng cĩ khả năng tính tốn cho từng trận mƣa hay các bƣớc thời gian ngắn hơn. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ” là cần thiết và cấp bách, áp dụng tính tốn cho các lƣu vực sơng ở Việt Nam. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. - Thử nghiệm mơ hình đã xây dựng cho một số lƣu vực vừa và nhỏ. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu: Mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát. - Phạm vi nghiên cứu: Các lƣu vực vừa và nhỏ. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng quan về các mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết. - Ứng dụng cơ sở lý thuyết về cơ chế xĩi mịn và vận chuyển bùn cát để phát 2
triển mơ hình mơ phỏng quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phƣơng pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Tổng hợp các tài liệu liên quan đến nghiên cứu mơ hình tốn thủy văn, các nghiên cứu về xĩi mịn và vận chuyển bùn cát, thu thập, bổ sung, cập nhật các số liệu khí tƣợng thủy văn, địa hình, điều kiện tự nhiên, các hoạt động quản lý và khai thác trên lƣu vực sơng. - Phƣơng pháp kế thừa: Sử dụng cĩ chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra cơ bản trƣớc đây cĩ liên quan đến nội dung của luận án. - Phƣơng pháp viễn thám và GIS: Sử dụng các phần mềm GIS, ArcGIS, Mapinfo để biên tập, trình bày các bản đồ và tính tốn các thơng số [1]. - Phƣơng pháp mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát: Là phƣơng pháp đƣợc sử dụng để lƣợng hĩa quá trình dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. - Phƣơng pháp chuyên gia và tham vấn ý kiến cộng đồng: Tiếp cận, học hỏi các nhà khoa học cĩ nhiều kinh nghiệm trong cơng tác nghiên cứu, các chuyên gia và nhà quản lý cĩ kinh nghiệm thực tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Ý nghĩa khoa học - Đƣa ra đƣợc luận cứ, cơ sở khoa học về việc xây dựng và thử nghiệm mơ hình để mơ phỏng quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ áp dụng trong điều kiện của Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ gĩp phần khẳng định việc nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát với ứng dụng cơng nghệ viễn thám, GIS [1] là rất hiệu quả và cần thiết trong giai đoạn hiện nay. 3
Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tƣ liệu tham khảo quan trọng gĩp phần cung cấp thơng tin về tình hình dịng chảy, vận chuyển bùn cát trên lƣu vực sơng suối miền núi phía Bắc trên địa bàn của tỉnh Sơn La. - Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp cho địa phƣơng nguồn dữ liệu và cơng cụ cĩ thể giám sát, đánh giá, tra cứu thơng tin, theo dõi tác động của xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đến các hoạt động sản xuất khai thác sử dụng đất và nƣớc để từ đĩ đề xuất các giải pháp quy hoạch tài nguyên nƣớc, quy hoạch sử dụng đất phù hợp. 7. NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Xây dựng đƣợc mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ, với thuật tốn sơ đồ sai phân Lax – Friedrich cĩ thêm trọng số thời gian, khơng gian để giải phƣơng trình dịng chảy và phƣơng trình vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. - Xây dựng đƣợc phƣơng trình tƣơng quan giữa tính tốn xĩi mịn liên rãnh, xĩi mịn rãnh trên lƣu vực nghiên cứu: Lƣu vực Nậm Sập, lƣu vực Phiêng Hiềng của tỉnh Sơn La, từ đĩ cĩ thể dự báo lƣợng bùn cát bị xĩi mịn và vận chuyển trên lƣu vực theo cƣờng độ mƣa. 8. CẤU TRƯC CỦA LUẬN ÁN Ngồi phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc trình bày theo 3 chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan về mơ hình tốn mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Chƣơng II: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Chƣơng III: Thử nghiệm mơ hình để mơ phỏng vận chuyển bùn cát cho một số lƣu vực vừa và nhỏ. 4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 1.1. Tổng quan về xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 1.1.1. Một số khái niệm, thuật ngữ 1.1.1.1. Xĩi mịn lƣu vực Theo từ điển bách khoa tồn thƣ về khoa học đất, xĩi mịn xuất phát từ tiếng Latin là "erodere” chỉ sự ăn mịn dần, thuật ngữ xĩi mịn để chỉ các quá trình liên quan đến các lớp đất đá, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân nhƣ giĩ, nƣớc, băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật. Cĩ rất nhiều khái niệm về xĩi mịn, cụ thể nhƣ sau: Xĩi mịn là hiện tƣợng di chuyển đất bởi nƣớc mƣa, bởi giĩ dƣới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất. Xĩi mịn 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]. Xĩi mịn là hiện tƣợng các phần tử mảnh, cục và cĩ khi cả lớp bề mặt đất bị bào mịn, cuốn trơi do sức giĩ và sức nƣớc [3]. Xĩi mịn là quá trình san bằng, trong đĩ cĩ các hạt đất hay đá cứng bị nhào lộn, rửa trơi và di chuyển dƣới tác dụng của trọng lực, giĩ và nƣớc là động lực chính của quá trình này [4]. Quá trình xĩi mịn, 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]. Xĩi mịn do nƣớc phụ thuộc vào năng lƣợng xĩi mịn của dịng nƣớc và sức kháng của đất đá đối với dịng nƣớc chảy qua. 5
1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng Quá trình xĩi mịn 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 dịng chảy mặt [6]. Bùn cát lơ lửng là những hạt bùn cát cĩ kích thƣớc nhỏ, nổi lơ lửng khắp trong dịng nƣớc và chuyển động trơi theo dịng nƣớc. Tốc độ chuyển động của loại bùn cát này bằng tốc độ chuyển động của dịng nƣớc. Mật độ hay khối lƣợng riêng bùn cát là khối lƣợng của một đơn vị thể tích bùn 3 cát. Kí hiệu là ρs và đơn vị thƣờng dùng là kg/m . Bồi lắng là các hạt đất tách ra do xĩi mịn đƣợc lắng lại trong đất hoặc bên trong các nguồn nƣớc nhƣ: hồ, suối và đất ngập nƣớc [7]. 1.1.2. Nguyên nhân chính gây xĩi mịn, ảnh hưởng đến xĩi mịn 1.1.2.1. Các yếu tố gây xĩi mịn Nguyên nhân chủ yếu của xĩi mịn đất là tác động của mƣa, việc nghiên cứu quá trình xĩi mịn đƣợc chia thành hai vấn đề: (1) Xĩi mịn biểu hiện ra sao ở các dạng mƣa khác nhau và (2) Xĩi mịn xảy ra nhƣ thế nào trên các loại đất khác nhau. Vì vậy, quy mơ hoạt động xĩi mịn phụ thuộc vào hai nhân tố: Cƣờng độ mƣa và khả năng kháng xĩi của đất. Nĩi một cách tốn học, xĩi mịn là một hàm của tác động xĩi mịn do mƣa và tính xĩi mịn của đất. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chỉ ra các nhĩm nhân tố chính gây ra xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nhƣ sau: a) Nhĩm nhân tố mưa: Nhân tố mƣa gây xĩi mịn chủ yếu thơng qua lƣợng mƣa và cƣờng độ mƣa. Lƣợng đất mất do xĩi mịn 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 cĩ lƣợng 6
xĩi mịn ít hơn những trận mƣa lớn; cùng một lƣợng mƣa, trận mƣa nào cĩ cƣờng độ mƣa lớn hơn (thời gian mƣa ngắn hơn) thì lƣợng đất xĩi mịn sẽ nhiều hơn. Những trận mƣa cĩ cƣờng độ mƣa lớn sẽ làm cho lƣợng nƣớc mƣa khơng kịp ngấm xuống đất, lƣợng nƣớc mƣa này gần nhƣ chuyển tồn bộ thành dịng chảy mặt làm cho vận tốc dịng chảy mặt tăng đáng kể. Dịng chảy mặt càng lớn thì sẽ tạo nên xung lực lớn tách và cuốn trơi những hạt đất mặt dẫn đến lƣợng đất xĩi mịn 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 xĩi mịn do khơng đủ lƣợng nƣớc hình thành dịng chảy. Khi cƣờng độ mƣa lớn, thời gian mƣa kéo dài thì xĩi mịn rất nghiêm trọng. b) Nhĩm nhân tố thành phần cơ lý của đất Tính xĩi mịn của đất chủ yếu thể hiện qua thành phần cơ giới, độ xốp của đất và tình trạng bề mặt đất. Đối với đất cĩ thành phần cơ giới nặng (đất sét) thì kích thƣớc các hạt nhỏ, mịn, liên kết chặt, khĩ bị phá vỡ nên nguy cơ xảy ra xĩi mịn là khơng cao. Đối với đất cĩ thành phần cơ giới trung bình (đất thịt) thì kích thƣớc hạt nhỏ vừa phải, liên kết vừa phải, tơi xốp, dễ bị cuốn trơi khi xuất hiện dịng chảy mặt nên nguy cơ bị xĩi mịn cao. Đối với đất cĩ thành phần cơ giới nhẹ (đất cát), mặc dù cĩ kết cấu kém bền vững nhƣng cĩ kích thƣớc hạt lớn khĩ vận chuyển nên nguy cơ xảy ra xĩi mịn là khơng cao, loại đất này cĩ khả năng thấm nƣớc tốt nhƣng giữ nƣớc kém [9]. Đất bị xĩi mịn 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 xĩi mịn 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]. 7
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xĩi mịn Cĩ 5 nhân tố chính ảnh hƣởng tới xĩi mịn đất là địa hình, loại đất, thảm thực vật, khí hậu và con ngƣời. Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xĩi mịn đất a) Địa hình Địa hình ảnh hƣởng đến xĩi mịn đất chủ yếu thơng qua độ dốc và chiều dài sƣờn dốc. Độ dốc là nhân tố quan trọng ảnh hƣởng đến xĩi mịn và dịng chảy mặt. Độ dốc càng lớn thì xĩi mịn mặt càng lớn và ngƣợc lại. Cùng một cấp độ dốc, nếu chiều dài sƣờn dốc càng lớn thì nguy cơ gây xĩi mịn 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 xĩi mịn 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 ơn 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 nĩ che kín mặt đất, giọt nƣớc rơi xuống từ các lá cây cĩ ít năng lƣợng hơn rất nhiều so với các giọt mƣa khơng bị chắn [12, 13, 14]. Tuy nhiên, nhiều tán cây cĩ 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 cĩ hiệu lực làm giảm sự xĩi mịn so với một tán che. Nơi mà bề mặt đất đƣợc che phủ khơng xảy ra sự phá vỡ bởi giọt mƣa vì khơng cĩ 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 xĩi mịn đất trên bề mặt lƣu vực và do đĩ làm giảm đáng kể lƣợng bùn cát gia nhập sơng, ảnh hƣởng này thơng qua hai tác dụng: - Cản trở quá trình hình thành dịng chảy mặt từ mƣa, tăng thời gian tiếp xúc giữa nƣớc và đất, tăng lƣợng nƣớc thấm xuống đất, tăng dịng chảy ngầm và giảm lƣợng dịng chảy mặt [15]. - Bảo vệ bề mặt đất khỏi sự tiếp xúc trực tiếp với giĩ và nƣớc, tăng sức kháng đối với xĩi mịn của đất đá. Lớp (tầng) tán rừng: là tầng hoạt động thứ nhất trong hiệu ứng thuỷ văn rừng, tán rừng cĩ 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 luơn thấp hơn lƣợng mƣa ngồi đất trống. Mặt khác tán rừng cũng cản phần lớn lƣợng nƣớc mƣa khơng 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 khơng [16, 17]. Trong rừng, mƣa bị tán cây giữ lại trƣớc khi rơi xuống đất, với những cây cĩ 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 đĩ cĩ nghĩa là năng lƣợng của tồn bộ những hạt nƣớc rơi xuống từ tán lá cây lớn hơn năng lƣợng của những hạt mƣa tự nhiên rơi xuống đất khơng cĩ che phủ. Do vậy nếu khơng cĩ lớp che phủ dƣới tán thì lƣợng xĩi mịn trong rừng sẽ rất lớn. Hoạt động nơng nghiệp đã làm tăng lƣợng đất xĩi mịn lên nhiều lần so với đất cĩ thảm thực vật tự nhiên che phủ. Hàng năm tồn thế giới ƣớc tính tổng lƣợng phù 9
