Để xem full tài liệu Xin vui long liên hệ page để được hỗ trợ : https://www.facebook.com/thuvienluanvan01 HOẶC https://www.facebook.com/garmentspace/ https://www.facebook.com/thuvienluanvan01 https://www.facebook.com/thuvienluanvan01 tai lieu tong hop, thu vien luan van, luan van tong hop, do an chuyen nganh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
ĐÀO TẤN QUY
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN
MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT
TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2017

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
ĐÀO TẤN QUY
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN
MÔ 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. Ngô Lê Long
HÀ NỘI, NĂM 2017

3. i
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc luận án, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể thầy
cô hƣớng dẫn: PGS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan và PGS. TS Ngô 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 môn Mô hình toán và Dự báo khí
tƣợng thủy văn, Khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng 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 hoàn thành.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Toán học – Khoa Công nghệ thông
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 hoàn 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

4. ii
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không 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

5. iii
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 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN....................................................... 4
8. CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN................................................................................ 4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN
BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ .............................................................. 5
1.1. Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực ............................ 5
1.1.1. Một số khái niệm, thuật ngữ .....................................................................5
1.1.1.1. Xói mòn lƣu vực ...............................................................................5
1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng............................................................................6
1.1.2. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn.......................6
1.1.2.1. Các yếu tố gây xói mòn.....................................................................6
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn...................................................8
1.1.3. Phân loại xói mòn 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 xói mòn..................................................13
1.2.2. Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển
bùn cát.....................................................................................................15
1.2.2.1. Mô hình kinh nghiệm......................................................................15
1.2.2.2. Mô hình nhận thức ..........................................................................25
1.2.3. Các thuật toán giải trong các mô hình mô 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 xói mòn..................................................31

6. iv
1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận
chuyển bùn cát ........................................................................................32
1.4. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát –
Hƣớng nghiên cứu chính của luận án............................................................ 35
1.4.1. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn 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 MÔ HÌNH TOÁN
MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ .......... 37
2.1. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải.................................... 37
2.1.1. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................37
2.1.1.1. Phƣơng trình thấm...........................................................................37
2.1.1.2. Phƣơng trình mô phỏng dòng chảy.................................................38
2.1.1.3. Phƣơng trình diễn toán xói mòn và vận chuyển bùn cát.................40
2.1.2. Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải .........................................................44
2.1.2.1. ... Thuật toán giải hệ phƣơng trình mô phỏng dòng chảy trên bề mă ̣t lƣu
vực ....................................................................................................................44
2.1.2.2. Thuật toán giải hệ phƣơng trình mô phỏng dòng chảy trong
kênh/sông:.........................................................................................................49
2.1.2.3. Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn
cát trên lƣu vực .................................................................................................50
2.1.2.4. Thuật toán giải phƣơng trình mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn
cát trong kênh/sông...........................................................................................55
2.2. Xây dựng các thành phần của mô hình.......................................................... 56
2.2.1. Quá trình liên rãnh .................................................................................57
2.2.1.1. Khả năng xói mòn liên rãnh............................................................58
2.2.1.2. Vận chuyển bùn cát liên rãnh..........................................................59
2.2.2. Quá trình xói mòn rãnh...........................................................................61
2.2.2.1. Xói mòn rãnh...................................................................................61
2.2.2.2. Vận chuyển bùn cát trong rãnh .......................................................63
2.2.3. Quá trình lòng kênh/sông........................................................................64
2.2.3.1. Sức tải bùn cát trong kênh/sông ......................................................64
2.2.3.2. Vận chuyển bùn cát trong kênh/sông..............................................65
2.3. Phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng mô hình ........................................... 65
2.4. Cấu trúc và chức năng của một số chƣơng trình con..................................... 66
2.4.1. Cấu trúc và một số mô đun chính ...........................................................66
2.4.1.1 Cấu trúc chƣơng trình: Có hai thành phần cơ bản...........................66
2.4.1.2 Một số mô đun chính.......................................................................66
2.4.2. Chức năng của một số chương trình con................................................72

7. v
2.5. Giao diện sử dụng chƣơng trình..................................................................... 72
Kết luận chƣơng 2....................................................................................................... 74
CHƢƠNG 3. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY VÀVẬN
CHUYỂN BÙN CÁT CHO MỘT SỐ LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ ............................ 75
3.1. Số liệu đầu vào cho mô hình.......................................................................... 75
3.1.1. Tạo cơ sở dữ liệu.....................................................................................75
3.1.2. Chạy mô hình ..........................................................................................75
3.2. Thử nghiệm mô hình để mô phỏng xói mòn 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 mô hình ....................................................85
3.2.1.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mô 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 mô hình ..................................................100
3.2.2.8. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình.....................................................102
3.2.3. Xây dựng phƣơng trình tƣơng quan......................................................105
3.2.3.1. Phân tích độ nhạy của các thông số mô hình ................................105
3.2.3.2. Phân tích tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh trên lƣu vực với độ dốc
và cƣờng độ mƣa ............................................................................................108
3.2.3.3. Phân tích tƣơng quan giữa xói mòn 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 CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 116
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 123

8. vi
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

9. vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến xói mòn đất........................................ 8
Hình 1-2. Tỷ lệ xói mòn tại các châu lục trên thế giới........................................... 14
Hình 1-3. Sử dụng lƣới hình chữ nhật giải phƣơng trình trong mô hình động lực 31
Hình 2-1. Sơ đồ sai phân Lax- Friedrichs .............................................................. 44
Hình 2-2. Sơ đồ hình thành dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực.......... 56
Hình 2-3. Sơ đồ tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát .................................... 57
Hình 2-4. Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát liên rãnh............. 66
Hình 2-5. Sơ đồ khối tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát rãnh.................... 69
Hình 2-6. Sơ đồ khối tính lƣợng bùn cát vận chuyển trong sông 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 sông ngòi 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 mô đun dòng 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 toán và thực đo.................................... 87
Hình 3-10. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ..................... 88
Hình 3-11. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................... 88
Hình 3-12. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán 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 sông ngòi 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 mô đun dòng chảy lƣu vực Phiêng Hiềng .................... 99
Hình 3-21. Các tiểu lƣu vực của Phiêng Hiềng...................................................... 101

10. viii
Hình 3-22. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................. 103
Hình 3-23. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ................... 103
Hình 3-24. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo.................................. 104
Hình 3-25. Đƣờng quá trình hàm lƣợng bùn cát tính toán và thực đo ................... 104
Hình 3-26. Đƣờng biểu diễn kết quả khi thay đổi thông số mô hình ..................... 107
Hình 3-27. Tƣơng quan giữa xói mòn liên rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa...... 109
Hình 3-28. Tƣơng quan giữa xói mòn rãnh với độ dốc và cƣờng độ mƣa............. 111

11. ix
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

12. 1
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 thoái hóa
nghiêm trọng và biến đổi một cách nhanh chóng. Sự tác động tiêu cực của tự nhiên,
sự biến đổi của khí hậu toàn cầu gây nên tình trạng xói mòn, vận chuyển bùn cát,
thoái hóa đất trên lƣu vực, đặc biệt là các vùng đất dốc. Theo báo cáo của Bộ Khoa
học và Công nghệ nƣớc ta có hơn 13 triệu ha đất bị suy thoái thành đất trống, đồi
núi trọc, trong đó có 1,2 triệu ha đã bị xói mòn trơ sỏi đá.
Việt Nam có điều kiện tự nhiên phong phú, thuận lợi cho việc phát triển sản
xuất nông nghiệp đa dạng, cùng với đó các hoạt động canh tác trên nền đất dốc dẫn
đến nguy cơ xói mòn và bạc màu đất rất cao, đặc biệt vào mùa mƣa. Hầu hết các
sông suối đều ngắn, độ dốc lớn nên khả năng giữ nƣớc kém, tốc độ dòng chảy lớn,
nên khi có mƣa lớn thƣờng gây ra các hiện tƣợng lũ quét, xói mòn và rửa trôi mạnh
làm tăng nguy cơ mất đất toàn khu vực. Rõ ràng xói mòn và vận chuyển bùn cát
đang là một vấn đề toàn cầu hiện nay và đang có xu hƣớng gia tăng. Trong khi đó
quỹ đất canh tác hết sức hữu hạn và dân số không ngừng phát triển. Theo các
chuyên gia của FAO – UNEP hàng năm trên thế giới có khoảng từ 5 đến 7 triệu ha
đất bị mất khả năng sản xuất do bị xói mòn đất. Ở Việt Nam, với 3/4 diện tích là đồi
núi và nằm trong vùng nhiệt đới ẩm gió mùa, nên xói mòn đƣợc xem là một hiểm
họa đối với đất dốc ở Việt Nam. Nếu không có biện pháp phòng chống xói mòn thì
hàng trăm tấn đất và dinh dƣỡng sẽ bị mất sau mỗi năm và đất trở nên thoái hóa
không còn khả năng canh tác.
Một trong những phƣơng pháp tốt nhất hiện nay để tính toán lƣợng đất mất đi
do quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực là mô hình toán. Ƣu điểm
của phƣơng pháp này: Ít chi phí; có thể mô phỏng đƣợc trên các lƣu vực với quy mô

