Luận án Nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

Ngành:

Thuỷ văn học

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ, nhằm giải quyết vấn đề xói mòn, vận chuyển bùn cát và thoái hóa đất đang diễn ra nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt ở các vùng đồi núi dốc dưới tác động của biến đổi khí hậu. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển cơ sở khoa học để xây dựng mô hình và ứng dụng nó vào các lưu vực sông vừa và nhỏ ở Việt Nam.

Nội dung nghiên cứu bao gồm việc tổng quan các mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát hiện có trên thế giới và tại Việt Nam, từ đó xác định những hạn chế và định hướng nghiên cứu. Luận án phát triển mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ chế xói mòn và vận chuyển bùn cát, sử dụng thuật toán sơ đồ sai phân hữu hạn Lax – Friedrichs có thêm trọng số thời gian và không gian để giải các phương trình dòng chảy và vận chuyển bùn cát. Mô hình được lập trình bằng ngôn ngữ C++ và được thử nghiệm tại một số lưu vực điển hình ở tỉnh Sơn La.

Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc xây dựng thành công mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ với thuật toán giải tiên tiến, đã chứng minh được tính hội tụ. Đặc biệt, luận án đã xây dựng được các phương trình tương quan giữa xói mòn liên rãnh, xói mòn rãnh với cường độ mưa và độ dốc trên lưu vực nghiên cứu, cho phép dự báo lượng bùn cát bị xói mòn và vận chuyển. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình có độ tin cậy cao, với các đường biểu diễn dòng chảy và vận chuyển bùn cát giữa tính toán và thực đo có sự phù hợp. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mưa là yếu tố chính và độ dốc là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát, với ví dụ cụ thể là nếu độ dốc lưu vực tăng 30% thì lượng bùn cát có thể tăng khoảng 12%.

Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần khẳng định hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong mô hình hóa, cung cấp công cụ giám sát, đánh giá và đề xuất giải pháp quy hoạch tài nguyên nước, sử dụng đất phù hợp. Các kiến nghị bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu xói mòn đáy và bờ, hoàn thiện mô hình cho các lưu vực khác và tích hợp công nghệ GIS để tăng độ chính xác.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của luận án
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
  • 4. Nội dung nghiên cứu
  • 5. Phương pháp nghiên cứu
  • 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
  • 7. Những đóng góp mới của luận án
  • 8. Cấu trúc của luận án: Gồm 3 chương

• CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

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

    • 1.1.1 Một số khái niệm, thuật ngữ

      • 1.1.1.1 Xói mòn lưu vực
      • 1.1.1.2 Bùn cát và bồi lắng

    • 1.1.2 Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn

      • 1.1.2.1 Các yếu tố gây xói mòn
      • 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn
    • 1.1.3 Phân loại xói mòn lưu vực
    • 1.1.4 Vận chuyển bùn cát trên lưu vực

  • 1.2 Các nghiên cứu trên thế giới

    • 1.2.1 Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn

    • 1.2.2 Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát

      • 1.2.2.1 Mô hình kinh nghiệm
      • 1.2.2.2 Mô hình nhận thức
    • 1.2.3 Các thuật toán giải trong các mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lưu vực

  • 1.3 Các nghiên cứu trong nước

    • 1.3.1 Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn
    • 1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng các mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát

  • 1.4 Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát – Hướng nghiên cứu chính của luận án

    • 1.4.1 Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát
    • 1.4.2 Định hướng nghiên cứu của luận án
  • Kết luận chương 1

• CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

  • 2.1 Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải

    • 2.1.1 Cơ sở lý thuyết

      • 2.1.1.1 Phương trình thấm
      • 2.1.1.2 Phương trình mô phỏng dòng chảy
      • 2.1.1.3 Phương trình mô phỏng dòng chảy

    • 2.1.2 Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải

      • 2.1.2.1 Thuật toán giải hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trên bề mặt lưu vực
      • 2.1.2.2 Thuật toán giải hệ phương trình mô phỏng dòng chảy trong kênh/sông
      • 2.1.2.3 Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lưu vực
      • 2.1.2.4 Thuật toán giải phương trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trong kênh/sông

  • 2.2 Xây dựng các thành phần của mô hình

    • 2.2.1 Quá trình liên rãnh

      • 2.2.1.1 Khả năng xói mòn liên rãnh
      • 2.2.1.2 Vận chuyển bùn cát liên rãnh

    • 2.2.2 Các quá trình xói mòn rãnh

      • 2.2.2.1 Xói mòn rãnh
      • 2.2.2.2 Vận chuyển bùn cát trong rãnh

    • 2.2.3 Quá trình lòng kênh/sông

      • 2.2.3.1 Sức tải bùn cát trong kênh/sông
      • 2.2.3.2 Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông

  • 2.3 Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình

  • 2.4 Cấu trúc và chức năng của một số chương trình con

    • 2.4.1 Cấu trúc và một số mô đun chính

      • 2.4.1.1 Cấu trúc chương trình: Có hai thành phần cơ bản
      • 2.4.1.2 Một số mô đun chính
    • 2.4.2 Chức năng của một số chương trình con

  • 2.5 Giao diện sử dụng chương trình

  • Kết luận chương 2

• CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƯU VỰC VỪA VÀ NHỎ

  • 3.1 Số liệu đầu vào cho mô hình

    • 3.1.1 Tạo cơ sở dữ liệu
    • 3.1.2 Chạy mô hình

  • 3.2 Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát

    • 3.2.1 Lưu vực Nậm Sập

      • 3.2.1.1 Vị trí địa lý
      • 3.2.1.2 Đặc điểm địa hình
      • 3.2.1.3 Đặc điểm thổ nhưỡng
      • 3.2.1.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất
      • 3.2.1.5 Đặc điểm khí hậu
      • 3.2.1.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn
      • 3.2.1.7 Yêu cầu số liệu đầu vào mô hình
      • 3.2.1.8 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

    • 3.2.2 Lưu vực Phiêng Hiềng

      • 3.2.2.1 Vị trí địa lý
      • 3.2.2.2 Đặc điểm địa hình
      • 3.2.2.3 Đặc điểm thổ nhưỡng
      • 3.2.2.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật và hiện trạng sử dụng đất
      • 3.2.2.5 Đặc điểm khí hậu
      • 3.2.2.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn
      • 3.2.2.7 Yêu cầu số liệu đầu vào
      • 3.2.2.8 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

    • 3.2.3 Xây dựng phương trình tương quan

      • 3.2.3.1 Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình

        • a. Phương pháp phân tích độ nhạy các thông số
        • b. Kết quả phân tích độ nhạy các thông số
      • 3.2.3.2 Phân tích tương quan giữa xói mòn liên rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
      • 3.2.3.3 Phân tích tương quan giữa xói mòn rãnh trên lưu vực với độ dốc và cường độ mưa
  • Kết luận chương 3

• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