NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC, BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI LỊNG DẪN CỦA ĐOẠN SÔNG PHÂN LẠCH Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Hồ Việt Cường1 Tóm tắt: Đoạn sơng phân lạch thường khơng ổn định, nhánh sơng ln có tranh chấp lẫn theo xu phát triển suy thối phụ thuộc vào chế độ dịng chảy phân chia bùn cát phân nhánh Nếu lạch tiếp nhận bùn cát mà sức tải cát lạch cao, lạch phát triển, lạch có tình hình ngược lại dần bị bồi lấp suy vong Tính chất dịng chảy, bùn cát hình thái lịng dẫn khu vực phân lưu có ảnh hưởng định đến tỷ lệ phân phối nước, phân cát vào lạch Bài báo xin giới thiệu số kết nghiên cứu mối quan hệ yếu tố thủy lực, bùn cát hình thái lịng dẫn đoạn sơng phân lạch, thơng qua việc phân tích tài liệu thực đo số đoạn phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long Từ khóa: Quan hệ hình thái, sơng phân lạch, tỷ lệ phân lưu, bùn cát, chỉnh trị sơng I ĐẶT VẤN ĐỀ1 Sơng phân lạch thường hình thành nơi sông tương đối rộng, độ dốc nhỏ, bờ sơng cấu tạo chất đất mềm, dễ xói Đặc điểm bật đoạn sông mặt có đường viền hình dày, thắt nút hai đầu phình rộng Nơi phình rộng sông chia làm nhiều lạch, thường 23 lạch, có lạch chính, lạch bãi Hiện hệ thống sông Cửu Long, tuyến sơng Tiền, sơng Hậu có nhiều đoạn sơng phân lạch với loại hình sơng khác (xem hình 1) Hình 3-1 Một số đoạn sơng phân lạch điển hình sơng Cửu Long Phịng TNTĐ Quốc gia ĐLH Sông Biển KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) Đoạn sơng phân lạch thường không ổn định, nhánh sông có tranh chấp lẫn theo xu phát triển suy thối phụ thuộc vào chế độ dịng chảy phân chia bùn cát phân nhánh Nếu lạch tiếp nhận bùn cát mà sức tải cát lạch cao, lạch phát triển, lạch có tình hình ngược lại dần bị bồi lấp suy vong Tính chất dịng chảy, bùn cát hình thái lịng dẫn khu vực phân lưu có ảnh hưởng định đến tỷ lệ phân phối nước, phân cát vào lạch, để chỉnh trị đoạn sơng phân lạch cách hiệu cần phải hiểu rõ mối quan hệ yếu tố Bài báo xin trình bày số kết nghiên cứu xây dựng mối quan hệ thực nghiệm yếu tố thủy lực, bùn cát hình thái lịng dẫn đoạn sơng phân lạch, thơng qua việc phân tích tài liệu, số liệu thực đo số đoạn phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long II XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC, BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI LỊNG DẪN CỦA ĐOẠN SƠNG PHÂN LẠCH Sơng phân lạch sản phẩm hình thành từ q trình diễn biến hình thái đoạn sơng đơn lạch thơng qua việc hình thành cồn, bãi Chế độ thủy lực bùn cát phân nhánh (lạch) phụ thuộc vào trình phân 137 chia dòng chảy bùn cát đoạn đơn lạch phía thượng lưu theo ngun tắc bảo tồn tổng lượng Do yếu tố đặc trưng lưu lượng, độ sâu, chiều rộng, diện tích mặt cắt ướt, lưu tốc, hàm lượng bùn cát, có mối quan hệ chặt chẽ lạch với dịng phân nhánh với Để phân tích thiết lập mối quan hệ yếu tố này, sử dụng số liệu thực đo dịng chảy, bùn cát đồng với thơng số đặc trưng hình thái lịng dẫn đoạn phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long giai đoạn từ 1996 đến 2013 Số liệu cụ thể ghi Bảng phía Bảng Số liệu thực đo đặc trưng thủy lực lịng dẫn đoạn sơng phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long [4],[5],[6] Đoạn