13. 2
khác nhau và có thể dự tính lƣợng bùn cát bị xói mòn theo các kịch bản khác nhau.
Các nhà khoa học đã mô phỏng xói mòn và mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát
trên lƣu vực dƣới dạng các phƣơng trình toán học và giải chúng trên máy tính điện
tử. Đây là một trong những hƣớng nghiên cứu tiếp cận với những công cụ, phần
mềm máy tính hiện đại. Đã có rất nhiều nghiên cứu trong nƣớc cũng nhƣ trên thế
giới về xói mòn với cách tiếp cận mô phỏng xói mòn theo các mô hình toán, 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, có
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 không có khả năng tính toán cho từng trận mƣa
hay các bƣớc thời gian ngắn hơn. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu xây dựng mô hình
toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ” là cần
thiết và cấp bách, áp dụng tính toán cho các lƣu vực sông ở Việt Nam.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng xói mòn và
vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ.
- Thử nghiệm mô hình đã xây dựng cho một số lƣu vực vừa và nhỏ.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình toán mô phỏng xói mòn 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 mô hình toán mô phỏng xói mòn 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 xói mòn và vận chuyển bùn cát để phát

14. 3
triển mô hình mô phỏng quá trình xói mòn 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 mô hình toán thủy văn, các nghiên cứu về xói mòn 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 sông.
- Phƣơng pháp kế thừa: Sử dụng có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, điều tra
cơ bản trƣớc đây có 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 toán các thông số [1].
- Phƣơng pháp mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát: Là
phƣơng pháp đƣợc sử dụng để lƣợng hóa quá trình dòng 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 có nhiều kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu, các chuyên gia
và nhà quản lý có 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 mô
hình để mô phỏng quá trình xói mòn 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 góp phần khẳng định việc nghiên cứu xây
dựng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát với ứng dụng công
nghệ viễn thám, GIS [1] là rất hiệu quả và cần thiết trong giai đoạn hiện nay.

15. 4
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tƣ liệu tham khảo quan trọng góp
phần cung cấp thông tin về tình hình dòng chảy, vận chuyển bùn cát trên lƣu vực
sông 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
công cụ có thể giám sát, đánh giá, tra cứu thông tin, theo dõi tác động của xói mòn và
vận chuyển bùn cát đến các hoạt động sản xuất khai thác sử dụng đất và nƣớc để từ
đó đề xuất các giải pháp quy hoạch tài nguyên nƣớc, quy hoạch sử dụng đất phù hợp.
7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Xây dựng đƣợc mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu
vực vừa và nhỏ, với thuật toán sơ đồ sai phân Lax – Friedrich có thêm trọng số thời
gian, không gian để giải phƣơng trình dòng chảy và phƣơng trình vận chuyển bùn
cát trên lƣu vực.
- Xây dựng đƣợc phƣơng trình tƣơng quan giữa tính toán xói mòn liên rãnh,
xói mòn rãnh trên lƣu vực nghiên cứu: Lƣu vực Nậm Sập, lƣu vực Phiêng Hiềng
của tỉnh Sơn La, từ đó có thể dự báo lƣợng bùn cát bị xói mòn và vận chuyển trên
lƣu vực theo cƣờng độ mƣa.
8. CẤU TRÖC CỦA LUẬN ÁN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc trình bày theo 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan về mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu
vực vừa và nhỏ.
Chƣơng II: Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình toán mô phỏng vận
chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ.
Chƣơng III: Thử nghiệm mô hình để mô phỏng vận chuyển bùn cát cho một số
lƣu vực vừa và nhỏ.

16. 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN
CHUYỂN BÙN CÁT TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ
1.1. Tổng quan về xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực
1.1.1. Một số khái niệm, thuật ngữ
1.1.1.1. Xói mòn lƣu vực
Theo từ điển bách khoa toàn thƣ về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng
Latin là "erodere” chỉ sự ăn mòn dần, thuật ngữ xói mòn để chỉ các quá trình liên
quan đến các lớp đất đá, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân nhƣ gió, nƣớc,
băng, tuyết tan hoặc hoạt động của sinh vật. Có rất nhiều khái niệm về xói mòn, cụ
thể nhƣ sau:
Xói mòn là hiện tƣợng di chuyển đất bởi nƣớc mƣa, bởi gió dƣới tác động của
trọng lực lên bề mặt của đất. Xói mòn đất đƣợc xem nhƣ là một hàm số với biến số
là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lƣợng mƣa và cƣờng
độ mƣa [2].
Xói mòn là hiện tƣợng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề mặt đất bị
bào mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nƣớc [3].
Xói mòn là quá trình san bằng, trong đó có các hạt đất hay đá cứng bị nhào
lộn, rửa trôi và di chuyển dƣới tác dụng của trọng lực, gió và nƣớc là động lực
chính của quá trình này [4].
Quá trình xói mòn, trƣợt lở, bồi lấp thực chất là quá trình phân bố lại vật chất
dƣới ảnh hƣởng của trọng lực, xảy ra khắp nơi và bị chi phối chủ yếu bởi điều kiện
địa hình [5].
Xói mòn do nƣớc phụ thuộc vào năng lƣợng xói mòn của dòng nƣớc và sức
kháng của đất đá đối với dòng nƣớc chảy qua.

17. 6
1.1.1.2. Bùn cát và bồi lắng
Quá trình xói mòn và lắng đọng bao gồm các quá trình phá vỡ, vận chuyển,
lắng đọng của các hạt bùn cát do tác động của các tác nhân xâm thực và tác nhân
vận chuyển của dòng chảy mặt [6].
Bùn cát lơ lửng là những hạt bùn cát có kích thƣớc nhỏ, nổi lơ lửng khắp trong
dòng nƣớc và chuyển động trôi theo dòng nƣớc. Tốc độ chuyển động của loại bùn
cát này bằng tốc độ chuyển động của dòng nƣớc.
Mật độ hay khối lƣợng riêng bùn cát là khối lƣợng của một đơn vị thể tích bùn
cát. Kí hiệu là ρs và đơn vị thƣờng dùng là kg/m3
.
Bồi lắng là các hạt đất tách ra do xói mòn đƣợc lắng lại trong đất hoặc bên
trong các nguồn nƣớc nhƣ: hồ, suối và đất ngập nƣớc [7].
1.1.2. Nguyên nhân chính gây xói mòn, ảnh hưởng đến xói mòn
1.1.2.1. Các yếu tố gây xói mòn
Nguyên nhân chủ yếu của xói mòn đất là tác động của mƣa, việc nghiên cứu
quá trình xói mòn đƣợc chia thành hai vấn đề: (1) Xói mòn biểu hiện ra sao ở các
dạng mƣa khác nhau và (2) Xói mòn xảy ra nhƣ thế nào trên các loại đất khác nhau.
Vì vậy, quy mô hoạt động xói mòn phụ thuộc vào hai nhân tố: Cƣờng độ mƣa và
khả năng kháng xói của đất. Nói một cách toán học, xói mòn là một hàm của tác
động xói mòn do mƣa và tính xói mòn của đất.
Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã chỉ ra các nhóm nhân tố
chính gây ra xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nhƣ sau:
a) Nhóm nhân tố mưa:
Nhân tố mƣa gây xói mòn chủ yếu thông qua lƣợng mƣa và cƣờng độ mƣa.
Lƣợng đất mất do xói mòn 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 có lƣợng

18. 7
xói mòn ít hơn những trận mƣa lớn; cùng một lƣợng mƣa, trận mƣa nào có cƣờng
độ mƣa lớn hơn (thời gian mƣa ngắn hơn) thì lƣợng đất xói mòn sẽ nhiều hơn.
Những trận mƣa có cƣờng độ mƣa lớn sẽ làm cho lƣợng nƣớc mƣa không kịp ngấm
xuống đất, lƣợng nƣớc mƣa này gần nhƣ chuyển toàn bộ thành dòng chảy mặt làm
cho vận tốc dòng chảy mặt tăng đáng kể. Dòng chảy mặt càng lớn thì sẽ tạo nên
xung lực lớn tách và cuốn trôi những hạt đất mặt dẫn đến lƣợng đất xói mòn 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 xói mòn do không đủ lƣợng nƣớc hình thành dòng chảy. Khi cƣờng
độ mƣa lớn, thời gian mƣa kéo dài thì xói mòn rất nghiêm trọng.
b) Nhóm nhân tố thành phần cơ lý của đất
Tính xói mòn của đất chủ yếu thể hiện qua thành phần cơ giới, độ xốp của đất
và tình trạng bề mặt đất. Đối với đất có thành phần cơ giới nặng (đất sét) thì kích
thƣớc các hạt nhỏ, mịn, liên kết chặt, khó bị phá vỡ nên nguy cơ xảy ra xói mòn là
không cao. Đối với đất có thành phần cơ giới trung bình (đất thịt) thì kích thƣớc hạt
nhỏ vừa phải, liên kết vừa phải, tơi xốp, dễ bị cuốn trôi khi xuất hiện dòng chảy mặt
nên nguy cơ bị xói mòn cao. Đối với đất có thành phần cơ giới nhẹ (đất cát), mặc dù
có kết cấu kém bền vững nhƣng có kích thƣớc hạt lớn khó vận chuyển nên nguy cơ
xảy ra xói mòn là không cao, loại đất này có khả năng thấm nƣớc tốt nhƣng giữ
nƣớc kém [9].
Đất bị xói mòn 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 xói mòn 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].