sa từ các con sơng đổ ra biển đã tăng từ 9 tỷ tấn lên đến 24 tỷ tấn [18]. Sơng Nƣớc Lƣợng phù sa hàng năm Hồng 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 xĩi mịn 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. Xĩi mịn đất là hàm số tác động xĩi mịn của mƣa và tính xĩi mịn của đất (Xĩi mịn đất = (tính gây xĩi mịn của mƣa) x (tính xĩi mịn của đất)). Các nhân tố ảnh hƣởng đƣợc thể hiện trong hình vẽ sau: Các hoạt động của con ngƣời nhƣ trồng rừng, phá rừng, canh tác đất, xây dựng các cơng trình thủy lợi trên sơng đều làm thay đổi các điều kiện mặt đệm lƣu vực và 10
điều kiện dịng chảy trong sơng nên ảnh hƣởng đến xĩi mịn lƣu vực, lịng sơng và làm thay đổi hàm lƣợng bùn cát trong sơng. 1.1.3. Phân loại xĩi mịn lưu vực Căn cứ vào tác nhân gây xĩi mịn, ngƣời ta phân xĩi mịn đất thành 5 loại: Xĩi mịn do nƣớc, do giĩ, do trọng lực, do tuyết tan và dịng bùn đá. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu xĩi mịn do nƣớc. Xĩi mịn do nƣớc cịn đƣợc phân thành [10, 19]: - Xĩi mịn bắn tĩe (splash erosion): (1) Các thành phần của đất bị tách rời ra, do lực va đập của hạt mƣa (cấu trúc đất bị phá vỡ, các hạt bị phân tán thành các hạt riêng rẽ); (2) các hạt sau khi bị phân tán đƣợc vận chuyển đến nơi thấp hơn do dịng chảy tràn; và (3) các hạt đƣợc bồi lắng, tích tụ ở các vị trí mới. Các hạt mƣa rơi trực tiếp lên mặt đất với một lực đủ mạnh để phá vỡ cấu trúc đất, tách rời các hạt. Trên đất dốc, phần lớn các hạt này cĩ khuynh hƣớng dịch chuyển dần về phía cuối dốc. Trên phạm vi nhỏ, các vật liệu này thƣờng tích tụ nơi trũng thấp xung quanh. - Xĩi mịn bề mặt (sheet erosion): Nƣớc mƣa chảy tràn kéo theo các hạt vật liệu theo đƣờng di chuyển của dịng chảy. - Xĩi mịn rãnh nhỏ (rill erosion): Khi xĩi mịn lớp xảy ra kéo dài, nƣớc cĩ khuynh hƣớng tập trung vào các đƣờng, rãnh nhỏ (rill) và hình thành kiểu xĩi mịn rãnh. Kiểu xĩi mịn này dễ nhận thấy khi nƣớc chảy theo các rãnh nhỏ trên mặt đất. Khi mặt đất đồng đều, thƣờng gây ra xĩi mịn theo từng lớp mỏng, nhƣng thực tế, trên mặt đất, dù trên một diện tích nhỏ, mặt đất ít khi đồng đều, luơn luơn cĩ nơi cao, nơi thấp. - Xĩi mịn rãnh (gully erosion): Hình thành khi nhiều rãnh nhỏ phát triển thành các rãnh lớn (gully). Theo tổng kết các dạng xĩi mịn đất, nguyên nhân, các nhân tố mơi trƣờng nhƣ sau: 11
Nguyên nhân: Các dạng Xĩi mịn các nguồn năng Nhân tố mơi trƣờng biểu hiện lƣợng khác nhau Xĩi mịn do Vết lằn, ụ Năng lƣợng giĩ 1. Vận tốc giĩ, sự nhiễu động giĩ (Wind đất, đám khơng khí. erosion) khí bụi. 2. Hƣớng giĩ thịnh hành. 3. Khả năng chống chịu mơi trƣờng phụ thuộc vào độ nhám của đất, lớp phủ cây trồng. 4. Khả năng chống chịu đất phụ thuộc vào cấu trúc đất, thành phần cơ giới, và chất hữu cơ. Xĩi mịn khơ Lở đất Lực trọng trƣờng, 1. Phụ thuộc vào cƣờng độ (Dry áp lực từ việc canh canh tác (tần suất và loại hình mechanical tác trên đất. canh tác). erosion) 2. Phụ thuộc vào độ dốc, mức độ kết dính đất. Xĩi mịn bề Mảng cát, Tác động của giọt 1. Lớp phủ cây trồng. mặt lớp bồi mƣa 2. Độ dốc. (Sheet lắng. 3. Đất. erosion) 4. Cơng nghệ và cấu trúc kiểm sốt xĩi mịn. Xĩi mịn Dịng suối Năng lƣợng dịng 1. Vận tốc dịng chảy phụ dạng tuyến nhỏ, rãnh chảy phụ thuộc thuộc vào độ dốc, độ nhám bề (Linear nƣớc. vào thể tích dịng mặt. erosion) chảy và bình 2. Thể tích dịng chảy phụ phƣơng vận tốc thuộc vào kích thƣớc lƣu vực dịng chảy. và khả năng thấm. 3. Phẫu diện và tầng đá mẹ của đất. Di chuyển Trƣợt lở Lực trọng trƣờng, 1. Khối lƣợng lớp thổ nhƣỡng khối đất, lũ bùn. mất cân bằng độ + nƣớc + cây trồng. (Mass dốc. 2. Độ ẩm của khối đất trƣợt lở. movement) 3. Địa hình: đá, mức độ khơng thấm, độ dốc. 12
1.1.4. Vận chuyển bùn cát trên lƣu vực Quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 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 mƣa rơi và dịng chảy mặt [20]. Vận chuyển là sự cuốn trơi và di chuyển của các hạt bùn cát từ các vùng đất cao qua sơng ngịi và cuối cùng ra đại dƣơng [21]. Quá trình vận chuyển bùn cát trên lƣu vực là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào lƣợng dịng chảy, quá trình xĩi mịn, chuyển tải và bồi lắng trên lƣu vực. Các quá trình đĩ đƣợc các tác giả mơ hình hố thơng qua các mơ hình tốn [22, 25]. 1.2. Các nghiên cứu trên thế giới 1.2.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xĩi mịn Quá trình xĩi mịn hiện nay đƣợc gắn với các hoạt động nơng nghiệp. Nhiều ngƣời đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt cĩ thể là nguyên nhân khiến các nền văn minh quá khứ mất đi. Vì vậy, cùng với thối hĩa đất, xĩi mịn tồn tại nhƣ một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của nhân loại. Xĩi mịn xảy ra trên phạm vi tồn cầu nhƣng với các mức độ khác nhau. Vấn đề xĩi mịn đất đặc biệt nghiêm trọng tại các quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới vì áp lực dân số lớn, sự khan hiếm đất nơng nghiệp màu mỡ và nguồn lao động nơng nghiệp nghèo chiếm đa số. Hiểm họa xĩi mịn đất đã là mối quan tâm của con ngƣời kể từ bình minh của nền nơng nghiệp. Tuy nhiên, quy mơ và mức độ trầm trọng chỉ gia tăng trong thế kỉ 20 theo sự bùng nổ dân số và tình trạng thiếu quản lý đất canh tác [26]. Tỉ lệ xĩi mịn thay đổi ở các khu vực khác nhau từ 30 - 40 tấn/ha/năm [27]. Ở phạm vi tồn cầu, ƣớc lƣợng khoảng 1960 triệu ha đất cĩ xu hƣớng bị xĩi 13
mịn, chiếm khoảng 15% tổng diện tích đất thế giới, trong số đĩ, cĩ 50% bị xĩi mịn trầm trọng, và đa số bị bỏ hoang [28], tỉ lệ xĩi mịn thay đổi từ 0.5 đến 350 tấn/ ha/ năm. Hàng năm, tồn cầu cĩ khoảng 75 - 109 triệu tấn đất bị mất đi, tƣơng đƣơng với thiệt hại 400 tỉ USD/ năm. Hình 1-2. Tỷ lệ xĩi mịn tại các châu lục trên thế giới Các nghiên cứu đầu tiên về xĩi mịn đất đƣợc các nhà khoa học ngƣời Đức thực hiện vào những năm 1877. Năm 1907 tại Mỹ các chƣơng trình nghiên cứu về xĩi mịn đất đƣợc bắt đầu khi Bộ Nơng nghiệp nƣớc này tuyên bố chính sách về bảo vệ nguồn tài nguyên đất [29]. Các nghiên cứu chi tiết đầu tiên về mƣa tác động đến xĩi mịn [30] đƣợc tiến hành nghiên cứu và phân tích các tác động cơ học của hạt mƣa lên đất và đƣa ra tiến trình xĩi mịn [2]. Cơng thức tốn học đƣợc Zingg đƣa ra để đánh giá ảnh hƣởng của độ dốc và độ dài của sƣờn dốc đến sự xĩi mịn [31]. Hiện nay xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực đƣợc nghiên cứu dƣới nhiều loại hình và tính chất khác nhau. Xu hƣớng phổ biến trong nghiên cứu xĩi mịn trên thế giới là mơ hình hĩa, diễn tả động lực của quá trình xĩi mịn và nghiên cứu xĩi mịn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng nhƣ tác động của xĩi mịn lên mơi trƣờng nhằm cĩ đƣợc các biện pháp chống xĩi mịn khả thi. Nghiên cứu theo hƣớng mơ hình hĩa theo hai trƣờng phái: Trƣờng phái 14
theo Bennett khẳng định rằng việc hình thành các rãnh trên bề mặt là do sự vận chuyển vật chất rắn, do năng lƣợng dịng chảy [26]. Vì vậy, kiểm sốt xĩi mịn nên tập trung vào các biện pháp cơ giới để làm giảm tốc độ dịng chảy và năng lƣợng xĩi mịn của nĩ, mà khơng cần giảm lƣợng dịng chảy trên lƣu vực. Trƣờng phái dựa trên nghiên cứu của Ellison khẳng định rằng dịng chảy gia tăng theo sự suy thối cấu trúc bề mặt từ tác động của giọt mƣa [2]; do đĩ, kiểm sốt xĩi mịn cần tiến hành trên bề mặt lƣu vực, tập trung vào lớp phủ cây trồng, cơng nghệ trồng trọt. 1.2.2. Nghiên cứu về các mơ hình mơ phỏng quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát Mơ hình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đƣợc phân thành hai loại [32]: Mơ hình kinh nghiệm; Mơ hình nhận thức. Cụ thể các nghiên cứu xây dựng các mơ hình biểu diễn xĩi mịn, vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nhƣ sau: 1.2.2.1. Mơ hình kinh nghiệm Các nghiên cứu về xây dựng mơ hình kinh nghiệm tính tốn xĩi mịn lƣu vực phải kể đến các nghiên cứu nhƣ [31, 33, 36]. Mơ hình kinh nghiệm đầu tiên đƣợc Zingg xây dựng để tính lƣợng bùn cát bị xĩi mịn ở sƣờn dốc [31], trong đĩ lƣợng bùn cát bị xĩi mịn phụ thuộc vào độ dốc và chiều dài sƣờn dốc . Sƣ̉ duṇ g các dƣ̃ liêụ tƣ̀ các nhà nghiên cƣ́ u khác và các dƣ̃ liêụ tƣ̀ kết quả thí nghiêṃ của mình , Zingg đa ̃ đề xuất mới quan hê ̣giữa xĩi mịn với chiều dài, độ dốc của sƣờn dốc và đề xuất cơng thức tính xĩi mịn trên lƣu vực nhƣ sau: 1.37 0.60 A = CS L (1- 1) trong đó: A : Sự xĩi mịn đất trung bình trên mỗi đơn vị diện tích L, S : Chiều dài, độ dốc của sƣờn dốc C : Hằng số. 15
Smith đa ̃ đánh giá các ảnh hƣởng của các giải pháp bảo tồn cơ học cho 4 sƣ ̣ kết hơp̣ [35] gờm 1) sƣ ̣ luân canh mùa vu;̣ 2) sƣ ̣ xƣ̉ lý, canh tác đất; 3) lớ p phủ thƣc̣ vâṭ (cây trờng, mùa vụ) (C); 4) các hệ số áp dụng hỗ trợ (P) cho phƣơng trình Zingg để tính xĩi mịn trên lƣu vực. 7/5 3/5 A = CS L P (1- 2) Ellison thơng qua thí nghiêṃ đa ̃ chỉ ra ảnh hƣở ng của năng lƣơṇ g đơṇ g hoc̣ của mƣa đối với sự bong tách các phân tử đất [33], trong đó lƣơṇ g đất bi ̣bong tách đƣợc tính tốn trong quá trình thờ i đoaṇ kéo dài 30 phút, mơ tả trong phƣơng trình sau: 4.33 1.07 0.65 E = KV D I (1- 3) trong đó: E : Lƣợng đất bị bong tách trong quá trình bị bắn tĩe, trong mơṭ thờ i đoạn kéo dài 30 phút (grams) K : Mơṭ hằng sớ V : Vận tớc rơi của các haṭ mƣa (fps) D : Đƣờng kính của các giọt mƣa (mm) I : Cƣờng độ mƣa (inch/giờ ). Musgrave đã đƣa ra phƣơng trình tính xĩi mịn lƣu vực [34], trong đĩ cĩ xét đến yếu tố khí hậu là cƣờng độ mƣa thời đoạn 30 phút tính tốn cho lƣợng đất xĩi mịn trong một mẫu đất Anh (0.4 ha) và lƣơṇ g nƣớ c mƣa lớ n nhất trong 30 phút, tần suất 2 năm, (inch). 1.35 0.35 1.75 E = IRS L P30 (1- 4) trong đó: E : Lƣợng đất xĩi mịn trong mơṭ mâũ đất Anh (0.4 ha) 16
