Luận án Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất

Download miễn phí Luận án Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung

Mục lục
Lời cam đoan. 5
Danh mục chữ viết tắt . 6
Danh mục bảng biểu . 7
Danh mục hình vẽ . 8
Mở đầu . 10
Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung.
cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy và phương pháp SCS. 15
1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên đất và nước lưu vực sông . 15
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên thế
giới và ở nước ta. 15
1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu. 18
1.2. Cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy. 20
1.2.1. Mô hình thủy động lực học. 26
1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong mô hình sóng động học
một chiều. . 28
1.3. Phương pháp SCS . 39
1.3.1. Giới thiệu phương pháp SCS . 39
1.3.2. Phát triển SCS. 41
Chương 2. điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số
lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với
quá trình mưa – dòng chảy . 45
2.1. Điều kiện địa lý tự nhiên . 45
2.1.1 Vị trí địa lý. 45
2.1.2 Địa hình . 45
2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng . 50
2.1.4. Thảm thực vật . 54
2.1.5. Khí hậu . 57
2.1.6. Mạng lưới thuỷ văn các lưu vực sông nghiên cứu . 58
2.2. Điều kiện kinh tế xã hội . 61
2.2.1. Thừa Thiên - Huế . 61
2.2.2. Quảng Nam . 62
2.2.3. Quảng Ngãi . 63
2.3. Đặc điểm mưa, dòng chảy và các biện pháp phòng lũ. 65
2.3.1. Đặc điểm mưa, dòng chảy trên các lưu vực nghiên cứu. 65
2.3.2 Các biện pháp phòng lũ trên các lưu vực nghiên cứu. 66
Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng
chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp SCS . 68
3.1. Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn mô
phỏng không gian – thời gian trong mô hình sóng động học một chiều . 68
3.1.1. Các vấn đề về tính ổn định và độ chính xác khi giải phương trình sóng
động học bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 68
3.1.2. Các sơ đồ số để giải phương trình sóng động học . 71
3.1.3. Một số thuật toán giải hệ phương trình vi phân phi tuyến tính trong mô
hình phần tử hữu hạn sóng động học một chiều . 75
3.1.4. Thực nghiệm số, đánh giá độ ổn định, độ chính xác của các sơ đồ số và
thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình sóng động học
một chiều . 77
3.2. Hiệu chỉnh phương pháp SCS, nâng cao khả năng mô phỏng lũ trên các lưu
vực sông ngòi Miền Trung . 80
3.2.1. Sử dụng SCS nâng cao khả năng mô phỏng lưu vực . 80
3.2.2. Nâng cao khả năng mô phỏng của phương pháp SCS . 82
3.2.3. Thực nghiệm số công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu trên một số lưu
vực Miền Trung. . 83
3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đối với một số lưu
vực sông thượng nguồn Miền Trung. 87
3.3.1. Phân tích và xử lý số liệu. 87
3.3.2. Xây dựng bộ thông số . 88
3.3.3. Xây dựng mô hình và chương trình tính toán . 94
3.3.4. Kết quả mô phỏng . 95
3.3.5. Nhận xét. 99
Chương 4. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng
chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước,
đất trên các lưu vực sông thượng nguồn miền trung. 103
4.1 ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy phục vụ dự báo lũ
sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang . 103
4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà Khúc–Sơn Giang 105
4.1.2. Dự báo lũ . 107
4.2. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp
lý tài nguyên đất trên lưu vực . 109
4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình
thành lũ. 110
4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ rừng đến sự hình thành lũ . 114
4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đồng thời
thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật . 117
4.2.4 Xây dựng bổ sung hồ chứa trên các lưu vực nghiên cứu, tăng cường khả
năng cắt lũ làm giảm mực nước hạ du. . 118
4.3. Kết quả và thảo luận. 121
4.3.1. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước . 121
4.3.2. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất . 122
Kết luận và kiến nghị. 124
Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN . 127
tài liệu Tham khảo . 129
phụ lục. 147
Phụ lục 1. Các bản đồ sử dụng trong luận án. 148
Phụ lục 2. Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng bằng mô hình
KW – 1D . 156
Phụ lục 3. Kết quả đánh giá các kịch bản sử dụng đất trên các lưu vực bằng mô
hình KW – 1D . 163
Phụ lục 4. Giao diện và các thực đơn chính của phần mềm KW-1D MODEL . 175


http://cloud.liketly.com/flash/edoc/jh2i1fkjb33wa7b577g9lou48iyvfkz6-swf-2014-01-21-luan_an_nghien_cuu_mo_phong_qua_trinh_mua_dong_c.3lC4t1rlIz.swf /tai-lieu/de-tai-ung-dung-tren-liketly-56214/
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí

Tóm tắt nội dung tài liệu:

tÝnh to¸n nhá nhÊt. Hromadka vµ DeVries
[123] thÊy r»ng, sau mét chuçi thö nghiÖm khi thay ®æi x vµ t , viÖc sö dông
ph­¬ng ph¸p sãng ®éng häc ®Ó diÔn to¸n trong kªnh dÉn cÇn ph¶i cã c¸c ®¸nh gi¸
trong c¸c m« h×nh thuû v¨n. H¬n n÷a, nh÷ng m« h×nh sãng ®éng häc cÇn ®­îc thö
nghiÖm ®Ó lùa chän x vµ t tèi ­u. Jaber vµ Mohtar [125] ph¸t triÓn nh÷ng ph­¬ng
tr×nh kinh nghiÖm cho c¸c b­íc thêi gian ®éng [132-134], ®¶m b¶o ®é chÝnh x¸c vµ
æn ®Þnh cho s¬ ®å chi tiÕt víi lêi gi¶i sãng ®éng häc. B­íc thêi gian ®éng nµy biÕn
71
®æi theo sè c¸c phÇn tö vµ thêi gian tËp trung n­íc cña l­u vùc. Nghiªn cøu nµy giíi
h¹n cho ph­¬ng ph¸p Galerkin khi sö dông s¬ ®å tæng hîp ®· chØ ra r»ng, nh÷ng dao
®éng lµ ®¸ng kÓ khi b­íc thêi gian tÝnh lín h¬n b­íc thêi gian ®éng giíi h¹n nh­ng
kh«ng gîi ý c¸ch nµo ®Ó khö nh÷ng dao ®éng nµy.
Khi sö dông ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc, sèc ®éng häc ph¸t sinh ë n¬i mµ
nh÷ng con sãng tèc ®é cao b¾t kÞp nh÷ng con sãng tèc ®é thÊp dÉn ®Õn ph¸ huû mÆt
c¾t sãng. Singh [146] sö dông ph­¬ng ph¸p xÊp xØ ®Ó hiÖu chØnh va ch¹m nh»m gi¶i
quyÕt vÊn ®Ò vµ nhÊn m¹nh r»ng, sö dông ph­¬ng ph¸p sè th­êng bá qua hiÖn t­îng
sèc vµ kh«ng sö dông ph­¬ng ph¸p hiÖu chØnh lµ kh«ng phï hîp khi ¸p dông lý
thuyÕt sãng ®éng häc. VÊn ®Ò lµ cÇn thö nghiÖm c¸c s¬ ®å kh¸c nhau, x©y dùng vµ
kiÓm tra b­íc thêi gian ®éng khi g©y nªn c¸c sèc sãng ®éng häc. M« h×nh sãng
®éng häc lµ c¬ së cña nhiÒu m« h×nh nghiªn cøu vµ phÇn mÒm th­¬ng m¹i s½n cã
trªn thÞ tr­êng, coi l­u vùc nh­ mét bÒ mÆt ch¶y trµn, dïng nh÷ng ph­¬ng ph¸p cã
s½n ®Ó tÝnh to¸n dßng ch¶y v­ît giíi h¹n nh­ HEC-1, DHI, SWMM vµ USDA [145].
Cã mét vµi nghiªn cøu gi¶i ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc cho c¶ tr­êng hîp l­u vùc
héi tô vµ ph©n kú [147]. Trong c¶ hai tr­êng hîp ®Òu thªm mét sè h¹ng phô vµo
ph­¬ng tr×nh b¶o toµn vËt chÊt vµ biÕn ®æi nã tõ d¹ng nguyªn b¶n. C¸c kÕt qu¶ ¸p
dông cho ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc nguyªn b¶n kh«ng cÇn thiÕt ph¶i ¸p dông cho
ph­¬ng tr×nh ®· biÕn ®æi.
Tõ c¸c tæng quan trªn cho thÊy, ®Ó n©ng cao ®é æn ®Þnh vµ ®é chÝnh x¸c cña
m« h×nh sãng ®éng häc mét chiÒu b»ng ph­¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n cÇn ph¶i tiÕn
hµnh lùa chän ®­îc mét s¬ ®å sè víi c¸c b­íc thêi gian thÝch hîp trong viÖc m«
pháng kh«ng gian vµ thêi gian ®èi víi c¸c l­u vùc nghiªn cøu. §©y lµ mét vÊn ®Ò
mang tÝnh lý luËn, nh­ ®· bµn luËn ë trªn vµ cÇn ®­îc kiÓm nghiÖm b»ng thùc tiÔn.
3.1.2. C¸c s¬ ®å sè ®Ó gi¶i ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc
D­íi ®©y lµ m« t¶ tãm t¾t vÒ c¸c ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc ¸p dông cho
dßng ch¶y trµn. Chi tiÕt vµ c¸ch biÕn ®æi c¸c ph­¬ng tr×nh nµy ®­îc ®­a ra bëi
Chow [111] vµ Henderson [122] cïng nhiÒu nhµ nghiªn cøu kh¸c.
Ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc mét chiÒu bÞ chi phèi bëi ph­¬ng tr×nh liªn tôc:
72
),( txr
x
q
t
h
e