19. 8
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến xói mòn
Có 5 nhân tố chính ảnh hƣởng tới xói mòn đất là địa hình, loại đất, thảm thực
vật, khí hậu và con ngƣời.
Hình 1-1. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất
a) Địa hình
Địa hình ảnh hƣởng đến xói mòn đất chủ yếu thông qua độ dốc và chiều dài
sƣờn dốc. Độ dốc là nhân tố quan trọng ảnh hƣởng đến xói mòn và dòng chảy mặt.
Độ dốc càng lớn thì xói mòn mặt càng lớn và ngƣợc lại. Cùng một cấp độ dốc, nếu
chiều dài sƣờn dốc càng lớn thì nguy cơ gây xói mòn 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 xói
mòn 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 ôn 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 nó che kín mặt đất, giọt nƣớc rơi xuống từ các lá cây có ít năng
lƣợng hơn rất nhiều so với các giọt mƣa không bị chắn [12, 13, 14]. Tuy nhiên,
nhiều tán cây có những chỗ hở để cho giọt mƣa rơi thẳng xuống bề mặt đất và phá

20. 9
vỡ các hạt đất. Vật chất tiếp xúc bề mặt đất có hiệu lực làm giảm sự xói mòn so với
một tán che. Nơi mà bề mặt đất đƣợc che phủ không xảy ra sự phá vỡ bởi giọt mƣa
vì không có 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 xói mòn
đất trên bề mặt lƣu vực và do đó làm giảm đáng kể lƣợng bùn cát gia nhập sông,
ảnh hƣởng này thông qua hai tác dụng:
- Cản trở quá trình hình thành dòng chảy mặt từ mƣa, tăng thời gian tiếp xúc
giữa nƣớc và đất, tăng lƣợng nƣớc thấm xuống đất, tăng dòng chảy ngầm và giảm
lƣợng dòng chảy mặt [15].
- Bảo vệ bề mặt đất khỏi sự tiếp xúc trực tiếp với gió và nƣớc, tăng sức kháng
đối với xói mòn của đất đá.
Lớp (tầng) tán rừng: là tầng hoạt động thứ nhất trong hiệu ứng thuỷ văn rừng,
tán rừng có 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
luôn thấp hơn lƣợng mƣa ngoài đất trống. Mặt khác tán rừng cũng cản phần lớn
lƣợng nƣớc mƣa không 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 không [16, 17]. Trong rừng, mƣa bị tán
cây giữ lại trƣớc khi rơi xuống đất, với những cây có 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 đó có nghĩa là năng lƣợng của
toàn bộ những hạt nƣớc rơi xuống từ tán lá cây lớn hơn năng lƣợng của những hạt
mƣa tự nhiên rơi xuống đất không có che phủ. Do vậy nếu không có lớp che phủ
dƣới tán thì lƣợng xói mòn trong rừng sẽ rất lớn.
Hoạt động nông nghiệp đã làm tăng lƣợng đất xói mòn lên nhiều lần so với đất
có thảm thực vật tự nhiên che phủ. Hàng năm toàn thế giới ƣớc tính tổng lƣợng phù

21. 10
sa từ các con sông đổ ra biển đã tăng từ 9 tỷ tấn lên đến 24 tỷ tấn [18].
Sông Nƣớc Lƣợng phù sa hàng năm
Hoàng 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 xói mòn 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. Xói
mòn đất là hàm số tác động xói mòn của mƣa và tính xói mòn của đất (Xói mòn đất
= (tính gây xói mòn của mƣa) x (tính xói mòn 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 công trình thủy lợi trên sông đều làm thay đổi các điều kiện mặt đệm lƣu vực và

22. 11
điều kiện dòng chảy trong sông nên ảnh hƣởng đến xói mòn lƣu vực, lòng sông và
làm thay đổi hàm lƣợng bùn cát trong sông.
1.1.3. Phân loại xói mòn lưu vực
Căn cứ vào tác nhân gây xói mòn, ngƣời ta phân xói mòn đất thành 5 loại: Xói
mòn do nƣớc, do gió, do trọng lực, do tuyết tan và dòng bùn đá. Trong phạm vi
nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu xói mòn do nƣớc. Xói mòn do nƣớc
còn đƣợc phân thành [10, 19]:
- Xói mòn bắn tóe (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 dòng
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 có 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.
- Xói mòn bề mặt (sheet erosion): Nƣớc mƣa chảy tràn kéo theo các hạt vật
liệu theo đƣờng di chuyển của dòng chảy.
- Xói mòn rãnh nhỏ (rill erosion): Khi xói mòn lớp xảy ra kéo dài, nƣớc có
khuynh hƣớng tập trung vào các đƣờng, rãnh nhỏ (rill) và hình thành kiểu xói mòn
rãnh. Kiểu xói mòn này dễ nhận thấy khi nƣớc chảy theo các rãnh nhỏ trên mặt đất.
Khi mặt đất đồng đều, thƣờng gây ra xói mòn theo từng lớp mỏng, nhƣng thực tế,
trên mặt đất, dù trên một diện tích nhỏ, mặt đất ít khi đồng đều, luôn luôn có nơi
cao, nơi thấp.
- Xói mòn rãnh (gully erosion): Hình thành khi nhiều rãnh nhỏ phát triển thành
các rãnh lớn (gully).
Theo tổng kết các dạng xói mòn đất, nguyên nhân, các nhân tố môi trƣờng nhƣ
sau:

23. 12
Xói mòn
Các dạng
biểu hiện
Nguyên nhân:
các nguồn năng
lƣợng khác nhau
Nhân tố môi trƣờng
Xói mòn do
gió (Wind
erosion)
Vết lằn, ụ
đất, đám
khí bụi.
Năng lƣợng gió 1. Vận tốc gió, sự nhiễu động
không khí.
2. Hƣớng gió thịnh hành.
3. Khả năng chống chịu môi
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.
Xói mòn khô
(Dry
mechanical
erosion)
Lở đất Lực trọng trƣờng,
áp lực từ việc canh
tác trên đất.
1. Phụ thuộc vào cƣờng độ
canh tác (tần suất và loại hình
canh tác).
2. Phụ thuộc vào độ dốc, mức
độ kết dính đất.
Xói mòn bề
mặt
(Sheet
erosion)
Mảng cát,
lớp bồi
lắng.
Tác động của giọt
mƣa
1. Lớp phủ cây trồng.
2. Độ dốc.
3. Đất.
4. Công nghệ và cấu trúc kiểm
soát xói mòn.
Xói mòn
dạng tuyến
(Linear
erosion)
Dòng suối
nhỏ, rãnh
nƣớc.
Năng lƣợng dòng
chảy phụ thuộc
vào thể tích dòng
chảy và bình
phƣơng vận tốc
dòng chảy.
1. Vận tốc dòng chảy phụ
thuộc vào độ dốc, độ nhám bề
mặt.
2. Thể tích dòng chảy phụ
thuộc vào kích thƣớc lƣu vực
và khả năng thấm.
3. Phẫu diện và tầng đá mẹ của
đất.
Di chuyển
khối
(Mass
movement)
Trƣợt lở
đất, lũ bùn.
Lực trọng trƣờng,
mất cân bằng độ
dốc.
1. Khối lƣợng lớp thổ nhƣỡng
+ nƣớc + cây trồng.
2. Độ ẩm của khối đất trƣợt lở.
3. Địa hình: đá, mức độ không
thấm, độ dốc.