I : Sự xĩi mịn riêng của đất (in) R : Hệ số lớp phủ S : Độ dốc mái (%) L : Chiều dài mái dớc (ft) P30 : Lƣợng nƣớc mƣa lớn nhất trong 30 phút, tần suất 2 năm, (inch). Phƣơng trình Musgrave đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g rơṇ g raĩ để ƣớ c tính lƣơṇ g xói mòn đất tởng cơṇ g tƣ̀ các lƣu vƣc̣ đầu nguờn. Wischmeier và Smith đã xây dựng phƣơng trình mất đất phổ dụng USLE (Universal Soil Loss Equation) để tính lƣợng bùn cát bị xĩi mịn [36], trong đĩ cĩ xét thêm các nhân tố ảnh hƣởng đến xĩi mịn nhƣ hệ số ảnh hƣởng của cây trồng và ảnh hƣởng của các biện pháp canh tác đến xĩi mịn đất. Xĩi mịn đƣợc xem nhƣ tích số của hệ số xĩi mịn của mƣa (nhân tố mƣa R), hệ số xĩi mịn của đất (nhân tố đất K), hệ số chiều dài sƣờn dốc và độ dốc (nhân tố địa hình LS), hệ số cây trồng và kĩ thuật canh tác (nhân tố thảm thực vật C), và hệ số kiểm sốt xĩi mịn (nhân tố thực hành bảo tồn P). Vì là một tích số nên nếu một nhân tố cĩ xu hƣớng bằng 0, xĩi mịn sẽ cĩ xu hƣớng bằng 0. Phƣơng trình cơ bản (mơ hình kinh nghiệm) tính tốn xĩi mịn trên bề mặt lƣu vực cĩ dạng nhƣ sau: A = R.K.LS.C.P (1- 5) trong đĩ: A là lƣợng đất mất trung bình hàng năm (tấn/ ha). Trong phƣơng trình USLE, xĩi mịn đƣợc định nghĩa là tổng lƣợng đất đƣợc chuyển tới chân sƣờn dốc nơi các quá trình lắng đọng bắt đầu diễn ra, hoặc các dịng chảy bắt đầu tập trung lại. Hệ số R bằng E (động năng của lƣợng mƣa) nhân với I30 (cƣờng độ mƣa tối đa trong 30 phút, đơn vị tính: cm/ giờ). Hệ số này tƣơng ứng với nguy cơ xĩi mịn tiềm năng trong một khu vực nhất định mà xĩi mịn bề mặt (sheet) xuất hiện trên một mảnh đất trống cĩ độ dốc 9%. 17
Hệ số K phụ thuộc vào chất hữu cơ, kết cấu của đất, tính thấm của nĩ và cấu trúc phẫu diện. Nĩ thay đổi từ 7/10 cho đất mỏng nhất đến 1/100 cho đất ổn định nhất. Nĩ đƣợc đo trên các mảnh đất trống dài 22,2m và độ dốc 9%, canh tác theo hƣớng dốc và khơng nhận đƣợc chất hữu cơ trong ba năm. Hệ số LS phụ thuộc vào chiều dài sƣờn dốc và độ dốc. Hệ số C là tỉ lệ đơn giản giữa xĩi mịn trên đất trống và xĩi mịn quan sát trên một hệ thống cây trồng. Nhân tố này là sự kết hợp của lớp phủ cây trồng, trình độ sản xuất và kỹ thuật thu hoạch liên quan. Nĩ thay đổi từ 1 trên đất trống đến 1/1000 dƣới rừng, 1/100 trên đồng cỏ và cây trồng, và 1 đến 9/10 dƣới gốc và củ cây trồng. Hệ số P phản ánh thực hành kiểm sốt xĩi mịn cụ thể nhƣ cày xới theo đƣờng đồng mức, hoặc bậc thang. Hệ số R của các trận mƣa đƣợc tính theo cơng thức của Brown và Foster [37]: n R V.I . 0,29 1 0,72. e 0,05 . I  j j 30 (1- 6) j 1 trong đĩ: R : Hệ số xĩi mịn do mƣa j : Khoảng thời gian mƣa trong mỗi trận mƣa (phút) n : Số khoảng thời gian trong trận mƣa j : Tổng lƣợng mƣa trong khoảng thời gian j (mm) Ij : Cƣờng độ của mƣa trong khoảng thời gian j (mm/h) I30 : Cƣờng độ cực đại trong khoảng thời gian 30 phút mƣa (mm/h) Vj : Vận tốc dịng chảy trong khoảng thời gian j (m/s). Hệ số xĩi mịn do mƣa đƣợc xác định theo động năng mƣa và cƣờng độ mƣa cực đại trong khảng thời gian 30 phút của trận mƣa. Hệ số R này áp dụng trong những điều kiện cĩ đủ thiết bị do mƣa ở độ phân giải cao (các bƣớc thời gian ngắn, ví dụ: 1 phút, 2 phút, 5 phút, 10 phút .). Trong 18
trƣờng hợp những vùng nghiên cứu khơng cĩ điều kiện thu thập các dữ liệu mƣa thì cĩ thể sử dụng cơng thức tính R theo lƣợng mƣa của tháng hoặc năm. Trong những trƣờng hợp số liệu mƣa theo trận khơng sẵn cĩ mà chỉ cĩ lƣợng mƣa theo năm thì cĩ thể tính R từ lƣợng mƣa năm theo cơng thức thực nghiệm của Renard và Freimund [38] nhƣ sau: 0,07397.F1,847 R với F < 55mm 17,2 95,77 6,08.FF2 (1- 7) R với F ≥ 55mm 17,2 Cơng thức Larionov (Liên Xơ cũ): n RXI 0,258 0,149  ii,30 (1- 8) i 1 trong đĩ: Xi : Lƣợng mƣa của trận mƣa thứ i Ii,30 : Cƣờng độ mƣa lớn nhất trong 30 phút của trận mƣa thứ i. Một số cơng thức tính hệ số R khác đƣợc thống kê theo Nguyễn Kim Lợi, 2005 trong bảng sau: Tác giả Cơng thức Roose (1975) Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=0,5 x P x 1,73 Morgan (1974) Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=9,28 x P-8,838 Foster et al (1981) Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) và I30 R=0,276 x P x I30 El-Swaify and others 1985 19
Tác giả Cơng thức Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=38,5 + 0,35 (P) Wanapiryarat et al (1986) Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng ngày (x) R=-3,2353+1,789ln(x) Cơng thức của Nguyễn Trọng Hà (Đại học Thủy Lợi – Hà Nội) Chỉ số xĩi mịn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=0,548257P – 59,9 Việc xác lập cơng thức để tính tốn cho hệ số R phụ thuộc vào từng khu vực nhất định do mỗi vùng đều cĩ sự khác nhau về lƣợng mƣa, sự phân bố, tính chất mƣa v.v Cƣờng độ mƣa càng lớn và thời gian mƣa càng lâu, tiềm năng xĩi mịn càng cao. Giá trị R thay đổi từ năm này qua năm khác nên việc xác định hệ số R chung là rất khĩ, muốn tính đƣợc hệ số R một cách chính xác phải dựa vào chế độ mƣa và số liệu thống kê của vùng nghiên cứu cụ thể qua nhiều năm. Khi tính tốn hệ số R cho các khu vực khác nhau thì ta cĩ thể áp dụng các cơng tính R của các khu vực đã nghiên cứu, nhƣng ta phải chọn cơng thức tính hệ số R phù hợp nhất với khu vực nghiên cứu. K là hệ số thể hiện khả năng xĩi mịn của đất (soil erodibility). Nĩi cách khác đây là một nhân tố biểu thị tính dễ bị tổn thƣơng của đất với xĩi mịn và là đại lƣợng nghịch đảo với tính kháng xĩi mịn của đất. Đất cĩ giá trị K càng lớn thì khả năng xĩi mịn càng cao. K phụ thuộc vào đặc tính của đất chủ yếu là sự ổn định về cấu trúc đất, thành phần cơ giới đất. Đặc biệt là ở các tầng đất trên mặt, thành phần cơ giới, hàm lƣợng hữu cơ cĩ trong đất. Một số cơng thức tính hệ số K nhƣ sau: Tác giả Cơng thức Wischmeier và 100K=2,1.10-4M1,14(12-a) + 3,25(b-2) + 2,5(c-3) Smith (1978) Rosewell 100K=2,27M1,14(10-7)(12-a) + 4,28(10-3)(b-2) + 3,29(10-3)(c- (1993) 3) ISSS (1995) 100K=2,241[2,1.10-4(12-a)M1,14 + 3,25(b-2) + 2,5(c-3)] 20
K : Hệ số xĩi mịn đất M : Đƣợc xác định: (%) M = (% limon + % cát min)(100% - % sét) a : Hàm lƣợng chất hữu cơ trong đất đo bằng phần trăm b : Hệ số phụ thuộc vào hình dạng, sắp xếp và loại kết cấu đất c : Hệ số phụ thuộc tiêu thấm của đất. Hệ số LS là đại lƣợng biểu thị cho sự ảnh hƣởng của nhân tố độ dốc (S) và độ dài sƣờn dốc (L) tới hoạt động xĩi mịn đất. Về mặt lý thuyết, khi tăng tốc độ dịng chảy lên gấp đơi thì mức độ vận chuyển đối với các hạt cĩ thể lớn hơn 64 lần, nĩ cho phép mang các vật liệu hịa tan trong nƣớc lớn hơn gấp 30 lần và kết quả làm tăng sức mạnh xĩi mịn gấp 4 lần [39]. S là độ dốc của sƣờn dốc , lƣợng mất đất lớn khi độ dốc cao. Nĩ là tỷ lệ của sự mất đất từ độ dốc thực tế đối với độ dốc chuẩn (9%) dƣới những điều kiện khác đồng nhất, sự liên hệ của sự mất đất đối với độ dốc bị ảnh hƣởng bởi mật độ lớp phủ thực vật và kích thƣớc hạt đất. L là khoảng cách từ đƣờng phân thủy ở đỉnh dốc đến nơi vận tốc dịng chảy chậm lại và vật chất bị trầm lắng. Nĩ là tỷ số lƣợng mất đất ở các loại đất giống nhau cĩ độ dốc giống nhau nhƣng cĩ chiều dài sƣờn khác nhau, so với chiều dài sƣờn của ơ đất chuẩn (72.6 feet). > L và S là 2 yếu tố đƣợc xem xét chung khi tính tốn xĩi mịn. Tùy thuộc vào từng khu vực mà ta cĩ cách tính tốn LS cho phù hợp. Wischmeier và Smith đã đƣa ra cơng thức tính LS [36] nhƣ sau: 2 LS = (x/22,13)n (0,065 +0,045* s + 0,0065*s ) (1- 9) trong đĩ: x : Chiều dài sƣờn thực tế tính bằng đơn vị m s : Độ dốc (%) n : Thơng số thực nghiệm: n = 0.5 khi S > 5%; n = 0.4 khi 3.5% < S < 4.5% n = 0.3 khi 1% < S < 3.5%; n = 0.2 khi S < 1%. C : Hệ số tỉ số giữa lƣợng đất mất trên một đơn vị diện tích cĩ lớp phủ thực vật và cĩ sự quản lý của con ngƣời đối với lƣợng đất mất trên một diện tích trống 21
tƣơng đƣơng. Hệ số C là hệ số đặc trƣng cho mức độ che phủ đất của các lớp thực phủ bề mặt, biện pháp quản lý lớp phủ, biện pháp làm đất, sinh khối đất. Giá trị của C chạy từ 0 đến 1. Đối với vùng đất trống khơng cĩ lớp phủ thực vật thì hệ số C đƣợc xem là bằng 1. Hệ số này đặc trƣng cho nhân tố lớp phủ thực vật đối với quá trình xĩi mịn. Nhìn chung nhân tố cây trồng bao gồm: - Tác dụng của lớp che phủ vịm lá và chiều cao của chúng (CI) - Tác dụng của lớp phủ giữ nƣớc đối với xĩi mịn do dịng chảy bề mặt của đất cũng nhƣ tốc độ thấm của đất (CII) - Tác dụng của bộ rễ đối với quá trình thấm cũng nhƣ khả năng xĩi của đất (CIII) Hệ số C bằng tích của ba hệ số CI, CII và CIII. Trong đĩ CI đƣợc xác định theo cơng thức sau: CI = 1 – Fc.e(-0,1.H) CII = 5,348.Sp2 – 3,711.Sp + 1,107 đối với Sp ≤ 30% CII = 5,348.Sp2 – 1,116.Sp + 0,750 đối với Sp > 30% CIII = 6600.106.X2 + (-1,6596.103) + 0,45 đối với các loại đất đƣợc phủ bằng cây cỏ dại. CIII = X2/54000 + X/180 + 0,45 đối với các loại đất đƣợc phủ bằng các loại cây cỏ khác. trong đĩ: Fc : Phần trăm diện tích đất đƣợc che phủ bởi vịm lá (%) H : Khoảng cách từ vịm lá đến mặt đất Sp : Phần trăm diện tích đất đƣợc che phủ lớp mùn giữ nƣớc (%) X : Phần trăm diện tích đất đƣợc che phủ lớp rễ cây cỏ (%) 22
Ngồi ra cịn cĩ thể xác định C theo bảng tra của hội Khoa học đất Quốc tế Bảng 1-1. Bảng tra để tính C theo hội Khoa học đất Quốc tế Bãi chăn Độ Rừng thả, cây lâu Cây che Cây và bụi cây với chiều cao khác nhiệt đới năm thấp hàng phủ nhau (khơng phủ kín đất) lớp phủ và cĩ lớp năm (%) (>50mm) phủ 4m 2m 1m 0,5m 0 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 10 0,55 0,97 0,95 0,93 0,92 0,55 20 0,30 0,95 0,90 0,83 0,83 0,009 0,30 30 0,17 0,92 0,85 0,79 0,75 0,17 40 0,09 0,89 0,80 0,72 0,66 0,09 50 0,05 0,87 0,75 0,65 0,58 0,003 0,06 60 0,027 0,84 0,70 0,58 0,50 0,056 70 0,015 0,81 0,65 0,51 0,41 0,001 0,053 80 0,008 0,78 0,60 0,44 0,33 0,050 90 0,005 0,76 0,55 0,37 0,24 0,047 100 0,002 0,73 0,50 0,30 0,16 0,0001 0,043 Trong phƣơng trình USLE thì yếu tố P đánh giá hiệu quả của các phƣơng thức canh tác, phản ánh các hoạt động làm đất của con ngƣời nhằm bảo vệ đất trong việc hạn chế xĩi mịn trên vùng đất dốc. Trong cơng thức mất đất phổ dụng, giá trị của hệ số P đƣợc thành lập từ 3 yếu tố phụ và đƣợc tính theo cơng thức: P = Pc * Pst * Pter trong đĩ: Pc: Yếu tố phụ làm đất theo đƣờng đồng mức. Pst: Yếu tố phụ đƣờng viền thức vật theo đƣờng đồng mức. Pter: Yếu tố phụ đắp bờ ngăn xĩi mịn. Mơ hình kinh nghiệm nĩi chung là đơn giản vì chủ yếu dựa trên phân tích các quan sát và phân tích quan hệ đặc điểm từ các dữ liệu đo đạc [26]. Các giá trị tham số trong mơ hình kinh nghiệm cĩ thể xác định thơng qua việc hiệu chỉnh mơ hình, nhƣng thƣờng đƣợc xác định từ việc kiểm định các số liệu quan trắc thực tế. Các dữ 23