(3.1)
Vµ ph­¬ng tr×nh b¶o toµn ®éng l­îng víi gi¶ thiÕt sãng ®éng häc ®­îc rót
gän thµnh:
fSS 0
(3.2)
Gi¸ trÞ q (m2/s) lµ dßng ch¶y trªn 1 ®¬n vÞ chiÒu ngang vµ h (m) lµ chiÒu s©u
dßng ch¶y trong ph­¬ng tr×nh (3.1) liªn quan víi ph­¬ng tr×nh n¨ng l­îng sau:
hq 
(3.3)
ë ®©y, sö dông ph­¬ng tr×nh Manning, 5/3 );/( 2/10   nS , trong ®ã n (m
1/3/s) lµ
hÖ sè nh¸m Manning; ),( txre lµ tèc ®é m­a v­ît giíi h¹n (m/s); 0S lµ ®é dèc ®¸y
cña phÇn tö (m/m); fS lµ hÖ sè ma s¸t (m/m); vµ x(m) vµ t(s) lÇn l­ît lµ kho¶ng
c¸ch theo h­íng dßng ch¶y vµ thêi gian. Franco vµ Chaudhry [115] cho r»ng viÖc
néi suy h vµ q lµ lêi gi¶i chÝnh x¸c vµ æn ®Þnh nhÊt cho bµi to¸n sãng ®éng häc.
PhÇn tö h÷u h¹n Galerkin cho bµi to¸n nµy biÓu diÔn th«ng qua c¸c biÕn ®éc
lËp nh­ sau:



n
i
ii
e xN
1
)( )(
(3.4)
ë ®©y i gi¸ trÞ cña hµm liªn tôc
)(e t¹i mçi ®iÓm nót cña mçi phÇn tö (e), )(xNi lµ
hµm h×nh d¹ng (h×nh th¸i) vµ lµ xÊp xØ hµm )(e t¹i gi¸ trÞ nót thø n [155].
- S¬ ®å chi tiÕt (consistent scheme)
Hµm h×nh d¹ng t¹i c¸c nót j-1 vµ j cña phÇn tö 1 chiÒu ®­îc biÓu diÔn:
1
1
1
1 vµ










jj
j
j
jj
j
j
XX
Xx
N
XX
xX
N
(3.5)
Trong s¬ ®å chi tiÕt th  / ®­îc gi¶ thiÕt biÕn ®æi tuyÕn tÝnh gi÷a c¸c nót vµ
®­îc biÓu diÔn nh­ sau:
73
 























t
t
NN
t j
j
jj
1
1
h
(3.6)
TÝch ph©n sè d­ cña biÓu thøc phÇn tö h÷u h¹n Galerkin nh­ sau:
    0),()()( 












  dxtxrx
q
t
h
xNR
jX
iX
Te
(3.7)
TÝch ph©n (3.7) vµ s¾p xÕp kÕt qu¶ cho ta hÖ cña c¸c ph­¬ng tr×nh vi ph©n
th­êng (ODE) ë d¹ng sau:
       0








fqB
t
h
C
(3.8)
ë ®©y [C] vµ vµ {f} lµ nh÷ng ma trËn:
    