24. 13
1.1.4. Vận chuyển bùn cát trên lƣu vực
Quá trình xói mòn 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 dòng chảy mặt [20]. Vận chuyển là sự cuốn trôi và
di chuyển của các hạt bùn cát từ các vùng đất cao qua sông ngòi 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 dòng chảy, quá trình xói mòn, chuyển tải và bồi lắng trên
lƣu vực. Các quá trình đó đƣợc các tác giả mô hình hoá thông qua các mô hình
toán [22, 25].
1.2. Các nghiên cứu trên thế giới
1.2.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn
Quá trình xói mòn hiện nay đƣợc gắn với các hoạt động nông nghiệp. Nhiều
ngƣời đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyên nhân khiến các nền
văn minh quá khứ mất đi. Vì vậy, cùng với thoái hóa đất, xói mòn tồn tại nhƣ một
vấn đề trong suốt quá trình phát triển của nhân loại.
Xói mòn xảy ra trên phạm vi toàn cầu nhƣng với các mức độ khác nhau. Vấn
đề xói mòn 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 nông nghiệp màu mỡ và nguồn lao động nông
nghiệp nghèo chiếm đa số. Hiểm họa xói mòn đất đã là mối quan tâm của con ngƣời
kể từ bình minh của nền nông nghiệp. Tuy nhiên, quy mô 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 xói mòn thay đổi ở các khu vực khác nhau từ 30 - 40 tấn/ha/năm [27].
Ở phạm vi toàn cầu, ƣớc lƣợng khoảng 1960 triệu ha đất có xu hƣớng bị xói

25. 14
mòn, chiếm khoảng 15% tổng diện tích đất thế giới, trong số đó, có 50% bị xói mòn
trầm trọng, và đa số bị bỏ hoang [28], tỉ lệ xói mòn thay đổi từ 0.5 đến 350 tấn/ ha/
năm. Hàng năm, toàn cầu có khoảng 75 - 109 triệu tấn đất bị mất đi, tƣơng đƣơng
với thiệt hại 400 tỉ USD/ năm.
Hình 1-2. Tỷ lệ xói mòn tại các châu lục trên thế giới
Các nghiên cứu đầu tiên về xói mòn đất đƣợc các nhà khoa học ngƣời Đức
thực hiện vào những năm 1877. Năm 1907 tại Mỹ các chƣơng trình nghiên cứu về
xói mòn đất đƣợc bắt đầu khi Bộ Nông 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
xói mòn [30] đƣợc tiến hành nghiên cứu và phân tích các tác động cơ học của hạt
mƣa lên đất và đƣa ra tiến trình xói mòn [2]. Công thức toán học đƣợc Zingg đƣa ra
để đánh giá ảnh hƣởng của độ dốc và độ dài của sƣờn dốc đến sự xói mòn [31].
Hiện nay xói mòn 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 xói
mòn trên thế giới là mô hình hóa, diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên
cứu xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng nhƣ
tác động của xói mòn lên môi trƣờng nhằm có đƣợc các biện pháp chống xói mòn
khả thi. Nghiên cứu theo hƣớng mô hình hóa theo hai trƣờng phái: Trƣờng phái

26. 15
theo Bennett khẳng định rằng việc hình thành các rãnh trên bề mặt là do sự vận
chuyển vật chất rắn, do năng lƣợng dòng chảy [26]. Vì vậy, kiểm soát xói mòn nên
tập trung vào các biện pháp cơ giới để làm giảm tốc độ dòng chảy và năng lƣợng
xói mòn của nó, mà không cần giảm lƣợng dòng chảy trên lƣu vực. Trƣờng phái
dựa trên nghiên cứu của Ellison khẳng định rằng dòng chảy gia tăng theo sự suy
thoái cấu trúc bề mặt từ tác động của giọt mƣa [2]; do đó, kiểm soát xói mòn cần
tiến hành trên bề mặt lƣu vực, tập trung vào lớp phủ cây trồng, công nghệ trồng trọt.
1.2.2. Nghiên cứu về các mô hình mô phỏng quá trình xói mòn và vận chuyển
bùn cát
Mô hình xói mòn và vận chuyển bùn cát đƣợc phân thành hai loại [32]: Mô
hình kinh nghiệm; Mô hình nhận thức. Cụ thể các nghiên cứu xây dựng các mô hình
biểu diễn xói mòn, vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nhƣ sau:
1.2.2.1. Mô hình kinh nghiệm
Các nghiên cứu về xây dựng mô hình kinh nghiệm tính toán xói mòn lƣu vực
phải kể đến các nghiên cứu nhƣ [31, 33, 36].
Mô hình kinh nghiệm đầu tiên đƣợc Zingg xây dựng để tính lƣợng bùn cát bị
xói mòn ở sƣờn dốc [31], trong đó lƣợng bùn cát bị xói mòn phụ thuộc vào độ dốc
và chiều dài sƣờn dốc . Sƣ̉ dụng các dƣ̃ liê ̣u tƣ̀ các nhà nghiên cƣ́ u khác và các dƣ̃
liê ̣u tƣ̀ kết quả thí nghiê ̣m của mình , Zingg đã đề xuất mối quan hê ̣giữa xói mòn
với chiều dài, độ dốc của sƣờn dốc và đề xuất công thức tính xói mòn trên lƣu vực
nhƣ sau:
A = CS1.37
L0.60
(1- 1)
trong đó:
A : Sự xói mòn đất trung bình trên mỗi đơn vị diện tích
L, S : Chiều dài, độ dốc của sƣờn dốc
C : Hằng số.

27. 16
Smith đã đánh giá các ảnh hƣởng của các giải pháp bảo toàn cơ học cho 4 sƣ̣
kết hợp [35] gồm 1) sƣ̣ luân canh mùa vụ; 2) sƣ̣ xƣ̉ lý, canh tác đất; 3) lớp phủ thƣ̣c
vâ ̣t (cây trồng, mùa vụ) (C); 4) các hệ số áp dụng hỗ trợ (P) cho phƣơng trình Zingg
để tính xói mòn trên lƣu vực.
A = CS7/5
L3/5
P (1- 2)
Ellison thông qua thí nghiê ̣m đã chỉ ra ảnh hƣởng của năng lƣợng động học
của mƣa đối với sự bong tách các phân tử đất [33], trong đó lƣợng đất bi ̣bong tách
đƣợc tính toán trong quá trình thời đoa ̣n kéo dài 30 phút, mô tả trong phƣơng trình
sau:
E = KV4.33
D1.07
I0.65
(1- 3)
trong đó:
E : Lƣợng đất bị bong tách trong quá trình bị bắn tóe, trong một thời đoạn kéo
dài 30 phút (grams)
K : Một hằng số
V : Vận tốc rơi của các ha ̣t mƣa (fps)
D : Đƣờng kính của các giọt mƣa (mm)
I : Cƣờng độ mƣa (inch/giờ).
Musgrave đã đƣa ra phƣơng trình tính xói mòn lƣu vực [34], trong đó có xét
đến yếu tố khí hậu là cƣờng độ mƣa thời đoạn 30 phút tính toán cho lƣợng đất xói
mòn trong một mẫu đất Anh (0.4 ha) và lƣợng nƣớc mƣa lớn nhất trong 30 phút, tần
suất 2 năm, (inch).
E = IRS1.35
L0.35
P30
1.75
(1- 4)
trong đó:
E : Lƣợng đất xói mòn trong một mẫu đất Anh (0.4 ha)

28. 17
I : Sự xói mòn riêng của đất (in)
R : Hệ số lớp phủ
S : Độ dốc mái (%)
L : Chiều dài mái dốc (ft)
P30 : Lƣợng nƣớc mƣa lớn nhất trong 30 phút, tần suất 2 năm, (inch).
Phƣơng trình Musgrave đƣợc sƣ̉ dụng rộng rãi để ƣớc tính lƣợng xói mòn đất
tổng cộng tƣ̀ các lƣu vƣ̣c đầu nguồn.
Wischmeier và Smith đã xây dựng phƣơng trình mất đất phổ dụng USLE
(Universal Soil Loss Equation) để tính lƣợng bùn cát bị xói mòn [36], trong đó có
xét thêm các nhân tố ảnh hƣởng đến xói mòn nhƣ hệ số ảnh hƣởng của cây trồng và
ảnh hƣởng của các biện pháp canh tác đến xói mòn đất.
Xói mòn đƣợc xem nhƣ tích số của hệ số xói mòn của mƣa (nhân tố mƣa R),
hệ số xói mòn 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 soát xói mòn (nhân tố thực hành bảo tồn P). Vì là một tích số nên nếu một
nhân tố có xu hƣớng bằng 0, xói mòn sẽ có xu hƣớng bằng 0. Phƣơng trình cơ bản
(mô hình kinh nghiệm) tính toán xói mòn trên bề mặt lƣu vực có dạng nhƣ sau:
A = R.K.LS.C.P (1- 5)
trong đó:
A là lƣợng đất mất trung bình hàng năm (tấn/ ha). Trong phƣơng trình USLE,
xói mòn 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 dòng 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 xói mòn tiềm
năng trong một khu vực nhất định mà xói mòn bề mặt (sheet) xuất hiện trên một
mảnh đất trống có độ dốc 9%.