liệu này đặc biệt hữu ích nhƣ là một bƣớc quan trọng trong việc xác định nguồn gốc bùn cát trên lƣu vực. Việc tính tốn xĩi mịn kênh hay sự xĩi mịn mƣơng; khơng chính xác cho trận mƣa đơn. Phƣơng trình tính xĩi mịn khơng đề cập đến vấn đề bồi lắng trên lƣu vực và khơng tính tốn cho một trận mƣa cũng nhƣ khơng ƣớc lƣợng đƣợc sự lắng đọng, khơng ƣớc lƣợng đƣợc sự xĩi mịn rãnh sâu hay sự xĩi mịn kênh. Chỉ giới hạn trong phạm vi lƣu vực nhỏ, với lƣu vực lớn địi hỏi phải cĩ nhiều số liệu, dẫn đến sai số lớn khi tính tốn. Việc xác định các hệ số trong phƣơng trình USLE đƣợc xây dựng dựa trên số liệu của Mỹ, do đĩ việc áp dụng để tính cho các lƣu vực khác sẽ khơng tránh khỏi những sai số. Tuy nhiên USLE cĩ hiệu quả để ƣớc lƣợng lƣợng đất mất trung bình trên một thời gian dài và lƣợng đất mất trung bình hàng năm. Ƣu điểm của mơ hình đơn giản, cơ sở dữ liệu lớn, các giá trị tham số cĩ sẵn, đƣợc sử dụng rộng rãi bởi các cơ quan nhƣ USDA thích nghi với các vùng khơng đồng nhất nơi khơng xảy ra sự lắng đọng. Williams đã nghiên cứu cải biên mơ hình USLE và đƣa ra phƣơng trình MUSLE tính lƣợng bùn cát sinh ra từ một trận mƣa [26]: 0,5 msf = 0,95(V.Qs) .K.LS.C.P (1- 10) trong đĩ: msf : Lƣợng bùn cát tại mặt cắt cửa ra (kg) V : Tổng lƣợng lũ (m3) 3 Qs : Lƣu lƣợng đỉnh lũ (m /s) K, LS, C, P: Nhƣ phƣơng trình USLE. Mặc dù MUSLE giả thiết rằng sự lắng đọng xảy ra trong lƣu vực, nĩ chỉ đƣa ra một ƣớc lƣợng của tổng sản lƣợng bùn cát và khơng đƣa ra ƣớc lƣợng của sản lƣợng từng loại hạt riêng biệt. Sự lắng đọng tách riêng các hạt. Sự lắng đọng các hạt xảy ra dễ dàng hơn ngay sau khi chúng rời khỏi nguồn, trong khi các hạt càng nhỏ, càng nhẹ, di chuyển càng xa ngang qua lƣu vực trƣớc khi lắng đọng. Sự giảm theo quy luật hàm mũ cĩ thể đƣợc sử dụng biểu diễn vận chuyển bùn cát qua lƣu vực để ƣớc lƣợng sự phân phối này. Mơ hình MUSLE đơn giản, dễ áp dụng, sử dụng tập 24
hợp số liệu tham số của USLE, tuy nhiên phƣơng trình MUSLE khơng cung cấp thơng tin về phân bố theo thời gian của lƣợng bùn cát trong thời gian xảy ra dịng chảy. Các hạn chế của mơ hình kinh nghiệm nhƣ sau: Mơ hình này chỉ áp dụng cho xĩi mịn bề mặt (sheet), vì thế nĩ khơng áp dụng cho xĩi mịn dạng tuyến (linear) hoặc xĩi mịn khối (mass). Mơ hình đã đƣợc kiểm nghiệm và xác nhận tại bán bình nguyên và đất nƣớc nhiều đồi núi với độ dốc sƣờn 1-20%. Mơ hình khơng áp dụng cho các sƣờn dốc cĩ độ dốc lớn hơn 40%, nơi dịng chảy lớn hơn là một nguồn năng lƣợng lớn hơn so với mƣa, và nơi cĩ chuyển động khối của trái đất mạnh mẽ. Các mối quan hệ giữa động năng và cƣờng độ mƣa thƣờng đƣợc sử dụng trong mơ hình này khơng áp dụng cho các vùng miền núi. Mơ hình này chỉ áp dụng cho dữ liệu trung bình trên 20 năm và khơng phù hợp khi dùng cho các trận mƣa đơn. Cuối cùng, một hạn chế lớn của mơ hình là nĩ bỏ qua sự tƣơng tác nhất định giữa các nhân tố. Ví dụ nĩ khơng tính đến ảnh hƣởng xĩi mịn độ dốc kết hợp với che phủ thực vật, cũng nhƣ tác động của loại đất với ảnh hƣởng của độ dốc. 1.2.2.2. Mơ hình nhận thức Khác với mơ hình kinh nghiệm, mơ hình nhận thức đƣợc phát triển dựa vào hiểu biết về các qui luật vận động và cơ chế vật lý của quá trình xĩi mịn, nghĩa là dựa vào các hiểu biết đã đƣợc lý thuyết hố dƣới dạng các định luật hay phƣơng trình vật lý. Các quá trình vật lý của xĩi mịn cĩ thể đƣợc kể ra gồm: quá trình tách hạt đất (do năng lƣợng của hạt mƣa rơi hoặc một dạng năng lƣợng khác); quá trình chuyển tải (với các định luật về dịng chảy mà quá trình này tuân thủ) và quá trình bồi lắng của các hạt đất. Các mơ hình nhận thức mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đƣợc xây dựng dựa vào các phƣơng trình tốn học mơ phỏng các hiện tƣợng vật lý của quá 25
trình xĩi mịn rửa trơi đất. Cơ sở tốn học của các mơ hình tốn là phƣơng trình liên tục của Bennett [26]. Phƣơng trình liên tục thƣờng đƣợc sử dụng trong mơ hình động lực học của sự xĩi mịn đất dốc là: q ()cy s DD xts r l (1- 11) trong đĩ: qs : Tải trọng bùn cát (khối lƣợng/1 đơn vị chiều rộng x 1 đơn vị thời gian) x : Khoảng cách dọc theo chiều dốc ρs : Mật độ khối của các hạt bùn cát c : Nồng độ bùn cát trong dịng chảy (khối lƣợng bùn cát/một đơn vị thể tích dịng chảy) y : Độ dày lớp dịng chảy t : Thời gian Dr : Tốc độ xĩi mịn rãnh (khối lƣợng bị xĩi mịn /một đơn vị diện tích. một đơn vị thời gian) Dl : Tốc độ phân phối của bùn cát từ các vùng rãnh (khối lƣợng/một đơn vị diện tích x một đơn vị thời gian). Một số mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực cĩ thể kể đến nhƣ sau: Mơ hình ANSWERS đƣợc Beasley và các cộng sự đƣa ra vào năm 1980 (mơ phỏng xĩi mịn đất trên lƣu vực có xem xét sƣ ̣ khuếch tán chất lƣợng nƣớc) [41] bao gờm: mơṭ quá trình dịng chảy và mơṭ quá trình xói mịn dƣạ trên những hiện tƣợng vâṭ lý xảy ra trên lƣu vực . Quá trình xĩi mịn với giả thiết bùn cát bị bong tách do quá trình mƣa rơi, dịng chảy và dịng chảy cuốn trơi. Mơ hình ANSWERS chia lƣu vƣc̣ thành các tiểu lƣu vực (ơ lƣớ i) nhỏ và độc lập . Trong mỡi phần tử ơ lƣới, các quá trình xĩi mịn và dịng chảy đƣợc xử lý nhƣ hai hàm độc l ập của cá c thơng sớ xĩi mịn và dịng chảy của mỗi phần tử đĩ . Trong mơ hình, điều kiêṇ bề măṭ và đơ ̣ sâu dòng chảy tràn của mỡi phần (ơ lƣớ i) đƣơc̣ xem là bằng nhau . Các khe rãnh 26
khơng đƣơc̣ xem xét. Ảnh hƣởng của các khe dẫn nƣớc đƣợ c mơ tả thơng qua hê ̣sớ nhám của phƣơng trình Mainning đã đƣợc sử dụng trong mơ hình này . Trong mơ hình ANSWERS khơng xem xét thành phần bùn cát trong dịng chảy ngầm và khơng xét đến vấn đề xói mịn trong kênh. Dƣ̃ liêụ đầu vào của mơ hình ANSWERS khá lớn. Mơ hình CREAMS (Mơ hình về hĩa học, dịng chảy và xĩi mịn từ hệ quản lý nơng nghiệp) [27]. Các thành phần vận chuyển trầm tích của CREAMS (các chất hĩa hoc̣ , dịng chảy và xĩi mịn tƣ̀ các hê ̣thớng quản lý (canh tác) nơng nghiêp̣ ) đa ̃ phân tích sƣ ̣ nƣ́ t bề măṭ và khe rañ h mơṭ cách riêng biêṭ . Sƣ ̣ bong tách trong các khu vƣc̣ nƣ́ t bề măṭ và khe rañ h đƣơc̣ xác điṇ h bở i mơ hình USLE đa ̃ đƣơc̣ chỉnh sƣ̉ a , cải tiến. Quy trình này cho phép các thơng sớ thay đởi trong suớt quá trình dòng chảy và dọc theo các đƣờng dẫn nƣớc để miêu tả chính xác sự biến thiên theo khơng gian. Mơ hình AGNPS (Mơ hình nguồn ơ nhiễm phân tán từ nơng nghiệp) đƣợc xây dựng do các nhà khoa học nơng nghiệp Mỹ [42] nhằm dự đốn xĩi mịn và sự di chuyển các chất dinh dƣỡng, hĩa chất từ những lƣu vực nơng nghiệp. Mơ hình sẽ chạy cho từng trận mƣa. Lƣu vực đƣợc chia ra thành những tiểu lƣu vực và lƣới ơ vuơng cĩ kích thƣớc bằng nhau. Mơ hình bao gồm 3 mơ hình con, đĩ là: Mơ hình xĩi mịn dựa trên phƣơng trình tính tốn xĩi mịn mất đất phổ dụng USLE. Mơ hình dịng chảy dựa trên đƣờng cong thấm (SCS) mà mỗi giá trị đại diện cho một chế độ đất, cây trồng, hệ số dẫn nƣớc, hệ số dịng chảy khác nhau. Quá trình vận chuyển các chất dinh dƣỡng đất và hĩa chất đƣợc mơ hình hĩa dựa trên các đặc tính của đất, lƣợng các chất bĩn vào đất và khả năng vận chuyển của dịng chảy. Mơ hình làm việc trên cơ sở hệ thống lƣới ơ vuơng. Các ơ vuơng là những ơ cĩ diện tích đồng nhất bằng nhau. Sự phân chia này cho phép ta phân tích mọi diện tích trong lƣu vực. Các thành phần chính trong mơ hình là phần thủy lực, xĩi mịn đất, vận chuyển bùn cát và vận chuyển các chất dinh dƣỡng cây trồng nhƣ đạm, lân và các chất hĩa học. Trong phần thủy lực mơ hình tính tốn chủ yếu là thể tích dịng chảy 27
mặt (dịng lũ, đỉnh lũ). Tổng lƣợng xĩi mịn trên đất dốc. Xĩi mịn rãnh tính tốn trên 5 nhĩm cấp hạt là sét, thịt, hạt kết nhỏ, hạt kết lớn và cát. Vận chuyển bùn cát cũng đƣợc tính cho cả 5 cấp hạt cho từng ơ vuơng. Phần vận chuyển chất ơ nhiễm đƣợc chia nhỏ thành một phần tính tốn các chất ơ nhiễm gắn liền với bùn cát. Mơ hình khơng những mơ phỏng cho từng trận mƣa đơn mà cịn mơ phỏng theo năm cĩ tính đến các yếu tố cân bằng nƣớc bao gồm: mƣa, bốc thốt hơi nƣớc, cây hút, chảy tràn và thấm sâu. Vì thế động thái biến đổi của độ ẩm đất là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến khả năng sinh dịng chảy cho mỗi trận mƣa đƣợc tính tốn một cách khoa học. Tuy nhiên mơ hình chủ yếu tập trung đánh giá sự di chuyển các chất dinh dƣỡng, hĩa chất từ các hoạt động sản xuất nơng nghiệp trên lƣu vực. Mơ hình KINEROS (Mơ hình xói mịn đơṇ g lƣc̣ ) là tập hợp các phần tử của mơṭ maṇ g lƣớ i nhƣ thƣc̣ vâṭ hoc̣ , các con kênh tự nhiên hoặc các ống dẫn nƣớc , ao hờ, các khu chứ a mà chúng liên kết vớ i nhau [43, 44]. Mơ hình KINEROS có sƣ ̣ hơp̣ nhất của các phần vâṇ chuyển bùn cát và xói mịn . Thành phần vận chuyển bùn cát của mơ hình là dựa trên phƣơng trình liên tục khơng ổn địn h mơṭ chiều. Mƣ́ c đơ ̣ xĩi mịn, bời lắng là sự kết hợp giữa xĩi mịn do mƣa rơi và mƣ́ c đơ ̣xói mịn /bời lắng thủy lƣc̣ . Mƣ́ c đơ ̣xói mịn do mƣa rơi đƣơc̣ đƣa ra bở i mơṭ phƣơng trình kinh nghiêṃ mà trong đó mƣ́ c đơ ̣là tƣơng ƣ́ ng vớ i năng lƣơṇ g th ứ 2 của mƣa. Mƣ́ c đơ ̣ xĩi mịn thủy lực (dịng nƣớc) đƣơc̣ ƣớ c tính là tƣơng ƣ́ ng vớ i đơ ̣thiếu huṭ khả năng vâṇ chuyển mà nó là sƣ ̣ khác nhau giƣ̃a hàm lƣơṇ g bùn cát hiêṇ taị trong dòng chảy và nồng độ lớn nhất ở trạng thái ổn định. Mơ hình WEPP (Water Erosion Prediction Project) là mơ hình tính tốn xĩi mịn dựa trên quá trình vật lý mơ phỏng sự xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực [45]. Mơ hình WEPP tính tốn lƣợng đất bị xĩi mịn dọc theo sƣờn dốc và lƣợng chuyển tải bùn cát tại điểm cuối của sƣờn dốc. Sự xĩi bề mặt và xĩi rãnh nhỏ cũng đƣợc mơ phỏng trong mơ hình này. Xĩi mịn bề mặt đƣợc mơ phỏng nhƣ là quá trình xĩi mịn do tác động của hạt mƣa, cƣờng độ mƣa, chuyển tải bùn cát do lớp dịng chảy mặt tới các rãnh nhỏ. Xĩi mịn rãnh là hàm số của lớp dịng chảy 28
mặt, dung tích chuyển tải bùn cát và lƣợng bùn cát hiện cĩ trong dịng chảy. Quá trình hình thành dịng chảy mặt đƣợc coi là quá trình hình thành dịng chảy trên bề mặt và quá trình tập trung dịng chảy trong rãnh nhỏ trên bề mặt đĩ. Quá trình diễn tốn dịng chảy đƣợc thực hiện bằng cách giải phƣơng trình sĩng động học. Trong lƣu vực, xĩi mịn trong kênh dẫn đƣợc xác định khi ứng suất kéo lớn hơn giá trị ứng suất tiếp đáy. Sự chuyển động của bùn cát dọc theo sƣờn dốc hoặc trên bề mặt lƣu vực đƣợc miêu tả trong mơ hình WEPP dựa trên cơ sở của phƣơng trình liên tục bùn cát [46] do Foster và Meyer xây dựng mà nĩ áp dụng cho điều kiện dịng chảy trong rãnh. Mơ hình WEPP đã sử dụng phƣơng trình để tính tốn xĩi mịn và trầm tích: Di = Ki*Ie 2 *Ge*Ce*Sf (1- 12) trong đĩ: Di : Lƣợng trầm tích chuyển từ xĩi mịn mảng sang khu vực xĩi mịn dịng (kg/m2 /s). 3 K i : Tính xĩi mịn mảng của mảng (kg/m /s) Ie : Tác động của cƣờng độ mƣa (m/s) Ge : Nhân tố điều chỉnh lớp phủ Sf = 1,05 – 0,85 exp(-4Sin): Nhân tố điều chỉnh độ dốc 2 Ce : Hệ số (1/m) (kg/(m .h)). Mơ hình xói mịn đất Châu Âu EUROSEM là một mơ hình dự báo xĩi mịn đất bở i nƣớ c tƣ̀ các lƣu vƣc̣ nhỏ [47, 48]. EUROSEM có thể mơ phỏng vâṇ chuyển bùn cát, xĩi mịn và bời lắng bở i các quá trình trong các khe rañ h và trong các khe nƣ́ t trên bề măṭ ở các sƣờ n dớc . Mơ hình mơ phỏng tởng lƣơṇ g dòng chảy , tởng lƣơṇ g đất mất đi , quan hệ mƣa – trầm tích. Trong mơ hình EUROSEM , sƣ ̣ bong tách hạt đất do tác động mƣa rơi là tổng của mƣa rơi trực tiếp xuống và phụ thuộc vào động năng của mƣa . Xĩi do nƣớc mƣa bắn tĩe diêñ ra trƣớ c khi dòng chảy bắt đầu. Vì thế, hàm lƣợng bùn cát ban đầu nên đƣợc lấy bằng giá trị 0. Cĩ 3 trƣờ ng 29