2 1-
1 1-
2
;
2 1
1 2
6
)()( lB
l
C ee
(3.9)
vµ  







),(
),(
2
)(
txr
txrl
f e - ë ®©y l(m) lµ chiÒu dµi cña phÇn tö
- S¬ ®å tæng hîp (lumped scheme)
S¬ ®å tæng hîp [142] ®­îc khai triÓn b»ng viÖc ®Þnh nghÜa sù biÕn ®æi ®¹o
hµm th  theo x lµ kh«ng ®æi gi÷a c¸c ®iÓm gi÷a cña c¸c phÇn tö kÒ nhau. S¬ ®å
nµy lùa chän d¹ng hµm N* víi ®¹o hµm theo thêi gian nh­ sau:
)
2
1
()
2
1
(1 ** 1  sHNsHN jj vµ
(3.10)
ë ®©y H(x) - hµm träng sè ®­îc ®Þnh nghÜa:
0x nÕu  0)(xH
,
0x nÕu  1)(xH
s lµ kho¶ng c¸ch tõ nót j-1
Ma trËn phÇn tö [C] trong s¬ ®å tæng hîp:
  






1 0
0 1
2
)( lC e
(3.11)
74
Ma trËn t­¬ng tù nh­ trong s¬ ®å chi tiÕt.
- S¬ ®å phÇn tö h÷u h¹n ng­îc dßng (Upwind)
S¬ ®å phÇn tö h÷u h¹n “ng­îc dßng” ®èi víi c¸c ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc
1 chiÒu, c¸c néi suy kh«ng gian lµ hµm sè Xj-1 vµ Xj, t­¬ng øng víi täa ®é ®iÓm nót
j-1 vµ j cña mçi phÇn tö, gièng nh­ Heirich vµ nnk [121] ®· ph¸t triÓn s¬ ®å phÇn tö
h÷u h¹n ng­îc dßng cho ph­¬ng tr×nh vËn chuyÓn ®èi l­u. Theo s¬ ®å mét chiÒu
cña Heinrich cïng c¸c céng sù [121] th× hµm träng sè chuyÓn vÞ cña ph­¬ng tr×nh
xq  t¹i nót j-1 lµ:
)(),( 111 xFNyxWW jjj  
(3.12)
vµ t¹i nót j lµ:
)(),( xFNyxWW jjj 
(3.13)
ë ®©y  lµ hÖ sè ng­îc dßng ( 0 víi kh«ng ng­îc dßng vµ 1 ®èi víi ng­îc
dßng hoµn toµn). )(xF lµ mét lµ mét hµm d­¬ng, b»ng 0 t¹i c¸c ®iÓm nót vµ ë ®©y
l(m) lµ chiÒu dµi cña phÇn tö. Hµm tho¶ m·n nh÷ng ®iÒu kiÖn ®ã cã d¹ng:
 j
x
ix
ldxxF
2
1
)(
2
1
)1
)(
)((
3)(





jj
jj
XX
XxXx
xF
(3.14)
Sè d­ cña thµnh phÇn chuyÓn vÞ trong ph­¬ng tr×nh sãng ®éng häc xq  øng
víi mçi phÇn tö lµ:
qdx
x
N
WRqdx
x
N
WR
jx
j
x
j
e
j
jx
jx
j
e
j 








1
)(
1
1
)(
1 va
(3.15)
gi¶i tÝch ph©n nµy víi 1 ta cã:
jj
e
j
e
j qqRR   1
)()(
1 ,0
(3.16)
Hay ë d¹ng ma trËn:
75























 
j
j
j
j
q
q
R
R 11
1 1
0 0
(3.17)
Víi 10. ta cã:
























 
j
j
j
j
q
q
R
R 11
.550 55.0
55.0 45.0
(3.18)
Víi 0 ma trËn rót gän thµnh ma trËn kh«ng ng­îc dßng trong ph­¬ng
tr×nh (3.9).
3.1.3. Mét sè thuËt to¸n gi¶i hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn tÝnh trong m«
h×nh phÇn tö h÷u h¹n ...