29. 18
Hệ số K phụ thuộc vào chất hữu cơ, kết cấu của đất, tính thấm của nó và cấu
trúc phẫu diện. Nó thay đổi từ 7/10 cho đất mỏng nhất đến 1/100 cho đất ổn định
nhất. Nó đƣợc đo trên các mảnh đất trống dài 22,2m và độ dốc 9%, canh tác theo
hƣớng dốc và không 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 xói mòn trên đất trống và xói mòn 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. Nó 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 soát xói mòn cụ thể nhƣ cày xới theo đƣờng
đồng mức, hoặc bậc thang.
Hệ số R của các trận mƣa đƣợc tính theo công thức của Brown và Foster [37]:
 
 
0,05
j 30
1
.I . 0,29 1 0,72. .
n
j
j
R V e I


 
 
 
 
 (1- 6)
trong đó:
R : Hệ số xói mòn 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 dòng chảy trong khoảng thời gian j (m/s).
Hệ số xói mòn 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 có 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

30. 19
trƣờng hợp những vùng nghiên cứu không có điều kiện thu thập các dữ liệu mƣa thì
có thể sử dụng công thức tính R theo lƣợng mƣa của tháng hoặc năm.
Trong những trƣờng hợp số liệu mƣa theo trận không sẵn có mà chỉ có lƣợng
mƣa theo năm thì có thể tính R từ lƣợng mƣa năm theo công thức thực nghiệm của
Renard và Freimund [38] nhƣ sau:
1,847
0,07397.
17,2
F
R  với F < 55mm
2
95,77 6,08.
17,2
F F
R
 
 với F ≥ 55mm
(1- 7)
Công thức Larionov (Liên Xô cũ):
 
,30
1
0,258 0,149
n
i i
i
R X I

 
 (1- 8)
trong đó:
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 công thức tính hệ số R khác đƣợc thống kê theo Nguyễn Kim Lợi,
2005 trong bảng sau:
Tác giả Công thức
Roose (1975)
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=0,5 x P x 1,73
Morgan (1974)
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=9,28 x P-8,838
Foster et al (1981)
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) và I30 R=0,276 x P x I30
El-Swaify and others 1985

31. 20
Tác giả Công thức
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=38,5 + 0,35 (P)
Wanapiryarat et al (1986)
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng ngày (x) R=-3,2353+1,789ln(x)
Công thức của Nguyễn Trọng Hà (Đại học Thủy Lợi – Hà Nội)
Chỉ số xói mòn tính theo lƣợng mƣa hàng năm (P) R=0,548257P – 59,9
Việc xác lập công thức để tính toán cho hệ số R phụ thuộc vào từng khu vực
nhất định do mỗi vùng đều có 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 xói mòn
càng cao. Giá trị R thay đổi từ năm này qua năm khác nên việc xác định hệ số R
chung là rất khó, 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 toán
hệ số R cho các khu vực khác nhau thì ta có thể áp dụng các công tính R của các
khu vực đã nghiên cứu, nhƣng ta phải chọn công thức tính hệ số R phù hợp nhất với
khu vực nghiên cứu.
K là hệ số thể hiện khả năng xói mòn của đất (soil erodibility). Nói cách khác
đây là một nhân tố biểu thị tính dễ bị tổn thƣơng của đất với xói mòn và là đại
lƣợng nghịch đảo với tính kháng xói mòn của đất. Đất có giá trị K càng lớn thì khả
năng xói mòn 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 có trong đất. Một số công thức tính hệ số K nhƣ sau:
Tác giả Công thức
Wischmeier và
Smith (1978)
100K=2,1.10-4M1,14(12-a) + 3,25(b-2) + 2,5(c-3)
Rosewell
(1993)
100K=2,27M1,14(10-7)(12-a) + 4,28(10-3)(b-2) + 3,29(10-3)(c-
3)
ISSS (1995) 100K=2,241[2,1.10-4(12-a)M1,14 + 3,25(b-2) + 2,5(c-3)]

32. 21
K : Hệ số xói mòn 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 xói mòn đất. Về mặt lý thuyết, khi tăng tốc độ dòng
chảy lên gấp đôi thì mức độ vận chuyển đối với các hạt có thể lớn hơn 64 lần, nó
cho phép mang các vật liệu hòa tan trong nƣớc lớn hơn gấp 30 lần và kết quả làm
tăng sức mạnh xói mòn gấp 4 lần [39]. S là độ dốc của sƣờn dốc , lƣợng mất đất lớn
khi độ dốc cao. Nó 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 dòng chảy chậm lại và vật chất bị trầm
lắng. Nó là tỷ số lƣợng mất đất ở các loại đất giống nhau có độ dốc giống nhau
nhƣng có chiều dài sƣờn khác nhau, so với chiều dài sƣờn của ô đất chuẩn (72.6
feet). --> L và S là 2 yếu tố đƣợc xem xét chung khi tính toán xói mòn. Tùy thuộc
vào từng khu vực mà ta có cách tính toán LS cho phù hợp.
Wischmeier và Smith đã đƣa ra công thức tính LS [36] nhƣ sau:
LS = (x/22,13)n (0,065 +0,045* s + 0,0065*s2
) (1- 9)
trong đó:
x : Chiều dài sƣờn thực tế tính bằng đơn vị m
s : Độ dốc (%)
n : Thông 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 có lớp phủ thực
vật và có sự quản lý của con ngƣời đối với lƣợng đất mất trên một diện tích trống

33. 22
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 không có 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 xói mòn.
Nhìn chung nhân tố cây trồng bao gồm:
- Tác dụng của lớp che phủ vòm lá và chiều cao của chúng (CI)
- Tác dụng của lớp phủ giữ nƣớc đối với xói mòn do dòng 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 xói của đất
(CIII)
Hệ số C bằng tích của ba hệ số CI, CII và CIII. Trong đó CI đƣợc xác định
theo công 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 đó:
Fc : Phần trăm diện tích đất đƣợc che phủ bởi vòm lá (%)
H : Khoảng cách từ vòm 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 (%)

34. 23
Ngoài ra còn có 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
Độ
che
phủ
(%)
Bãi chăn
thả, cây lâu
năm thấp
và có lớp
phủ
Cây và bụi cây với chiều cao khác
nhau (không phủ kín đất)
Rừng
nhiệt đới
lớp phủ
(>50mm)
Cây
hàng
năm
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 xói mòn trên vùng đất dốc. Trong công thức mất đất phổ dụng, giá trị của
hệ số P đƣợc thành lập từ 3 yếu tố phụ và đƣợc tính theo công thức:
P = Pc * Pst * Pter
trong đó: 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 xói mòn.
Mô hình kinh nghiệm nói 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 mô hình kinh nghiệm có thể xác định thông qua việc hiệu chỉnh mô hình,
nhƣng thƣờng đƣợc xác định từ việc kiểm định các số liệu quan trắc thực tế. Các dữ

35. 24
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 toán xói mòn kênh hay sự xói mòn mƣơng; không
chính xác cho trận mƣa đơn. Phƣơng trình tính xói mòn không đề cập đến vấn đề
bồi lắng trên lƣu vực và không tính toán cho một trận mƣa cũng nhƣ không ƣớc
lƣợng đƣợc sự lắng đọng, không ƣớc lƣợng đƣợc sự xói mòn rãnh sâu hay sự xói
mòn kênh. Chỉ giới hạn trong phạm vi lƣu vực nhỏ, với lƣu vực lớn đòi hỏi phải có
nhiều số liệu, dẫn đến sai số lớn khi tính toán. Việc xác định các hệ số trong phƣơng
trình USLE đƣợc xây dựng dựa trên số liệu của Mỹ, do đó việc áp dụng để tính cho
các lƣu vực khác sẽ không tránh khỏi những sai số. Tuy nhiên USLE có 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 mô hình đơn giản, cơ sở dữ liệu lớn, các giá trị tham
số có sẵn, đƣợc sử dụng rộng rãi bởi các cơ quan nhƣ USDA thích nghi với các
vùng không đồng nhất nơi không xảy ra sự lắng đọng.
Williams đã nghiên cứu cải biên mô hình USLE và đƣa ra phƣơng trình
MUSLE tính lƣợng bùn cát sinh ra từ một trận mƣa [26]:
msf = 0,95(V.Qs)0,5
.K.LS.C.P (1- 10)
trong đó:
msf : Lƣợng bùn cát tại mặt cắt cửa ra (kg)
V : Tổng lƣợng lũ (m3
)
Qs : Lƣu lƣợng đỉnh lũ (m3
/s)
K, LS, C, P: Nhƣ phƣơng trình USLE.
Mặc dù MUSLE giả thiết rằng sự lắng đọng xảy ra trong lƣu vực, nó chỉ đƣa
ra một ƣớc lƣợng của tổng sản lƣợng bùn cát và không 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 có thể đƣợc sử dụng biểu diễn vận chuyển bùn cát qua lƣu vực để
ƣớc lƣợng sự phân phối này. Mô hình MUSLE đơn giản, dễ áp dụng, sử dụng tập