hơp̣ đƣơc̣ xem xét cho vấ n đề xói mòn ở sƣờ n đời bao gờm : Sƣờ n dốc khơng có các khe rañ h; sƣờ n dốc cĩ khe rãnh và cá c khe nƣ́ t bề măṭ ; Sƣờ n dốc cĩ các khe rãnh dày chằng chịt . Quá trình xĩi mịn trong kênh đƣợc xƣ̉ lý tƣơng tự nhƣ xĩi mịn trong khe rañ h vớ i ngoaị lê ̣là tác đơṇ g mƣa rơi là khơng đáng quan tâm và dòng chảy bên (dịng chảy nhập lƣu) đới vớ i kênh tƣ̀ sƣờ n dớc trở nên quan troṇ g. Mơ hình “Cơng cụ đánh giá đất và nƣớc” SWAT (Soil and Water Assement Tools) là một mơ hình vật lý đƣợc xây dựng từ những năm 90 do tiến sĩ Jeff Arnold thuộc trung tâm nghiên cứu đất nơng nghiệp USDA- Agricultural Research Service (ARS) xây dựng. Mơ hình này đƣợc xây dựng để mơ phỏng ảnh hƣởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nƣớc, bùn cát và hàm lƣợng chất hữu cơ trong đất trên hệ thống lƣu vực sơng trong một khoảng thời gian nào đĩ. Mơ hình SWAT tính tốn bồi lắng vào xĩi mịn cho những đoạn kênh cĩ kích thƣớc giống nhau cho việc mơ phỏng tồn bộ hệ thống kênh. SWAT đƣợc phát triển từ mơ hình mơ phỏng tài nguyên nƣớc lƣu vực nơng thơn SWRRP cùng với một số mơ hình khác nhƣ: Hệ thống quản lý nơng nghiệp về hĩa chất, rửa trơi và xĩi mịn CREAMS mơ hình những ảnh hƣởng của sự tích trữ nƣớc ngầm GLEAMS và mơ hình tính tốn ảnh hƣởng của hoạt động sản xuất đến xĩi mịn EPIC. Trong mơ hình SWAT, lƣợng bùn cát đƣợc tính bằng phƣơng trình mất đất phổ dụng cải tiến (MUSLE) [40]. MUSLE là một phƣơng trình sửa đổi từ phƣơng trình mất đất phổ dụng [25, 36] (USLE) của Wishchmeier và Smith. 1.2.3. Các thuật tốn giải trong các mơ hình mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực Các mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nêu trên đều dựa trên phƣơng trình liên tục của Bennet. Các mơ hình giải bằng phƣơng pháp số trị nhƣ mơ hình CREAM, EUROSEM cịn các mơ hình giải bằng phƣơng pháp giải tích nhƣ mơ hình SWAT, WEPP Với trƣờng hợp giải bằng phƣơng pháp giải tích cho sƣờn dốc cĩ độ dốc đồng nhất và với lƣợng mƣa vƣợt thấm. Với trƣờng hợp tổng quát bài tốn thƣờng đƣợc giải bằng phƣơng pháp số trị, 30
sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn và một lƣới thời gian và khơng gian đặc trƣng nhƣ đƣợc chỉ ra trong hình sau: Hình 1-3. Sử dụng lưới hình chữ nhật giải phương trình trong mơ hình động lực 1.3. Các nghiên cứu trong nƣớc Việt Nam cĩ địa hình chủ yếu là đồi núi, xĩi mịn đất diễn ra thƣờng xuyên nên hiện tƣợng xĩi mịn đã đƣợc nghiên cứu từ rất sớm và đã đƣa ra kết luận phƣơng pháp canh tác ruộng bậc thang sẽ giảm hiện tƣợng xĩi mịn. 1.3.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xĩi mịn Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới ẩm và cĩ lƣợng mƣa tƣơng đối lớn (từ 1800 – 2000mm) nhƣng phân bố khơng đồng đều và tập trung chủ yếu vào mùa mƣa. Lƣợng mƣa lớn tập trung tạo ra dịng chảy cĩ cƣờng độ rất lớn, đây là nguyên nhân chính gây ra hiện tƣợng xĩi mịn đất ở Việt Nam. Phù sa đổ ra biển Đơng khoảng 200 triệu tấn/năm, ngƣời ta ƣớc tính trung bình 1m3 nƣớc trong sơng chứa 3 3 từ 50g - 400g bùn cát, riêng đồng bằng sơng Hồng 1000g/m và cĩ lúc đạt 2000g/m . Với tổng diện tích đất tự nhiên 33.121 triệu ha, cùng với khoảng 25 triệu ha đất dốc, chiếm hầu hết lãnh thổ miền núi và trung du. Với biến động của mơi trƣờng, Việt Nam đang đứng trƣớc nguy cơ thối hĩa đất do xĩi mịn rửa trơi là rất lớn. Các số liệu thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2008 cho thấy, Việt Nam cĩ khoảng 25 triệu ha đất dốc cĩ nguy cơ xĩi mịn và rửa trơi rất lớn. Theo các quan 31
trắc cĩ hệ thống từ năm 1960 đến nay thì cĩ khoảng 10% - 20% lãnh thổ bị ảnh hƣởng xĩi mịn từ trung bình đến mạnh, đặc biệt là khu vực miền núi và trung du. Theo Nguyễn Quang Mỹ [49] thì lịch sử nghiên cứu xĩi mịn của nƣớc ta cĩ thể chia làm 3 giai đoạn: Trƣớc năm 1954: Giai đoạn này chỉ mới bắt đầu xuất hiện các biện pháp canh tác chống xĩi mịn nhƣ làm ruộng bậc thang, xây kè cống.v.v chứ xĩi mịn đất chƣa đƣợc nghiên cứu đƣa lên thành lý luận. Từ 1954 - 1975: Giai đoạn này bắt đầu xuất hiện một số cơng trình nghiên cứu và nhiều biện pháp canh tác chống xĩi mịn đƣợc đƣa ra hàng loạt trên các nơng trƣờng miền núi phía Bắc. Một số nghiên cứu đáng chú ý giai đoạn này nhƣ: Chu Đình Hồng nghiên cứu sự ảnh hƣởng của giọt mƣa đến xĩi mịn đất và chống xĩi mịn bằng biện pháp canh tác [39]. Nguyễn Tử Xiêm và Thái Phiên với cơng trình nghiên cứu về đất đồi núi Việt Nam [6]. Về mặt lý luận các tác giả đã đánh giá đƣợc năng lực phịng hộ của một số dạng cấu trúc thảm thực vật rừng trong việc chống xĩi mịn và tiến hành các nghiên cứu với quy mơ rộng hơn. 1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát Từ 1975 đến nay các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc đã áp dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng của Wischmeier và Smith nhƣ sau: Phạm Ngọc Dũng đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng vào dự báo tiềm năng xĩi mịn đất và đƣa ra các biện pháp chống xĩi mịn cho các tỉnh Tây nguyên [9] và xác định giá trị của các yếu tố gây xĩi mịn đất theo mơ hình Wischmeier W.H và Smith D.D. Các nghiên cứu trên cũng chỉ tập trung nghiên cứu xĩi mịn trên lƣu vực trên cơ sở ứng dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng để tính tốn xĩi mịn trên lƣu vực mà chƣa xem xét đến quá trình dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. Nguyễn Trọng Hà trong nghiên cứu các yếu tố gây xĩi mịn và khả năng dự báo xĩi mịn trên đất dốc [8] đã đƣa ra chỉ số xĩi mịn của mƣa và hệ số xĩi mịn đất K để tiến tới áp dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng USLE của Wischmeier và 32
Smith, dự báo đƣợc xĩi mịn đất và sơ bộ thể hiện tiềm năng xĩi mịn do mƣa trên bản đồ tỷ lệ nhỏ. Nghiên cứu trên chƣa xem xét đến các yếu tố khác gây xĩi mịn nhƣ độ dốc, độ dài sƣờn dốc, hệ thống cây trồng đa dạng, hệ số bảo vệ đất. Kết quả của nghiên cứu mới chỉ ở mức độ dự báo xĩi mịn khái quát. Phạm Hùng [11] đã phát triển mơ hình tốn kết hợp với phƣơng trình mất đất phổ dụng của Wischmeier và Smith dựa trên cơ sở dữ liệu đƣợc hình thành từ hệ thống thơng tin địa lý (GIS) để đánh giá nguy cơ xĩi mịn lƣu vực. Bƣớc đầu tính tốn cho thấy nhiều khả năng ứng dụng tốt để đánh giá nguy cơ xĩi mịn lƣu vực trong điều kiện của nƣớc ta. Trên cơ sở phân tích mƣa ngày lớn nhất và chỉ số xĩi mịn do mƣa, nghiên cứu đã tính tốn thử nghiệm ngƣỡng mƣa gây lũ quét và xác lập các cấp khả năng xuất hiện lũ quét trên các lƣu vực điển hình. Tuy nhiên với kết quả nghiên cứu trên chƣa đánh giá đƣợc phân bố theo thời gian của lƣợng bùn cát bị xĩi mịn do các trận mƣa và chƣa xét đến cấp độ dốc trên lƣu vực là một trong những nguyên nhân gây xĩi mịn lƣu vực và ảnh hƣởng đến khả năng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. Lại Vĩnh Cẩm đã sử dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng để đánh giá tiềm năng và mức độ xĩi mịn hiện tại của 4 lƣu vực lớn ở Miền Bắc Việt Nam [50]. Kết quả nghiên cứu về xĩi mịn tại các lƣu vực đƣợc tích hợp với phân tích lƣu vực nhằm chỉ ra các khu vực xĩi mịn nguy hiểm làm cơ sở cho đề xuất các biện pháp phịng tránh hữu hiệu nhằm mục tiêu phát triển bền vững. Phạm Hữu Tỵ đã mơ phỏng rủi ro xĩi mịn vùng cảnh quan đồi núi trên cơ sở sử dụng số liệu viễn thám và mơ hình mất đất phổ dụng hiệu chính (RUSLE) [13], trên cơ sở sử dụng dữ liệu địa hình, khí hậu, thảm thực vật v.v thu đƣợc từ vệ tinh. Quá trình nghiên cứu đã kiểm chứng cơng thức tính tốn hệ số xĩi mịn đất của mƣa R, hệ số địa hình LS, hệ số che phủ thực vật và biện pháp canh tác C của RUSLE thơng qua việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat ETM+, mơ hình quan trắc Radar STM và mơ hình phân tích pha trộn quang phổ tuyến tính LSM. Kết quả đã xây dựng đƣợc bản đồ đánh giá rủi ro xĩi mịn vùng và mơ hình hỗ trợ quyết định quy hoạch 33
sử dụng đất lâm nghiệp vùng cảnh quan đồi núi lƣu vực sơng Hƣơng thuộc huyện Hƣơng Trà tỉnh Thừa Thiên Huế. Nguyễn Văn Dũng đã đánh giá định lƣợng xĩi mịn đất đồi núi vùng Thanh – Nghệ - Tĩnh [10] bằng phƣơng trình mất đất phổ dụng và hệ thống thơng tin địa lý. Kết quả tính hệ số K cho đồi núi vùng Thanh - Nghệ - Tĩnh cho thấy: Cĩ sự khác biệt với kết quả cơng bố hệ số K của tác giả Nguyễn Trọng Hà. Việc xác định hệ số C cũng gặp khĩ khăn tƣơng tự nhƣ việc xác định hệ số K. Do điều tra, kiểm kê hiện trạng sử dụng đất, thảm thực vật rừng khơng cĩ thơng tin chi tiết của lớp thảm thực vật nhƣ độ che phủ của các tầng tán, tầng thảm mục v.v Điều này dẫn tới khơng xác định đƣợc các thơng số cho việc xác định hệ số C. Từ thực tế trên rất cần cĩ cơng trình điều tra chuyên sâu về các thảm thực vật đặc trƣng ở Việt Nam để làm cơ sở cho xác định hệ số C phục vụ nghiên cứu xĩi mịn - thối hố đất. Lê Mạnh Hùng đã ứng dụng mơ hình SWAT trong tính tốn xĩi mịn lƣu vực Mekong [51], từ đĩ ƣớc tính tải lƣợng bùn cát về Kratie, đầu nguồn của vùng đồng bằng châu thổ. Kết quả tính tốn cho thấy SWAT dự báo dịng chảy trên sơng Mekong với độ chính xác khá tốt (chỉ số NSE nằm trong khoảng 0.67 ÷ 0.86, chỉ số PBIAS khoảng 11.96 ÷ 22.55). Kết quả cũng cho thấy SWAT cĩ khả năng ƣớc tính tải lƣợng bùn cát trên lƣu vực với độ tin cậy chấp nhận đƣợc. Trên phần hạ lƣu vực Mekong, vùng cĩ suất bùn cát lớn nhất là vùng từ Luang Prabang cho đến Mudkahan với suất bùn cát trung bình khoảng 289.000 tấn/ngày. Đây là vùng cĩ địa hình dốc, lƣợng mƣa trung bình hàng năm lớn. Tải lƣợng bùn cát trung bình năm tính tốn tại Kratie trong giai đoạn 2007 - 2011 là khoảng 162 triệu tấn/năm. Trần Quốc Vinh đã nghiên cứu sử dụng viễn thám (RS) và hệ thống thơng tin địa lý GIS để đánh giá xĩi mịn đất huyện Tam Nơng tỉnh Phú Thọ [20]. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra các hệ số xĩi mịn đất theo phƣơng trình mất đất phổ dụng phù hợp với vùng đất gị đồi huyện Tam Nơng tỉnh Phú Thọ. Trƣơng Văn Cảnh đã nghiên cứu ảnh hƣởng xĩi mịn đất của lƣu vực sơng Cu 34
Đê đến sản xuất nơng nghiệp [21]. Dựa trên cơ sở lí luận và thực tiễn về xĩi mịn đất và khả năng ứng dụng GIS, viễn thám, nghiên cứu tập trung vào việc phân tích hiện trạng xĩi mịn đất trong phạm vi lƣu vực sơng Cu Đê bằng các ứng dụng của GIS, từ đĩ cĩ những đánh giá tác động đến đất sản xuất nơng nghiệp. Đồng thời đề xuất các biện pháp bảo vệ đất, chống xĩi mịn đất. Việc sử dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng USLE kết hợp với GIS và viễn thám trong nghiên cứu xĩi mịn đất và phân tích tác động đến sản xuất nơng nghiệp đem lại hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và chi phí. Kết quả ở dạng dữ liệu GIS nên cĩ tính trực quan, dễ sử dụng và hiệu chỉnh. Chúng ta cĩ thể nhận biết những thơng tin về xĩi mịn đất và các ảnh hƣởng của nĩ đến đất sản xuất nơng nghiệp một cách nhanh chĩng và chính xác. Tuy nhiên các hệ số K và P trong nghiên cứu trên đƣợc lấy ở các tài liệu tham khảo nên phần nào ảnh hƣởng đến kết quả nghiên cứu. 1.4. Những khoảng trống trong nghiên cứu xĩi mịn và vận chuyển bùn cát – Hƣớng nghiên cứu chính của luận án 1.4.1. Những khoảng trống trong nghiên cứu xĩi mịn và vận chuyển bùn cát – Các kết quả nghiên cứu tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trong nƣớc chƣa đánh giá đƣợc sự phân bố lƣợng bùn cát bị xĩi mịn do các trận mƣa theo thời gian và chƣa xem xét đến cấp độ dốc trên lƣu vực mà cấp độ dốc là một trong những nguyên nhân chính gây xĩi mịn lƣu vực và ảnh hƣởng lớn đến khả năng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực. – Các nghiên cứu ở Việt nam chủ yếu là ứng dụng các mơ hình cĩ sẵn để tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát. – Các mơ hình tốn nhƣ mơ hình ANSWER [41], WEPP [45, 52], EUROSEM [47, 48], SWAT là những mơ hình mang tính thƣơng mại, cĩ giá thành cao và mã nguồn đĩng nên khi áp dụng vào lƣu vực sơng ở Việt Nam sẽ khơng tránh khỏi những sai số nhất định vì bộ thơng số trong mơ hình đƣợc hiệu chỉnh theo số liệu ở nƣớc ngồi. 35
– Mơ hình ANSWER chƣa xét đến xĩi mịn trong kênh; Thuật tốn giải của mơ hình WEPP, SWAT bằng phƣơng pháp giải tích nên phải đồng nhất độ dốc của sƣờn dốc là khơng phù hợp với thực tế; Số liệu đầu vào lớn. 1.4.2. Định hƣớng nghiên cứu của luận án Để khắc phục những hạn chế nêu trên, luận án đi sâu vào định hƣớng nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mơ hình hĩa dịng chảy, quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Từ đĩ xây dựng sơ đồ hình thành dịng chảy, vận chuyển bùn cát và sơ đồ mơ phỏng đƣờng quá trình dịng chảy bùn cát trên lƣu vực. - Nghiên cứu đề xuất thuật tốn giải mới ổn định và hội tụ đối với phƣơng trình liên tục dịng chảy, phƣơng trình động lƣợng và phƣơng trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát. - Trên cơ sở nghiên cứu, luận án sử dụng thuật tốn lƣợc đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs cĩ thêm trọng số thời gian và khơng gian; Chọn ngơn ngữ C ++ xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ nhằm khắc phục những nhƣợc điểm nêu trên. Kết luận chƣơng 1: Tác giả tổng quan về những mơ hình mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực trên thế giới và ở Việt Nam, từ đĩ đã chỉ ra những tồn tại của một số mơ hình nhƣ ở Việt Nam chỉ ứng dụng mơ hình, những mơ hình trên thế giới mang tính chất thƣơng mại với giá thành rất cao, mã nguồn đĩng, bộ thơng số đƣợc xây dựng dựa trên đặc điểm vật lý lƣu vực của thế giới nên khi ứng dụng vào lƣu vực ở Việt nam sẽ cĩ sai số lớn. Vậy để khắc phục những tồn tại nêu trên tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn mơ phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ ở Việt Nam. 36
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ 2.1. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật tốn giải 2.1.1. Cơ sở lý thuyết 2.1.1.1. Phƣơng trình thấm Lƣơṇ g mƣa sinh dòng chảy hoăc̣ dòng chảy trƣc̣ tiếp trên bề măṭ là thàn h phần quan troṇ g trong viêc̣ xây dƣṇ g mơ hình mơ phỏng dịng chảy , xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực . Lƣơṇ g mƣa sinh dò ng chảy đƣơc̣ tính toán bằng cách trƣ̀ trƣc̣ tiếp các tởn thất trong các yếu tớ thủy văn hoă ̣ c lƣơṇ g mƣa đầu vào. Tởn thất bao gờm: 1. Lƣu trữ 2. Bốc thốt hơi 3. Điền trũng 4. Thấm. Cĩ ba phƣơng pháp cơ bản để mơ hình hĩa lƣợng mƣa sinh dịng chảy gồm : 1) Các tởn thất kể trên đƣơc̣ mơ hình hóa mơṭ cách riêng biêṭ và đƣơc̣ liên kết vớ i nhau để xác định lƣơṇ g mƣa sinh dò ng; 2) Các tổn thất đƣơc̣ tởng hơp̣ tồn bộ trong mơṭ mơ hình; 3) Tởn thất do lƣơṇ g mƣa đoṇ g laị , sƣ ̣ thoát bớc hơi nƣớ c và tởn thất do nƣớ c chƣ́ a trong các vũng , ao trũng đƣơc̣ bỏ qua và chỉ có tởn thất do thấm xuớng đất đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g để tính toán lƣơṇ g mƣa sinh dòng . Trong phạm vi nghiên luận án sử dụng phƣơng pháp sớ 3. Quá trình thấm đƣợc tính tốn từ phƣơng trình tính tốn lƣợng tổn thất thấm trong thời gian mƣa. Phƣơng trình thấm của Green – Ampt Mein – Larson (1973): ( o )  c fi Ke 1 I (2- 1) 37
trong đĩ: fi : Cƣờng độ thấm thực (m/s) Ke : Độ dẫn thuỷ lực bão hồ (m/s) ϕ : Ảnh hƣởng trạng thái xốp của đất (m3/m3) 3 3 0 : Độ bão hồ ban đầu (m /m ) c : Ảnh hƣởng độ căng của ống mao dẫn (m) I : Độ sâu thấm luỹ tích (m) Thành phần cơ bản trong mơ hình hĩa quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực là thành phần dòng chảy . Các hệ phƣơng trình sĩng động học đã đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g nhƣ là sƣ ̣ xấ p xỉ dòng chảy mơṭ chiều đƣợc rút goṇ từ hê ̣phƣơng trình chuyển động tuần hồ n nƣớc dƣớ i hầu hết các điều kiện (trạng thái chảy) của dịng chảy tràn bề mặt và đối với một số trƣờng hợp liên quan trực tiếp đến nƣớc do mƣa trong các kênh. 2.1.1.2. Phƣơng trình mơ phỏng dịng chảy 1. Hệ phương trình mơ phỏng dịng chảy trên bề măṭ lưu vực Phƣơng trình liên tục: h() uh r tx (2- 2) Phƣơng trình đơṇ g lƣơṇ g [53]: u u  u g  h ru g() S S t  x  x0 f h (2- 3) trong đó: h : Độ sâu dịng chảy (m) u : Vâṇ tớc dòng chảy trung bình (m/s) r : Lƣợng mƣa hiệu quả hay lƣợng dịng chảy nhập bên (m/s) t : Thờ i gian tính toán (s) 38
x : Khoảng cách theo hƣớng dịng chảy (m) 2 g : Gia tớc troṇ g trƣờ ng (m/s ) S0 : Độ dốc sƣờn dốc hoặc độ dốc lịng sơng (%) Sf : Độ dốc ma sát hay độ dốc cản (%). Với giả thiết trong phƣơng trình động lƣợng độ dốc sƣờn dốc hoặc độ dốc lịng sơng bằng với độ dốc ma sát hay độ dốc cản và đơ ̣dớc đƣờ ng măṭ nƣớ c đƣơc̣ giả thiết là bằng với độ dốc của mặt phẳng [54]. Tƣ̀ đó hê ̣phƣơng trình đơṇ g lƣơṇ g đƣơc̣ rút goṇ : S0 = Sf (2- 4) Kết hợp với phƣơng trình Manning: m-1 u = αh (2- 5) Trong đó α là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sƣờn dốc, hệ số nhám của bề mặt lƣu vực, hệ số nhám cĩ trị số phụ thuộc vào sử dụng đất , m là hệ số liên quan đến điạ hình và đơ ̣nhám bề măṭ . Thay (2-5) vào phƣơng trình (2-2) ta cĩ: hh mhm 1 r tx (2- 6) h ()hrm tx Với điều kiêṇ biên: h(0,t) = 0 khi t ≥ 0 (2- 7) Điều kiêṇ ban đầu: h(x,0) = 0 khi x ≥ 0 (2- 8) Hê ̣sớ nhám Mainning của dòng chảy là : 39
2/3 1/2 u = (1/n)RH Sf (2- 9) trong đó: RH : Bán kính thủy lực n : Hệ số sức cản Mainning của sức cản dịng chảy. 2. Hệ phương trình mơ phỏng dò ng chảy trong kênh/sơng: Phƣơng trình liên tục: A() uA q txA (2- 10) Phƣơng trình động lƣợng: u u  u g  h qu g() S S A t  x  x0 f A (2- 11) 2 Trong đĩ A(x,t) là diện tích mặt cắt ngang của dịng chảy (m ), và q A là lƣu lƣợng dịng chảy bên trên mỡi đơn vi ̣chiều dài lịng kênh (m3/s). Vớ i sƣ ̣ xấp xỉ đơṇ g hoc̣ , phƣơng trình (2-11) cĩ thể đƣợc viết: Q ARm 1 H (2- 12) Với Q(x,t) đƣợc biểu diễn nhƣ là mơṭ hàm của A (x,t), khi đĩ phƣơng trình (2-10) đƣơc̣ biểu diễn nhƣ sau: A dQ A qA. (2- 13) t dA x 2.1.1.3. Phƣơng trình diễn tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 1. Phương trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực Mơ hình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đƣợc thiết lập dựa vào phƣơng trình tốn học mơ phỏng các hiện tƣợng vật lý của quá trình xĩi mịn và vận 40
chuyển bùn cát. Cơ sở tốn học của các hiện tƣợng vật lý là phƣơng trình liên tục của Bennett [26]. Phƣơng trình liên tục mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát đƣợc biểu diễn nhƣ sau:  C h q  Ch  q ss s (x ,t) s t  x  t  x (2- 14) CC ss kdq() t dS vớ i: ;trong đó: q = q()() t p t , với p(t) q(t) , k: hằng dt qs Cq dt t t  t 1 kk q()()(),, t p e d q to e  t t0 k số lƣu trữ S kq(t) khi đĩ ta cĩ: t0 q(). t00 q Hay q cho bở i phƣơng trình: 11 q ()()() t q t p t vớ i tt và q() t q kk 0 00 (2- 15) trong đĩ: qs : Lƣu lƣợng bùn cát qua một đơn vị mặt cắt (kg/s.m) x : Khoảng cách dọc sơng (m) 3 ρs : Độ đục bùn cát (kg/m ) 3 3 Cs : Nồng độ tập trung bùn cát (m /m ) h : Độ sâu dịng chảy (m) θ : Lƣợng bùn cát bị xĩi mịn hoặc bồi lắng (kg/s.m2). Cĩ nhiều phƣơng pháp giải gần đúng cho phƣơng trình (2-15) nhƣ Euler ; Euler cải tiến hoăc̣ Runger Kutta RK 4.v.v Luận án chọn phƣơng pháp Runger n Kutta RK4 để giải gần đúng q(tn) ≈ q của phƣơng trình (2-15). qt( ) 1 1 1 qt () pt () qt () qt () pt ():(,()) ftqt k k k k (2- 16) Vớ i và Ta tính đƣợc: 41
n q p() tn Knn tf(,) t q t 1 n k nn n n n (q K1 / 2) p tn t / 2 K21 tf tn t/ 2, q K / 2 t k nn n n n (q K2 / 2) p tn t / 2 K32 tf tn t/ 2, q K / 2 t k nn n n n (q K3 / 2) p tn t / 2 K33 tf tn t/ 2, q K t k n 1 n1 n n n n q q K1 2 K 2 2 K 3 K 4 , n 0,1,2, 6 2. Phương trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bù n cá t trong kênh/sơng: Theo Bennett [26], ta cĩ: ()()CA CQ ers d q tx (2- 17) trong đó: er : Tốc độ cuốn trơi bùn cát (sƣ ̣ bong tách) bở i dòng chảy trong kênh /sơng (kg/m/s) d : Tốc độ bồi lắng bùn cát (sƣ ̣ chìm lắng) (kg/m/s) qs : Dịng chảy bùn cát bên từ các dịng chảy tràn bề mặt kế bên (kg/m/s). Các biến khác đã đƣợc xác định ở các phần trƣớc. Điều kiện biên: C(0,t) = C0(t) t ≥ 0 (2- 18) Điều kiện ban đầu: C(x,0) = 0 x ≥ 0 (2- 19) Trong đó C 0(t) là nồng độ bùn cát đến từ các phần bên của kênh. Trong giai đoaṇ xói mịn và bời lắng trong kênh, các mặt cắt dọc đáy kênh ở các vùng đất trũng đƣơc̣ giả thiết là ởn điṇ h vớ i các măṭ cắt doc̣ của các rañ h trên các khu vƣc̣ đời núi khi mà chún g có thể thay đởi nhanh chóng trong các khoảng thờ i gian ngắn . Trầm tích đáy trong các dòng chảy ở vùng đất trũng đƣơc̣ giả thiết là thơ hơn , phần lớ n các kích cỡ hạt bùn (0.062mm). Mơṭ phƣơng trình nói chung , ban đầu đƣơc̣ ph át triển cho khả năng vận 42