36. 25
hợp số liệu tham số của USLE, tuy nhiên phƣơng trình MUSLE không cung cấp
thông tin về phân bố theo thời gian của lƣợng bùn cát trong thời gian xảy ra dòng
chảy.
Các hạn chế của mô hình kinh nghiệm nhƣ sau:
Mô hình này chỉ áp dụng cho xói mòn bề mặt (sheet), vì thế nó không áp dụng
cho xói mòn dạng tuyến (linear) hoặc xói mòn khối (mass).
Mô hình đã đƣợc kiểm nghiệm và xác nhận tại bán bình nguyên và đất nƣớc
nhiều đồi núi với độ dốc sƣờn 1-20%. Mô hình không áp dụng cho các sƣờn dốc có
độ dốc lớn hơn 40%, nơi dòng chảy lớn hơn là một nguồn năng lƣợng lớn hơn so
với mƣa, và nơi có chuyển động khối của trái đất mạnh mẽ.
Các mối quan hệ giữa động năng và cƣờng độ mƣa thƣờng đƣợc sử dụng trong
mô hình này không áp dụng cho các vùng miền núi.
Mô hình này chỉ áp dụng cho dữ liệu trung bình trên 20 năm và không phù
hợp khi dùng cho các trận mƣa đơn.
Cuối cùng, một hạn chế lớn của mô hình là nó bỏ qua sự tƣơng tác nhất định
giữa các nhân tố. Ví dụ nó không tính đến ảnh hƣởng xói mòn 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. Mô hình nhận thức
Khác với mô hình kinh nghiệm, mô hình nhận thức đƣợc phát triển dựa vào
hiểu biết về các qui luật vận động và cơ chế vật lý của quá trình xói mòn, nghĩa là
dựa vào các hiểu biết đã đƣợc lý thuyết hoá dƣới dạng các định luật hay phƣơng
trình vật lý. Các quá trình vật lý của xói mòn có 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 dòng chảy mà quá trình này tuân thủ) và quá trình
bồi lắng của các hạt đất.
Các mô hình nhận thức mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát đƣợc xây
dựng dựa vào các phƣơng trình toán học mô phỏng các hiện tƣợng vật lý của quá

37. 26
trình xói mòn rửa trôi đất. Cơ sở toán học của các mô hình toán là phƣơng trình liên
tục của Bennett [26]. Phƣơng trình liên tục thƣờng đƣợc sử dụng trong mô hình
động lực học của sự xói mòn đất dốc là:
( )
s
s r l
q cy
D D
x t

 
  
  (1- 11)
trong đó:
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 dòng chảy (khối lƣợng bùn cát/một đơn vị thể tích
dòng chảy)
y : Độ dày lớp dòng chảy
t : Thời gian
Dr : Tốc độ xói mòn rãnh (khối lƣợng bị xói mòn /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 mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực
có thể kể đến nhƣ sau:
Mô hình ANSWERS đƣợc Beasley và các cộng sự đƣa ra vào năm 1980 (mô
phỏng xói mòn đất trên lƣu vực có xem xét sƣ̣ khuếch tán chất lƣợng nƣớc) [41] bao
gồm: một quá trình dòng chảy và một quá trình xói mòn dƣ̣a trên những hiện tƣợng
vâ ̣t lý xảy ra trên lƣu vực . Quá trình xói mòn với giả thiết bùn cát bị bong tách do
quá trình mƣa rơi, dòng chảy và dòng chảy cuốn trôi. Mô hình ANSWERS chia lƣu
vƣ̣c thành các tiểu lƣu vực (ô lƣới) nhỏ và độc lập . Trong mỗi phần tử ô lƣới, các
quá trình xói mòn và dòng chảy đƣợc xử lý nhƣ hai hàm độc l ập của cá c thông số
xói mòn và dòng chảy của mỗi phần tử đó . Trong mô hình, điều kiê ̣n bề mă ̣t và độ
sâu dòng chảy tràn của mỗi phần (ô lƣới) đƣợc xem là bằng nhau . Các khe rãnh

38. 27
không đƣợc xem xét. Ảnh hƣởng của các khe dẫn nƣớc đƣợ c mô tả thông qua hê ̣số
nhám của phƣơng trình Mainning đã đƣợc sử dụng trong mô hình này . Trong mô
hình ANSWERS không xem xét thành phần bùn cát trong dòng chảy ngầm và
không xét đến vấn đề xói mòn trong kênh. Dƣ̃ liê ̣u đầu vào của mô hình ANSWERS
khá lớn.
Mô hình CREAMS (Mô hình về hóa học, dòng chảy và xói mòn từ hệ quản lý
nông nghiệp) [27]. Các thành phần vận chuyển trầm tích của CREAMS (các chất
hóa học, dòng chảy và xói mòn tƣ̀ các hê ̣thống quản lý (canh tác) nông nghiê ̣p) đã
phân tích sƣ̣ nƣ́ t bề mă ̣t và khe rãnh một cách riêng biê ̣t. Sƣ̣ bong tách trong các khu
vƣ̣c nƣ́ t bề mă ̣t và khe rãnh đƣợc xác đi ̣
nh bởi mô hình USLE đã đƣợc chỉnh sƣ̉ a ,
cải tiến. Quy trình này cho phép các thông số thay đổi trong suốt quá trình dòng
chảy và dọc theo các đƣờng dẫn nƣớc để miêu tả chính xác sự biến thiên theo không
gian.
Mô hình AGNPS (Mô hình nguồn ô nhiễm phân tán từ nông nghiệp) đƣợc xây
dựng do các nhà khoa học nông nghiệp Mỹ [42] nhằm dự đoán xói mòn và sự di
chuyển các chất dinh dƣỡng, hóa chất từ những lƣu vực nông nghiệp. Mô hình sẽ
chạy cho từng trận mƣa. Lƣu vực đƣợc chia ra thành những tiểu lƣu vực và lƣới ô
vuông có kích thƣớc bằng nhau. Mô hình bao gồm 3 mô hình con, đó là: Mô hình
xói mòn dựa trên phƣơng trình tính toán xói mòn mất đất phổ dụng USLE. Mô hình
dòng 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 dòng chảy khác nhau. Quá trình vận chuyển
các chất dinh dƣỡng đất và hóa chất đƣợc mô hình hóa dựa trên các đặc tính của
đất, lƣợng các chất bón vào đất và khả năng vận chuyển của dòng chảy. Mô hình
làm việc trên cơ sở hệ thống lƣới ô vuông. Các ô vuông là những ô có 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 mô hình là phần thủy lực, xói mòn đất, vận
chuyển bùn cát và vận chuyển các chất dinh dƣỡng cây trồng nhƣ đạm, lân và các
chất hóa học. Trong phần thủy lực mô hình tính toán chủ yếu là thể tích dòng chảy

39. 28
mặt (dòng lũ, đỉnh lũ). Tổng lƣợng xói mòn trên đất dốc. Xói mòn rãnh tính toán
trên 5 nhóm 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 ô vuông. Phần vận chuyển chất ô nhiễm
đƣợc chia nhỏ thành một phần tính toán các chất ô nhiễm gắn liền với bùn cát. Mô
hình không những mô phỏng cho từng trận mƣa đơn mà còn mô phỏng theo năm có
tính đến các yếu tố cân bằng nƣớc bao gồm: mƣa, bốc thoát 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 dòng chảy cho mỗi trận mƣa đƣợc tính toán một cách
khoa học. Tuy nhiên mô hình chủ yếu tập trung đánh giá sự di chuyển các chất dinh
dƣỡng, hóa chất từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp trên lƣu vực.
Mô hình KINEROS (Mô hình xói mòn động lƣ̣c) là tập hợp các phần tử của
một ma ̣ng lƣới nhƣ thƣ̣c vâ ̣t học , các con kênh tự nhiên hoặc các ống dẫn nƣớc , ao
hồ, các khu chứ a mà chúng liên kết với nhau [43, 44]. Mô hình KINEROS có sƣ̣
hợp nhất của các phần vâ ̣n chuyển bùn cát và xói mòn. Thành phần vận chuyển bùn
cát của mô hình là dựa trên phƣơng trình liên tục không ổn địn h một chiều. Mƣ́ c độ
xói mòn, bồi lắng là sự kết hợp giữa xói mòn do mƣa rơi và mƣ́ c độxói mòn /bồi
lắng thủy lƣ̣c. Mƣ́ c độxói mòn do mƣa rơi đƣợc đƣa ra bởi một phƣơng trình kinh
nghiê ̣m mà trong đó mƣ́ c độlà tƣơng ƣ́ ng với năng lƣợng th ứ 2 của mƣa. Mƣ́ c độ
xói mòn thủy lực (dòng nƣớc) đƣợc ƣớc tính là tƣơng ƣ́ ng với độthiếu hụt khả năng
vâ ̣n chuyển mà nó là sƣ̣ khác nhau giƣ̃a hàm lƣợng bùn cát hiê ̣n ta ̣i trong dòng chảy
và nồng độ lớn nhất ở trạng thái ổn định.
Mô hình WEPP (Water Erosion Prediction Project) là mô hình tính toán xói
mòn dựa trên quá trình vật lý mô phỏng sự xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu
vực [45]. Mô hình WEPP tính toán lƣợng đất bị xói mòn dọc theo sƣờn dốc và
lƣợng chuyển tải bùn cát tại điểm cuối của sƣờn dốc. Sự xói bề mặt và xói rãnh nhỏ
cũng đƣợc mô phỏng trong mô hình này. Xói mòn bề mặt đƣợc mô phỏng nhƣ là
quá trình xói mòn do tác động của hạt mƣa, cƣờng độ mƣa, chuyển tải bùn cát do
lớp dòng chảy mặt tới các rãnh nhỏ. Xói mòn rãnh là hàm số của lớp dòng chảy