chuyển bùn cát đáy , đa ̃ đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g để mơ hình hóa sƣ ̣ cuớn trơi (er) bở i dòng chảy trong kênh [28, 55]. n er = a(η – ηc) khi η ≥ ηc (2- 20) er = 0 khi η < ηc (2- 21) trong đó:  RS và  ()   d Hf c s s (2- 22) trong đó:  : Hệ số cho sƣ ̣ cuớn trơi vâṭ liêụ (Kg.m2/N1.5s) 2 η : Ứng suất trƣơṭ trung bình (N/m ) 2 ηc : Ứng suất tớ i haṇ trung bình cho kích thƣớ c haṭ đaị diêṇ (N/m ) Sf : Độ dốc ma sát hay độ dốc cản (%) n : Hệ số Manning RH : Bán kính thủy lực γ : Trọng lƣợng riêng của nƣớc (N/m3) 3 γs : Trọng lƣợng riêng của bùn cát (N/m ) ds : Đƣờng kính hạt (mm) δ : Hệ số phụ thuộc vào các đặc tính của chất lỏng và trầm tích (khơng thƣ́ nguyên). Mƣ́ c đơ ̣bời lắng trầm tích (dịng hƣớng xuống) là tỷ lệ với nồng độ bùn cát và vâṇ tớc lắng chìm hiêụ quả của haṭ cát. Mƣ́ c đơ ̣bời lắng đƣơc̣ tính t heo phƣơng trình sau: d = εTWVSC (2- 23) trong đó: C : Nồng độ bùn cát (m3/m3) ε : Hê ̣sớ phu ̣thuơc̣ vào các đăc̣ điểm của bùn cát và dịng chảy Vs : Vận tốc lắng chìm của hạt cát (m/s) TW : Chiều rơṇ g phía trên dòng chảy (m) và các biến khác đã đƣợc xác định ở trên. 43
2.1.2. Nghiên cứu đề xuất thuật tốn giải Hiện nay cĩ nhiều phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình diễn tốn dịng chảy và hệ phƣơng trình diễn tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát, nhiều tác giả đã sử dụng lƣợc đồ sai phân hữu hạn 4 điểm dạng ẩn, dạng hiện hình chữ nhật, lƣợc đồ sai phân 6 điểm, lƣợc đồ sai phân 4 điểm hình thoi v.v để giải. Trong nghiên cứu này luận án dùng thuật tốn lƣợc đồ sai phân hữu hạn Lax - Friedrichs thêm trọng số thời gian và trọng số khơng gian gọi là lƣợc đồ sai phân hữu hạn Lax - Friedrichs cĩ trọng số (LFW) để giải hệ phƣơng trình diễn tốn dịng chảy và hệ phƣơng trình diễn tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát. Thuật tốn đã đƣợc kiểm tra tính hội tụ kết quả khá tốt đối với những phƣơng trình nêu trên. Thuật tốn giải đƣợc trình bày chi tiết dƣới đây. 2.1.2.1. Thuật tốn giải hệ phƣơng trình mơ phỏng dịng chảy trên bề măṭ lƣu vực 1. Thuật tốn giải: Sơ đồ sai phân hữu hạn Lax - Friedrichs (LF) đƣợc mơ tả nhƣ hình (2-1). Với xj = jΔx, tn = nΔt cơng thức sai phân Lax - Friedrichs tính gần đúng đạo hàm cấp một của hàm u = u(x,t) tại điểm (xj, tn): u 11 n 1 n n (,)()xj t n u j u j 11 u j  tt 2 (2- 24) u 1 nn (,)xj t n u j 11 u j  xx2 Hình 2-1. Sơ đồ sai phân Lax - Friedrichs 44
Lƣợc đồ sai phân hữu hạn Lax- Friedrich cĩ trọng số (LFW) đƣợc viết: u 1  (x ; t ) un 1 (1  ) u n ( u n u n ) , j n j j j 11 j  tt 2 u un 11 u n u n u n (xt ; ) j 1 j 1 (1 ) j 1 j 1 . jn x 22 x x Áp dụng LFW cho phƣơng trình (2-6). Khi đĩ ta đƣợc phƣơng trình sai phân của (2-6) nhƣ sau: 1 hhnn hhnn 1 1  jj 11 jj t 2 m m m m n 11 n n n hj 1 h j 1 h j 1 h j 1 (2- 25)  1  22 xx nn 1 rr (1 ) trong đó: θ : Trọng số khơng gian ω : Trọng số thời gian. n 1 Với ω = 0 ta cĩ cơng thức hiện giải hj :  t mm hn 1 (1  ) h n h n h n h n h n t . r n j j j 1 j 1 j 1 j 1 22 x 2. Tính hội tụ của thuật tốn Nghiên cứu tính ổn định của thuật tốn sai phân LFW đối với phƣơng trình (2-6), tức là tính ổn định của thuật tốn sai phân LFW với phƣơng trình: hh ar (2- 26) tx m 1 trong đĩ a m h với h là hằng số. 45
nn Ta giả sử tại (,)xtjn giá trị gần đúng: hj h(,) x j t n h j  n Với hj là sai số tƣơng ứng. Khi đĩ điều kiện để thuật tốn sai phân ổn định là: hn 1 j 1. hn (2- 27) j Áp dụng thuật tốn sai phân LFW cho (2-26), ta đƣợc phƣơng trình sai phân cho sai số : 1 hn h  n h  n 11 h  n h  n h  n hnn 1 1  h  j 1 j 1 a  j 1 j 1 1  j 1 j 1 0 t jj 2 2 x 2 x Hay hhnn t hn 1 (1  ) h  n  jj 11 a  h  n 1 h  n 1 (1  ) h  n h  n j j j 1 j 1 j 1 j 1 (2- 28) 22 x Theo cách làm của Rezzolla, L., (2011) [56], ta cĩ: henn  ikx j j (2- 29) Với i2 1 và  ()k là hàm phức phụ thuộc số nguyên dƣơng k và  cịn đƣợc gọi là nhân tử khuyếch đại. Khi đĩ điều kiện (2-27) tƣơng đƣơng với:  1 Thay (2-29) vào (2.28) với Δx = xj – xj-1 = xj+1 - xj ta đƣợc  tt  1  eik x e ik x a .  .  e ik x e ik x a 1  e ik x e ik x 2 2 xx 2 (2- 30) Sử dụng cơng thức Euler eiφ = cosθ + isinθ ta cĩ đƣợc từ (2-30): tt 1 ia sin k x  1   cos k x ia 1  sin k x . xx 46
Từ đĩ ta cĩ: t 1   cos k x ia 1  sin k x  x t 1 ia sin k x x . Hay 2 tt 1   cos k x a  (1  )sin k x ia sin k x 1  1 cos k x xx  2 22 t (2- 31) 1  a sin k x x Khi đĩ 222 tt 2 2 1   cos k x a  (1  )sin k x a sin k x 1  1 cos k x 2 xx  2 2 (2- 32) 22 t 1  a sin k x x Nhƣ vậy điều kiện để thuật tốn sai phân LFW cho (2-26) ổn định là: 2 2 t 1   cos k x a  (1  )sin k x x 2 2 t 2 asin k x 1  1 cos k x x 2 2 22 t 1  a sin k x x Tƣơng đƣơng 4 t 42 asin k x  1 2 x 2 2  1  1 coskx 2  2 t 2 asin k x  (2- 33) x  2 (1  ) 1   cos kx 2 1  coskx 1 0 47
Với ω = 0, θ = 1 thì LFW trở thành sai phân Lax - Friedrichs, khi đĩ (2-33) trở thành: 22 tt asin2 k x cos 2 k x 1 0 sin 2 k x a 1 0 xx (2- 34) t a 1 x t Tức là ta tìm đƣợc điều kiện đủ để (2-33) xảy ra là a 1, ta đƣợc điều kiện x nhƣ ở các phƣơng pháp sai phân khác [57]. Ở đây khi  0, 1, điều kiện để phƣơng pháp sai phân hội tụ khi đĩ là: ttm 1 a 11 a m h xx Điều đĩ chỉ ra rằng, ta cần cĩ mối quan hệ giữa bƣớc thời gian và khơng gian là x t m 1 . mhmax 1 t Xét với  (0,1], [0,1). Ta chứng tỏ khi  1,  [0,1], a thì (2-33) 2 x luơn đúng, tức là phƣơng pháp LFW ổn định. Thật vậy: Ta luơn cĩ: 2 1  cos kx 1 0 . (*) Hơn nữa: 4 tt42 1 asin k x  1 2  0,   ,  a . ( ) xx2 Và 48
2 2 1  1 cos k x 2  2  (1  ) 1   cos k x 1 2 2 2 2 2  (1  ) 1 1 2 4  (  1) 0   1,    0,1 . 2 1 t Do đĩ   1,  [0,1], a , ta cĩ: 2 x 2 2 t 22 asin k x 1 1 cos k x 2  2  (1  ) 1   cos k x 0 x  Từ (*), ( ) và ( ), ta nhận đƣợc một điều kiện đủ để (2-33) xảy ra là: 1 t  1,  [0,1], a . 2 x Vậy chúng ta cĩ hai kết luận về điều kiện đủ để phƣơng pháp sai phân LFW ổn định là: x Khi  0, 1 thì cần điều kiện t m 1 . mhmax 1 t Khi  1,  [0,1], khơng cần điều kiện của a 2 x 2.1.2.2. Thuật tốn giải hệ phƣơng trình mơ phỏng dòng chảy trong kênh/sơng: Từ phƣơng trình: A dQ A q . A (2- 35) t dA x Điều kiện biên: Q(0,t) = Q0(t) khi t ≥ 0 (2- 36) Điều kiện ban đầu : Q(x,0) = 0 khi x ≥ 0 (2- 37) 49
A(,) x t Với R(,) x t , ở đĩ WP(,) x t là chu vi thấm, thì Q(,) x t là hàm theo H WP(,) x t A(,) x t cho bởi (2-12) trở thành. Am Q m 1 (2- 38) WP Giải gần đúng cho AQ, tại (;)xtjn theo sơ đồ sai phân LFW, nhƣng theo (2- 38) ta chỉ cần giải A cho bởi phƣơng trình (2-35). Khi đĩ ta đƣợc phƣơng trình sai phân cho (2-35): 1  AAAAn 1 (1  ) n ( n n ) j j j 11 j t 2 nn 1 n 11 n n n (2- 39) dQ AAAAj 1 j 1 dQ j 1 j 1 nn 1  (1  ) qqAA (1  ) dA22 x dA x trong đĩ : dQ dR() A m 1 RAA()m 1 H H (2- 40) dA dA n 1 Xét trƣờng hợp  0, với  [0;1], ta giải đƣợc tƣờng minh Aj theo n n n n dQ AAAj 11;; j j và nhƣ sau: dA n n 1 n n n t dQ n n n Aj 1  A j A j 1 A j 1 A j 1 A j 1 q A 22 x dA (2- 41) 2.1.2.3. Thuật tốn giải phƣơng trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực 1. Thuật tốn giải Cĩ nhiều phƣơng pháp giải phƣơng trình (2-14), nhƣng để hạn chế sai số trong bài tốn thực tế, nhiều tác giả dùng phƣơng pháp sai phân hữu hạn sơ đồ hiện hoặc sơ đồ ẩn. Tác giả dùng sơ đồ sai phân Lax - Friedrichs, nhƣng thêm trọng số thời 50
gian và khơng gian để tính gần đúng đạo hàm cấp một của hàm u = u(x,t) tại điểm (xj, tn) với xj = jΔx, tn = nΔt. Sử dụng sơ đồ sai phân LFW vào (2-14) ta đƣợc phƣơng trình sai phân: nn 1 n Ch Ch n 1 jj 11 Ch)1j  Ch t j 2 n 11 n n n (2- 42) ()()()()cqj 1 cq j 1 cq j 1 cq j 1  (1  ) (xt , ) 22 xx n 1 n n n Ta giải đƣơc̣ C j theo CCCj;; j 11 j và các đại lƣợng gần đúng của hq, : n n n n n 1 n n Cj 1 h j 1 C j 1 h j 1 t n n n n Cj 1  C j h j C j 1 q j 1 C j 1 q j 1 22 x t en (1  ) e n t  V C n (1  )  V C n (2- 43) Rjj 1 R s j 1 s j t enn 1. e IIjj 1 n n n Với qjj 1  q q nên ta cĩ: Cn h n C n h n t Cn 1 1  C n h n j 1 j 1 j 1 j 1 C n C n q n j j j j 11 j (2- 44) 22 x b) Tính ổn định của thuật tốn Thuật tốn LFW cũng ổn định đối với phƣơng trình (2-14), ta dễ dàng kiểm tra tính ổn định của thuật tốn bằng cách hồn tồn tƣơng tự nhƣ các bƣớc trong quá trình kiểm tra điều kiện ổn định của thuật tốn sai phân LFW cho phƣơng trình (2-26). Quá trình vận chuyển bùn cát cĩ thể sinh ra bùn cát (sƣ ̣ bong tách ) và sự bồi lắng bùn cát (sƣ ̣ lắng đoṇ g ). Sƣ ̣ hình thành bùn cát tr ên các sƣờn dớc do hai quá trình: Động năng của hạt mƣa làm bong tách các phần tử đất ; Ứng suất trƣơṭ . Xĩi mịn và bồi lắng cĩ thể xảy ra đồng thời ở các mức độ khác nhau. 51
Hàm θ của phƣơng trình (2-14) đƣợc biểu diễn nhƣ sau: θ = er – d + eI (2- 45) trong đó: 2 er : Lƣợng bùn cát sinh ra do ƣ́ ng suất trƣơṭ (kg/m /s) d : Lƣợng bùn cát bời lắng (chìm xuống) (kg/m2/s) 2 ei : Lƣợng bùn cát sinh ra do tác đơṇ g mƣa rơi (kg/m /s). 1.5 Với er = KR(η) (2- 46) trong đó: 1.5 KR : Hệ số bong tách đất của ứng suất trƣợt (Kg.m/N .s) η : Giá trị ứng suất trƣợt trung bình hiệu quả. Sự bời lắng bùn cát đƣơc̣ tính theo phƣơng trình sau [58]: d = εVSCa (2- 47) trong đó: ε : Hệ số phụ thuộc vào các đăc̣ điểm của bùn cát và dịng chảy VS : Vận tốc lắng chìm của hạt cát (phần tƣ̉ ) (m/s) 3 Ca : Nồng độ bùn cát thực tế gần đáy (kg/m ). d = εVSRCC (2- 48) trong đó RC = Ca(x,t)/C(x,t) là hệ số mặt cắt nồng độ. Khi khơng phân biêṭ giƣ̃a bùn cát đáy và bùn cát lơ lƣ̉ ng (RC = 1.0) thì: d = εVSC (2- 49) VS đƣơc̣ tính toán theo phƣơng trình Rubey: () V FS gd Ss0 (2- 50)  52
Với: 2 3622 36 F0 gds 3 33ss gdss( 1) gd ( 1) (2- 51)  trong đó: 3 γ : Trọng lƣợng riêng của nƣớ c (N/m ) 3 γs: Trọng lƣợng riêng của bùn cát (N/m ) ν : Hệ số nhớt động học của nƣớc (m2/s) dS : Đƣờng kính hạt (mm). Hàm sinh ra bùn cát do mƣa là hàm số đơn giản biểu diễn sự bong tách do tác đơṇ g của mƣa kết hơp̣ vớ i cƣờ ng đơ ̣mƣa i (x,t) là thƣớ c đo của sƣ ̣ xói mòn [46, 55]. Nếu cƣờ ng đơ ̣mƣa phân bớ đều trên toàn khu vƣc̣ thì i(x,t) = i(t). 2 eI = ai (2- 52) Trong đó: a là hê ̣sớ đƣơc̣ xác định thơng qua thí nghiêṃ . Phƣơng trình (2-51) phản ánh tốc đơ ̣vâṇ chuyển trầm tích do dịng chảy nơng ở các mái dốc [59]. Lane và Shirley đƣa ra phƣơng trình đơn giản cho tốc đơ ̣cuớn trơi bùn cát trên các mái dớc là: e K i2 (/) r i K ir III (2- 53) trong đó: 3 KI : Hệ số đo sự bong tách đất bở i tác đơṇ g mƣa rơi (kg-s/m ) r : Hê ̣sớ của tớc đơ ̣sinh dòng chảy đới vớ i cƣờ ng đơ ̣mƣa i (x,t) cĩ thể đƣơc̣ thể hiêṇ nhƣ là mơṭ thƣớ c đo của cƣờ ng đơ ̣dòng chảy chuẩn hóa sƣ ̣ vâṇ chuyển trầm tích bở i dòng chảy nơ ng. Chú ý rằng khi r(x,t) = 0 (giai đoaṇ trƣớ c khi tạo ra lƣợng mƣa sinh dịng ) hoăc̣ khi i(x,t) = 0 (giai đoaṇ sau khi taọ ra lƣơṇ g mƣa sinh dòng) sẽ khơng cĩ sƣ ̣ cuớn trơi bùn cát do mƣa và khi r (x,t) = i(x,t), tớc đơ ̣ cuớn trơi bùn cát do mƣa là khơng bị giới hạn bởi lƣợng mƣa sinh dịng. 53