40. 29
mặt, dung tích chuyển tải bùn cát và lƣợng bùn cát hiện có trong dòng chảy. Quá
trình hình thành dòng chảy mặt đƣợc coi là quá trình hình thành dòng chảy trên bề
mặt và quá trình tập trung dòng chảy trong rãnh nhỏ trên bề mặt đó. Quá trình diễn
toán dòng chảy đƣợc thực hiện bằng cách giải phƣơng trình sóng động học. Trong
lƣu vực, xói mòn 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 mô hình WEPP dựa trên cơ sở của phƣơng trình liên tục
bùn cát [46] do Foster và Meyer xây dựng mà nó áp dụng cho điều kiện dòng chảy
trong rãnh.
Mô hình WEPP đã sử dụng phƣơng trình để tính toán xói mòn và trầm tích:
Di = Ki*Ie 2 *Ge*Ce*Sf (1- 12)
trong đó:
Di : Lƣợng trầm tích chuyển từ xói mòn mảng sang khu vực xói mòn dòng
(kg/m2
/s).
K i : Tính xói mòn mảng của mảng (kg/m3
/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
Ce : Hệ số (1/m) (kg/(m2
.h)).
Mô hình xói mòn đất Châu Âu EUROSEM là một mô hình dự báo xói mòn
đất bởi nƣớc tƣ̀ các lƣu vƣ̣c nhỏ [47, 48]. EUROSEM có thể mô phỏng vâ ̣n chuyển
bùn cát, xói mòn và bồi lắng bởi các quá trình trong các khe rãnh và trong các khe
nƣ́ t trên bề mă ̣t ở các sƣờn dốc . Mô hình mô phỏng tổng lƣợng dòng chảy , tổng
lƣợng đất mất đi , quan hệ mƣa – trầm tích. Trong mô hình EUROSEM , sƣ̣ 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 . Xói do nƣớc mƣa bắn tóe diễn ra trƣớc khi dòng chảy bắt
đầu. Vì thế, hàm lƣợng bùn cát ban đầu nên đƣợc lấy bằng giá trị 0. Có 3 trƣờng

41. 30
hợp đƣợc xem xét cho vấ n đề xói mòn ở sƣờn đồi bao gồm : Sƣờn dốc không có các
khe rãnh; sƣờn dốc có khe rãnh và cá c khe nƣ́ t bề mă ̣t ; Sƣờn dốc có các khe rãnh
dày chằng chịt. Quá trình xói mòn trong kênh đƣợc xƣ̉ lý tƣơng tự nhƣ xói mòn
trong khe rãnh với ngoa ̣i lê ̣là tác động mƣa rơi là không đáng quan tâm và dòng
chảy bên (dòng chảy nhập lƣu) đối với kênh tƣ̀ sƣờn dốc trở nên quan trọng.
Mô hình “Công cụ đánh giá đất và nƣớc” SWAT (Soil and Water Assement
Tools) là một mô hình vật lý đƣợc xây dựng từ những năm 90 do tiến sĩ Jeff Arnold
thuộc trung tâm nghiên cứu đất nông nghiệp USDA- Agricultural Research Service
(ARS) xây dựng. Mô hình này đƣợc xây dựng để mô 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 sông trong một khoảng thời gian nào đó. Mô hình SWAT tính
toán bồi lắng vào xói mòn cho những đoạn kênh có kích thƣớc giống nhau cho việc
mô phỏng toàn bộ hệ thống kênh. SWAT đƣợc phát triển từ mô hình mô phỏng tài
nguyên nƣớc lƣu vực nông thôn SWRRP cùng với một số mô hình khác nhƣ: Hệ
thống quản lý nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn CREAMS mô hình
những ảnh hƣởng của sự tích trữ nƣớc ngầm GLEAMS và mô hình tính toán ảnh
hƣởng của hoạt động sản xuất đến xói mòn EPIC. Trong mô 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 toán giải trong các mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát
trên lƣu vực
Các mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực nêu
trên đều dựa trên phƣơng trình liên tục của Bennet. Các mô hình giải bằng phƣơng
pháp số trị nhƣ mô hình CREAM, EUROSEM... còn các mô hình giải bằng phƣơng
pháp giải tích nhƣ mô hình SWAT, WEPP... Với trƣờng hợp giải bằng phƣơng pháp
giải tích cho sƣờn dốc có độ dốc đồng nhất và với lƣợng mƣa vƣợt thấm.
Với trƣờng hợp tổng quát bài toán thƣờng đƣợc giải bằng phƣơng pháp số trị,

42. 31
sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn và một lƣới thời gian và không gian đặc trƣng
nhƣ đƣợc chỉ ra trong hình sau:
Hình 1-3. Sử dụng lưới hình chữ nhật giải phương trình trong mô hình động lực
1.3. Các nghiên cứu trong nƣớc
Việt Nam có địa hình chủ yếu là đồi núi, xói mòn đất diễn ra thƣờng xuyên
nên hiện tƣợng xói mòn đã đƣợc nghiên cứu từ rất sớm và đã đƣa ra kết luận
phƣơng pháp canh tác ruộng bậc thang sẽ giảm hiện tƣợng xói mòn.
1.3.1. Nghiên cứu đánh giá chung về xói mòn
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới ẩm và có lƣợng mƣa tƣơng đối lớn (từ
1800 – 2000mm) nhƣng phân bố không đồng đều và tập trung chủ yếu vào mùa
mƣa. Lƣợng mƣa lớn tập trung tạo ra dòng chảy có cƣờng độ rất lớn, đây là nguyên
nhân chính gây ra hiện tƣợng xói mòn đất ở Việt Nam. Phù sa đổ ra biển Đông
khoảng 200 triệu tấn/năm, ngƣời ta ƣớc tính trung bình 1m3
nƣớc trong sông chứa
từ 50g-400g bùn cát, riêng đồng bằng sông Hồng 1000g/m3
và có lúc đạt 2000g/m3
.
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 môi
trƣờng, Việt Nam đang đứng trƣớc nguy cơ thoái hóa đất do xói mòn rửa trôi là rất
lớn.
Các số liệu thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2008 cho thấy, Việt Nam có
khoảng 25 triệu ha đất dốc có nguy cơ xói mòn và rửa trôi rất lớn. Theo các quan

43. 32
trắc có hệ thống từ năm 1960 đến nay thì có khoảng 10% - 20% lãnh thổ bị ảnh
hƣởng xói mòn 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 xói mòn của nƣớc ta có
thể chia làm 3 giai đoạn: Trƣớc năm 1954: Giai đoạn này chỉ mới bắt đầu xuất hiện
các biện pháp canh tác chống xói mòn nhƣ làm ruộng bậc thang, xây kè cống.v.v...
chứ xói mòn đất chƣa đƣợc nghiên cứu đƣa lên thành lý luận. Từ 1954 - 1975: Giai
đoạn này bắt đầu xuất hiện một số công trình nghiên cứu và nhiều biện pháp canh
tác chống xói mòn đƣợc đƣa ra hàng loạt trên các nông trƣờng miền núi phía Bắc.
Một số nghiên cứu đáng chú ý giai đoạn này nhƣ: Chu Đình Hoàng nghiên cứu sự
ảnh hƣởng của giọt mƣa đến xói mòn đất và chống xói mòn bằng biện pháp canh tác
[39]. Nguyễn Tử Xiêm và Thái Phiên với công trình nghiên cứu về đất đồi núi Việt
Nam [6]. Về mặt lý luận các tác giả đã đánh giá đƣợc năng lực phòng hộ của một số
dạng cấu trúc thảm thực vật rừng trong việc chống xói mòn và tiến hành các nghiên
cứu với quy mô rộng hơn.
1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng xói mòn và vận
chuyển bùn cát
Từ 1975 đến nay các công 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 xói mòn đất và đƣa ra các biện pháp chống xói mòn
cho các tỉnh Tây nguyên [9] và xác định giá trị của các yếu tố gây xói mòn đất theo
mô hình Wischmeier W.H và Smith D.D. Các nghiên cứu trên cũng chỉ tập trung
nghiên cứu xói mòn trên lƣu vực trên cơ sở ứng dụng phƣơng trình mất đất phổ
dụng để tính toán xói mòn trên lƣu vực mà chƣa xem xét đến quá trình dòng chảy
và vận chuyển bùn cát trên lƣu vực.
Nguyễn Trọng Hà trong nghiên cứu các yếu tố gây xói mòn và khả năng dự
báo xói mòn trên đất dốc [8] đã đƣa ra chỉ số xói mòn của mƣa và hệ số xói mòn đất
K để tiến tới áp dụng phƣơng trình mất đất phổ dụng USLE của Wischmeier và

44. 33
Smith, dự báo đƣợc xói mòn đất và sơ bộ thể hiện tiềm năng xói mòn do mƣa trên
bản đồ tỷ lệ nhỏ. Nghiên cứu trên chƣa xem xét đến các yếu tố khác gây xói mòn
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 xói mòn khái quát.
Phạm Hùng [11] đã phát triển mô hình toán 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 thông tin địa lý (GIS) để đánh giá nguy cơ xói mòn lƣu vực. Bƣớc đầu tính
toán cho thấy nhiều khả năng ứng dụng tốt để đánh giá nguy cơ xói mòn lƣu vực
trong điều kiện của nƣớc ta. Trên cơ sở phân tích mƣa ngày lớn nhất và chỉ số xói
mòn do mƣa, nghiên cứu đã tính toán 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
xói mòn do các trận mƣa và chƣa xét đến cấp độ dốc trên lƣu vực là một trong
những nguyên nhân gây xói mòn 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 xói mòn hiện tại của 4 lƣu vực lớn ở Miền Bắc Việt Nam [50]. Kết
quả nghiên cứu về xói mòn tại các lƣu vực đƣợc tích hợp với phân tích lƣu vực
nhằm chỉ ra các khu vực xói mòn nguy hiểm làm cơ sở cho đề xuất các biện pháp
phòng tránh hữu hiệu nhằm mục tiêu phát triển bền vững.
Phạm Hữu Tỵ đã mô phỏng rủi ro xói mòn vùng cảnh quan đồi núi trên cơ sở
sử dụng số liệu viễn thám và mô 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 công thức tính toán hệ số xói mòn đất của mƣa
R, hệ số địa hình LS, hệ số che phủ thực vật và biện pháp canh tác C của RUSLE
thông qua việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat ETM+, mô hình quan trắc Radar STM
và mô hình phân tích pha trộn quang phổ tuyến tính LSM. Kết quả đã xây dựng
đƣợc bản đồ đánh giá rủi ro xói mòn vùng và mô hình hỗ trợ quyết định quy hoạch

45. 34
sử dụng đất lâm nghiệp vùng cảnh quan đồi núi lƣu vực sông Hƣơng thuộc huyện
Hƣơng Trà tỉnh Thừa Thiên Huế.
Nguyễn Văn Dũng đã đánh giá định lƣợng xói mòn đất đồi núi vùng Thanh –
Nghệ - Tĩnh [10] bằng phƣơng trình mất đất phổ dụng và hệ thống thông tin địa lý.
Kết quả tính hệ số K cho đồi núi vùng Thanh - Nghệ - Tĩnh cho thấy: Có sự khác
biệt với kết quả công bố hệ số K của tác giả Nguyễn Trọng Hà. Việc xác định hệ số
C cũng gặp khó khăn tƣơng tự nhƣ việc xác định hệ số K. Do điều tra, kiểm kê hiện
trạng sử dụng đất, thảm thực vật rừng không có thông 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 không
xác định đƣợc các thông số cho việc xác định hệ số C. Từ thực tế trên rất cần có
công 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 xói mòn - thoái hoá đất.
Lê Mạnh Hùng đã ứng dụng mô hình SWAT trong tính toán xói mòn lƣu vực
Mekong [51], từ đó ƣớc tính tải lƣợng bùn cát về Kratie, đầu nguồn của vùng đồng
bằng châu thổ. Kết quả tính toán cho thấy SWAT dự báo dòng chảy trên sông
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 có 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 có 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 có địa
hình dốc, lƣợng mƣa trung bình hàng năm lớn. Tải lƣợng bùn cát trung bình năm
tính toán 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 thông tin
địa lý GIS để đánh giá xói mòn đất huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ [20]. Kết quả
của nghiên cứu chỉ ra các hệ số xói mòn đất theo phƣơng trình mất đất phổ dụng
phù hợp với vùng đất gò đồi huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ.
Trƣơng Văn Cảnh đã nghiên cứu ảnh hƣởng xói mòn đất của lƣu vực sông Cu

46. 35
Đê đến sản xuất nông nghiệp [21]. Dựa trên cơ sở lí luận và thực tiễn về xói mòn
đất và khả năng ứng dụng GIS, viễn thám, nghiên cứu tập trung vào việc phân tích
hiện trạng xói mòn đất trong phạm vi lƣu vực sông Cu Đê bằng các ứng dụng của
GIS, từ đó có những đánh giá tác động đến đất sản xuất nông nghiệp. Đồng thời đề
xuất các biện pháp bảo vệ đất, chống xói mòn đất. Việc sử dụng phƣơng trình mất
đất phổ dụng USLE kết hợp với GIS và viễn thám trong nghiên cứu xói mòn đất và
phân tích tác động đến sản xuất nông nghiệp đem lại hiệu quả cao, tiết kiệm thời
gian và chi phí. Kết quả ở dạng dữ liệu GIS nên có tính trực quan, dễ sử dụng và
hiệu chỉnh. Chúng ta có thể nhận biết những thông tin về xói mòn đất và các ảnh
hƣởng của nó đến đất sản xuất nông nghiệp một cách nhanh chóng 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 xói mòn và vận chuyển bùn cát –
Hƣớng nghiên cứu chính của luận án
1.4.1. Những khoảng trống trong nghiên cứu xói mòn và vận chuyển bùn cát
– Các kết quả nghiên cứu tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát trong
nƣớc chƣa đánh giá đƣợc sự phân bố lƣợng bùn cát bị xói mòn 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 xói mòn 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 mô hình có sẵn để
tính toán xói mòn và vận chuyển bùn cát.
– Các mô hình toán nhƣ mô hình ANSWER [41], WEPP [45, 52],
EUROSEM [47, 48], SWAT... là những mô hình mang tính thƣơng mại, có giá
thành cao và mã nguồn đóng nên khi áp dụng vào lƣu vực sông ở Việt Nam sẽ
không tránh khỏi những sai số nhất định vì bộ thông số trong mô hình đƣợc hiệu
chỉnh theo số liệu ở nƣớc ngoài.

47. 36
– Mô hình ANSWER chƣa xét đến xói mòn trong kênh; Thuật toán giải của
mô hình WEPP, SWAT… bằng phƣơng pháp giải tích nên phải đồng nhất độ dốc
của sƣờn dốc là không 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 mô hình hóa dòng chảy, quá trình xói mòn và vận
chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ. Từ đó xây dựng sơ đồ hình thành dòng chảy,
vận chuyển bùn cát và sơ đồ mô phỏng đƣờng quá trình dòng chảy bùn cát trên lƣu vực.
- Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải mới ổn định và hội tụ đối với phƣơng
trình liên tục dòng chảy, phƣơng trình động lƣợng và phƣơng trình xói mòn và vận
chuyển bùn cát.
- Trên cơ sở nghiên cứu, luận án sử dụng thuật toán lƣợc đồ sai phân hữu hạn
Lax – Friedrichs có thêm trọng số thời gian và không gian; Chọn ngôn ngữ C ++
xây dựng mô hình toán mô phỏng xói mòn 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 mô hình mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu
vực trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đã chỉ ra những tồn tại của một số mô hình
nhƣ ở Việt Nam chỉ ứng dụng mô hình, những mô hình trên thế giới mang tính chất
thƣơng mại với giá thành rất cao, mã nguồn đóng, bộ thông 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 có sai số lớn. Vậy để khắc phục những tồn tại nêu trên tác giả nghiên cứu xây
dựng mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát trên lƣu vực vừa và nhỏ ở Việt
Nam.

48. 37
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG
MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT
TRÊN LƢU VỰC VỪA VÀ NHỎ
2.1. Cơ sở lý thuyết – Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải
2.1.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1.1. Phƣơng trình thấm
Lƣợng mƣa sinh dòng chảy hoă ̣c dòng chảy trƣ̣c tiếp trên bề mă ̣t là thàn h phần
quan trọng trong viê ̣c xây dƣ̣ng mô hình mô phỏng dòng chảy , xói mòn và vận
chuyển bùn cát trên lƣu vực . Lƣợng mƣa sinh dò ng chảy đƣợc tính toán bằng cách
trƣ̀ trƣ̣c tiếp các tổn thất trong các yếu tố thủy văn hoă ̣ c lƣợng mƣa đầu vào. Tổn
thất bao gồm:
1. Lƣu trữ
2. Bốc thoát hơi
3. Điền trũng
4. Thấm.
Có ba phƣơng pháp cơ bản để mô hình hóa lƣợng mƣa sinh dòng chảy gồm : 1)
Các tổn thất kể trên đƣợc mô hình hóa một cách riêng biê ̣t và đƣợc liên kết với nhau
để xác định lƣợng mƣa sinh dò ng; 2) Các tổn thất đƣợc tổng hợp toàn bộ trong một
mô hình; 3) Tổn thất do lƣợng mƣa đọng la ̣i , sƣ̣ thoát bốc hơi nƣớc và tổn thất do
nƣớc chƣ́ a trong các vũng , ao trũng đƣợc bỏ qua và chỉ có tổn thất do thấm xuống
đất đƣợc sƣ̉ dụng để tính toán lƣợng mƣa sinh dòng . Trong phạm vi nghiên luận án
sử dụng phƣơng pháp số 3.
Quá trình thấm đƣợc tính toán từ phƣơng trình tính toán lƣợng tổn thất thấm
trong thời gian mƣa. Phƣơng trình thấm của Green – Ampt Mein – Larson (1973):





 






I
)
(
1
K
f c
o
e
i
(2- 1)