Khi đó (2-14) đƣơc̣ viết laị: ()()Ch Cq e( x , t )  V C e ( x , t ), txr s I (2- 54) n với: hq, đa ̃ giải gần đúng trƣớ c đó . Cần tìm gần đúng C j của C tại (,)xtjn (tức là n C(,) xj t n C j ). Điều kiêṇ biên trên: C(0, t ) K i (t )rt ( ) / (Vt r( )) khi t ≥ t I S P (2- 55) Điều kiêṇ ban đầu: C(,)()()/ x t Ki t rt (V r(t )) khi x ≥ 0 p I p p S p (2- 56) trong đó tP là thời gian tạo thành các hờ, vũng nƣớc nhỏ. Giải phƣơng trì nh (2-14) là để tìm ra nồng độ bùn cát tại bƣ ớc thời gian và i 1 khơng gian C j 1 đới vớ i các giá tri ̣đa ̃ biết. Sƣ̉ duṇ g cơng thƣ́ c sai phân LFW cho phƣơng trình (2-54). Khi đĩ ta đƣợc phƣơng trình sai phân của (2-54) nhƣ sau: nn 1 n Ch Ch n 1 jj 11 Ch)1j  Ch t j 2 n 11 n n n ()()()()cqj 1 cq j 1 cq j 1 cq j 1  (1 ) 22 xx (2- 57)  en 11 (1  ) e n (1  )  e n (1  ) e n RRRRj 11 j j j nn 11 nn  VCVCs j 1 (1  )  s j (1 ) VCVCs j 1 (1  )  s j  en 11 (1  ) e n 1   e n 1  e n IIIIj 11 j j j n 1 n n n Lấy  0 ta giải đƣơc̣ C j theo CCCj;; j 11 j và các đại lƣợng gần đúng của hq, nhƣ sau: 54
n n n n n 1 n n Cj 1 h j 1 C j 1 h j 1 t n n n n Cj 1  C j h j C j 1 q j 1 C j 1 q j 1 22 x (2- 58) n n n n n n teR (1  ) etVC R  s j 1 (1  )  VCte s j  I 1  e I . j 11 j j j n n n n n 1 n n Cj 1 h j 1 C j 1 h j 1 t n n n Cj 1  C j h j C j 11 C j q 22 x (2- 59) n n n n n n teR (1  ) etVC R  s j 1 (1  )  VCte s j  I 1  e I j 11 j j j 2.1.2.4. Thuật tốn giải phƣơng trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sơng Áp duṇ g lƣợc đồ sai phân LFW vào phƣơng trình mơ phỏng xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sơng [26]: ()()CA CQ ers d q tx (2- 60) nn 1 n CA CA n 1 jj 11 CA)1j  CA t j 2 n 11 n n n ()()()()CQj 1 CQ j 1 CQ j 1 CQ j 1  (1 ) 22 xx  en 11 (1  ) e n (1  )  e n (1  ) e n (2- 61) rj 11 r j r j r j n VS TWC  V TWCnn 11 (1  )  V TWC (1  ) j 1 SS jj 1 n (1 ) V TWC S j  qn 11 (1  ) q n 1   q n 1  q n sj 11 s j s j s j n 1 n n n Từ đĩ ta giải đƣơc̣ C j theo CCCj;; j 11 j và các đại lƣợng gần đúng của Q,, A TW nhƣ sau: 55
n n n n n 1 n n CACAj 1 j 1 j 1 j 1 t n n n n CCACQCQj 1  j j j 1 j 1 j 1 j 1 22 x t enn (1  ) e t  V TWCnn (1  )  V TWC (2- 62) rjj 1 r s jj 1 s t qnn 1. q ssjj 1 2.2. Xây dựng các thành phần của mơ hình Trên cơ sở phân tích lý thuyết sự hình thành dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực hình 2-2. Luận án xây dựng sơ đồ khối mơ phỏng quá trình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực sơng nhƣ hình 2-3. Hình 2-2. Sơ đồ hình thành dịng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực 56
Hình 2-3. Sơ đồ tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát 2.2.1. Quá trình liên rãnh Quá trình phá vỡ và vận chuyển bùn cát đều xảy ra trên diện tích giữa các 57
rãnh. Các hạt đất bị bong tách do tác động của hạt mƣa đƣợc vận chuyển tới các rãnh bởi lớp dịng chảy mỏng giữa các rãnh. Hầu hết lƣợng bùn cát tới các rãnh là do dịng chảy giữa các rãnh mang đến, chỉ cĩ một phần nhỏ bùn cát văng trực tiếp tới các rãnh. 2.2.1.1. Khả năng xĩi mịn liên rãnh Độ nhạy sự tách rời đất do tác động của mƣa sẽ khác nhau ứng với từng loại đất vì chúng cĩ các đặc trƣng vật lý, hĩa học khác nhau. Các đặc trƣng đất ảnh hƣởng tới khả năng xĩi mịn. Phƣơng trình xĩi mịn liên rãnh là: 2 Ei= 0.0138 Kii (2- 63) trong đĩ: 2 Ei : Tỷ lệ tách rời (kg/m h) 2 Ki : Hệ số khả năng xĩi mịn đất (kg.h/Nm ) i : Cƣờng độ mƣa (mm/h). Độ dốc liên rãnh đĩng vài trị quan trọng trong việc xĩi mịn và vận chuyển bùn cát, do vậy đã đƣa ra phƣơng trình độ dốc [60]: 0.79 Si = 2.96 (sinθ) + 0.56 (2- 64) trong đĩ: Si : Hệ số độ dốc liên rãnh θ : Gĩc dốc. Sau đĩ Harmon và Meyer đƣa thêm thành phần thảm phủ [60], kết hợp với phƣơng trình (2-63) xây dựng một phƣơng trình xĩi mịn liên rãnh: 2 0.79 Di = 0.0138Ki i eff [2.96 (sinθ) + 0.56] Ci (2- 65) trong đĩ: 2 i eff : Biểu diễn sự ảnh hƣởng của tán cây tới khả năng xĩi mịn Ci : Hệ số thảm phủ - quản lý đối với phá vỡ và tách rời liên rãnh. 58
Mối quan hệ giữa ieff và Ci dựa vào loại ảnh hƣởng I, II và III theo Wischmeier [61]. Loại I là tác động trên mặt đất chủ yếu từ tán cây; loại II là ảnh hƣởng lớp phủ bề mặt đất, cây xanh cịn lại và loại III là ảnh hƣởng sát mặt do rễ cỏ, đã cải thiện cấu trúc đất và các thành phần cịn lại. Sự ảnh hƣởng của loại I đƣợc phản ánh trong ieff; trong khi đĩ sự ảnh hƣởng loại II và loại III phản ánh trong Ci. Các giá trị nhân tố thành phần đƣợc nhân với nhau để nhận đƣợc giá trị Ci. Hệ số C thay đổi theo thực hành nơng nghiệp. Giá trị này bao gồm các tác động của che phủ, năng suất, độ dài vụ mùa, tập quán canh tác. Hệ số C cĩ thể tham khảo trong bảng tính C của hội khoa học đất quốc tế đã xây dựng ở bảng 1-1. Trong tính tốn xĩi mịn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực mà xét đến tồn bộ các hệ số trong các phƣơng trình trên là khĩ khả thi vì khơng cĩ đủ số liệu. Để đơn giản hĩa tác giả chọn phƣơng trình sau: ket Eil = ail.i (2- 66) trong đĩ: ail : Hệ số xĩi mịn liên rãnh đƣợc xác định bằng cách hiệu chỉnh giữa thực đo và tính tốn trong mơ hình i : Cƣờng độ mƣa (mm/h) ket : Hệ số khả năng xĩi mịn đất do tác động của hạt mƣa đƣợc xác định bằng cách hiệu chỉnh giữa thực đo và tính tốn trong mơ hình 2 Eil : Xĩi mịn liên rãnh (kg/m .h). Hệ số ket đƣợc tính tốn trên cơ sở tích hợp hệ số Cslr, mà Cslr là tỷ số giữa lƣợng đất mất trên một đơn vị diện tích cĩ lớp phủ thực vật và lƣợng đất mất trên một diện tích trống tƣơng đƣơng với sự quản lý của con ngƣời trong phƣơng trình USLE. 2.2.1.2. Vận chuyển bùn cát liên rãnh Dịng chảy liên rãnh là dịng chảy tràn bề mặt. Dịng chảy tràn bề mặt cĩ thể 59
dịng chảy tầng hoặc dịng chảy rối phụ thuộc vào hệ Reynol. Mức độ xĩi mịn bị giới hạn bởi khả năng vận chuyển bùn cát liên rãnh. Các phƣơng trình biểu diễn khả năng vận chuyển bùn cát dựa vào ứng suất trƣợt. Mối tƣơng quan cơ bản của phƣơng trình khả năng vận chuyển bùn cát nhƣ sau: 1.5 Tcl = At (η-ηcr) (2- 67) trong đĩ: Tcl : Sức tải bùn cát liên rãnh (kg/m.h) η : Ứng suất trƣợt (N/m2) 2 ηer : Ứng suất trƣợt tới hạn (N/m ). Các hệ số At và er là các hàm của đƣờng kính và mật độ hạt. Ứng suất trƣợt η do dịng chảy và năng lƣợng hạt mƣa tạo ra. Khi đĩ phƣơng trình (2-67) trở thành: 2 Tcl = γybs[(yb/yp). ai eff Cit] (2- 68) trong đĩ: a : Hệ số ƣớc lƣợng đƣợc yb : Độ dày dịng chảy mặt yb/yp : Tỷ số giữa độ dày của dịng chảy trên lƣu vực và độ sâu dịng chảy trong các vùng trũng. ieff : Cƣờng độ ảnh hƣởng tác động của hạt mƣa và Cit đƣợc tính nhƣ sau: 1.18 Cit = exp {-0.21[(yp/yb)-1]} (2- 69) Phƣơng trình (2-68) khơng xét tới hệ số nhám, mà hệ số nhám ảnh hƣởng tới sự phân bố bùn cát liên rãnh, do vậy trong mơ hình này tác giả sử dụng phƣơng trình của Meyer và Wischmeier [62] để xác định khả năng vận chuyển bùn cát liên rãnh nhƣ sau: 60
5/3 5/3 Tcl = acl. Io .q (2- 70) trong đĩ: Tcl : Sức tải bùn cát liên rãnh (kg/m.h) I0 : Độ dốc sƣờn dốc (%) q : Lƣu lƣợng dịng chảy trên một đơn vị chiều dài (m3/m.s) acl : Hệ số vận chuyển bùn cát liên rãnh. 2.2.2. Quá trình xĩi mịn rãnh 2.2.2.1. Xĩi mịn rãnh Lƣợng bùn cát bị xĩi mịn trong rãnh trên một diện tích đƣợc mơ hình hĩa bằng việc mơ tả sự xĩi mịn trong từng rãnh riêng biệt [46]. Lúc đầu việc này dƣờng nhƣ khơng khả thi bởi vì tồn tại rất nhiều các rãnh đặc trƣng và sự biến đổi về hình dạng hình học của các rãnh. Tuy nhiên trong trƣờng hợp đặc biệt của các rãnh giữa, phân tích sự xĩi mịn trong một số rãnh đƣợc chọn là khả thi và thích hợp với thực tế. Xĩi mịn rãnh và dịng chảy đƣợc giả thiết phân bố đồng đều, tuy nhiên về mặt vật lý dịng chảy và xĩi mịn tập trung trong các kênh nhỏ, từ đĩ phƣơng trình xĩi mịn rãnh đƣợc xác định: b Ei = a(η - ηcr) (2- 71) trong đĩ: 2 Ei : Tốc độ phá vỡ tiềm năng của xĩi mịn rãnh (kg/m .h) η : Ứng suất trƣợt của dịng chảy giả thiết là rộng và nơng (N/m2) 2 ηcr: Ứng suất trƣợt tới hạn (N/m ). Wischmeier và cộng sự đƣa ra phƣơng trình xĩi mịn rãnh [36] nhƣ sau: 1.5 Ei = 83.7 Krη Cr (2- 72) 61
trong đĩ: 2 Ei : Tốc độ phá vỡ tiềm năng của sự xĩi mịn rãnh (kg/m .h) 2 Kr : Hệ số xĩi mịn đất cho xĩi mịn rãnh (kg.h/N.m ) η : Ứng suất trƣợt trung bình của dịng chảy rộng và nơng (N/m2) Cr : Hệ số lớp phủ tính trong xĩi mịn rãnh. Ngồi hai cơng thức trên Foster và cộng sự giả thiết dịng chảy động học là ổn định và sử dụng phƣơng trình dịng chảy đều của Darcy - Weishbach, xây dựng phƣơng trình xĩi mịn rãnh cho sƣờn dốc cĩ chiều dài x nhƣ sau: 1.5 0.5 2 qsrc = aγ (f/8g) sζx KrCr/2 (2- 73) trong đĩ: qsrc : Tải trọng bùn cát của sƣờn dốc với độ dài x γ : Khối lƣợng riêng của nƣớc (kg/m3) f : Hệ số ma sát Darcy- Weishbach g : Gia tốc trọng trƣờng (m/s2) s : Sin của gĩc dốc (độ) ζ : Tốc độ mƣa vƣợt thấm (m/s). Các cơng thức trên khá phức tạp, phụ thuộc nhiều vào nhân tố nên tác giả chọn một phƣơng trình khác cĩ mối quan hệ giữa các nhân tố đơn giản hơn để tính tốn trong mơ hình nhƣ sau: Ei = Ciq s K Cslr (2- 74) trong đĩ: 2 Ei : Tốc độ phá vỡ tiềm năng của sự xĩi mịn rãnh (kg/m .h) Ci : Hệ số xĩi mịn rãnh đƣợc xác định từ việc hiệu chỉnh mơ hình q : Lƣu lƣợng dịng chảy (m2/phút) s : Sin của gĩc dốc (độ) K : Hệ số xĩi mịn đất lấy từ USLE Cslr : Tỷ lệ mất đất từ USLE. 62
2.2.2.2. Vận chuyển bùn cát trong rãnh Bùn cát lơ lửng đƣợc phân bố đều trên tồn bộ độ sâu dịng chảy và ít bị lắng đọng, bùn cát lơ lửng di chuyển xa hơn so với bùn cát đáy trƣớc khi nĩ lắng đọng, đặc biệt là các hạt bùn cát mịn. Phƣơng trình sức tải bùn cát trong rãnh rất quan trọng trong mơ hình xĩi mịn và vận chuyển bùn cát. Sự lắng đọng bùn cát phụ thuộc trực tiếp vào lƣợng bùn cát bị phá vỡ ở liên rãnh. Thơng thƣờng bùn cát gồm các hạt cĩ kích thƣớc và mật độ khác nhau. Với mục đích đơn giản hĩa, nên xem kích thƣớc và mật độ bùn cát là đồng nhất. Tuy nhiên, trong các bài tốn tính tốn sự phân chia của bùn cát trong suốt quá trình lắng đọng cĩ vai trị quan trọng, do vậy việc lựa chọn phƣơng trình sức tải bùn cát bùn cát cho phù hợp với tính tốn là rất cần thiết cho mơ hình. Sức tải bùn cát trong rãnh phụ thuộc vào dịng chảy mặt, độ dốc của rãnh, lực kéo của các hạt bùn cát nên Beasley đã xây dựng phƣơng trình sức tải bùn cát [41] nhƣ sau: 1/2 2 Tc= 146.I0.q đối với q 0.046 (m /s) trong đĩ: Tc : Sức tải bùn cát (kg/m.s) q : Lƣu lƣợng dịng chảy bề mặt trên một đơn vị chiều dài (m2/phút) I0 : Độ dốc của rãnh (%). Hagen (1993) đƣa ra phƣơng trình tính nhƣ sau: DEPq Vxs q Tc Vx 63