Thời gian đo đạc sông Q1 (m3/s) 10/8/2003 15:00 6641 8/10/2007 18:00 9657 2/12/2010 15:50 3521.14 3/12/2010 8:03 7389.99 4/12/2010 10:25 7586 5/12/2010 6:25 4324 7/11/2012 14:00 7494.37 Long 7768.17 Xuyên 9/11/2012 18:00 - sông 12/11/2012 11:00 7969.04 Hậu 20/11/2012 12:00 5471.9 21/11/2012 17:00 7232.27 7/5/2013 10:00 5084.61 9/5/2013 12:00 5344.53 12/5/2013 15:00 4465.72 14/5/2013 16:00 4648.7 19/5/2013 19:00 4678.2 24/9/1996 14:00 7059 3/4/2001 9:00 2600 15/3/2003 18:00 2183 7/8/2003 8:20 6370 10945 Tân 5/10/2007 11:00 3940 Châu - 12/6/2008 12:00 sông 12/6/2008 20:00 6394 Tiền 24/9/2008 12:00 11985 25/12/2010 22:00 2408 26/12/2010 10:00 3313.77 27/12/2010 4:00 5606 28/12/2010 12:00 4199.4 7/12/2010 13:00 2030 Thốt 1982.94 Nốt - 8/12/2010 15:00 sông 9/12/2010 23:00 850 Hậu 10/12/2010 5:00 897 21/12/2010 23:59 5379.34 Mỹ Thuận 22/12/2010 09:01 10030.54 - sông 23/12/2010 11:06 9663.01 Tiền 24/12/2010 11:01 10552.28 138 Lạch U1 H1 B1 (m) (m/s) (m) 0.69 792 12.46 1.02 807 11.03 0.41 632.48 13.58 0.82 651.94 13.33 0.85 798 11.36 0.51 790 10.11 0.82 674.57 15.13 0.84 667.51 15.11 0.89 683.17 14.49 0.67 682.05 14.72 0.84 686.25 14.52 0.61 679.87 14.19 0.63 683.04 14 0.53 669.34 14.06 0.55 675.76 13.94 0.59 669.23 14.07 1.17 512 12.01 0.34 659 12.24 0.25 657 12.95 0.75 664 14.02 1.14 697 14.51 0.44 682 13.25 0.68 689 13.82 1.24 705 15.41 0.29 702 13.29 0.35 1039.06 9.66 0.6 709 14.24 0.46 1048.41 9.26 0.68 463 7.19 0.64 513.85 6.38 0.21 474 8.03 0.26 471 7.76 0.46 1064.17 12.88 0.78 1082.34 12.39 0.83 1068.24 12.15 0.84 1047.96 12.57 Lạch phụ A1 (m2) 9868.32 8901.21 8587.83 8692.38 9065.28 7986.9 9107.15 9351.99 9498.67 9311.88 9420.76 8297.99 8525.68 8386.5 8494.39 9106.67 6149.12 8066.16 8508.15 9309.28 10113.47 9036.5 9521.98 10864.05 9329.58 10039.54 10096.16 9712.92 3328.97 3278 3806.22 3654.96 14354.02 13411.44 12983.3 13170.67 Q2 (m3/s) 1771 3411 1290.69 2400.15 2475 1100 2672.23 2760.22 2914.81 1890.35 2617.86 1529.94 1641.73 1441.66 1439.37 1508.8 13641 2750 1825 6819 7430 2225 3858 7338 1425 1491.83 2945 1854.37 10323 10258.48 3280 4532 4584.9 5678.98 6293.35 5722.43 U2 (m/s) 0.54 0.95 0.35 0.69 0.74 0.43 0.73 0.7 0.76 0.57 0.7 0.5 0.53 0.45 0.46 0.48 1.32 0.35 0.25 0.76 1.01 0.39 0.62 1.08 0.24 0.31 0.51 0.4 0.85 0.87 0.26 0.35 0.44 0.65 0.72 0.7 B2 (m) 394 422 468.67 449.15 438 425 337.29 350 370.86 367.22 344.33 366.23 376.37 360.41 365.46 351.86 726 639 614 623 551 503 512 531 501 840.91 493 835.12 1082 1213.7 1098 1091 1066.75 989.67 937.05 908.86 H2 (m) 8.69 8.31 9.85 9.56 8.23 7.08 11.09 11.16 10.26 10.83 10.69 9.1 9.33 9.73 9.6 9.43 14.51 12.35 12.47 14.05 13.06 11.31 11.92 13.51 11.21 7.02 11.97 6.6 11.16 10.31 11.98 11.95 11.89 11.37 10.87 11.12 A2 (m2) 3423.86 3506.82 3522.17 3391.12 3604.74 3009 3798.84 3752.9 3674.15 3914.48 3688.39 3297.48 3332.07 3413.69 3342.56 3481.94 10534.26 7891.65 7656.58 8753.15 7196.06 5688.93 6103.04 7173.81 5616.21 5817.88 5901.21 5729.45 12077.5 12824.69 13154.04 13037.45 13429.55 11873.8 10937.98 11718.12 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) Trong yếu tố phân tích ký hiệu sau: Q1 - Lưu lượng dịng chảy lạch Q2 - Lưu lượng dịng chảy lạch phụ U1 - Lưu tốc trung bình mặt cắt lạch U2 - Lưu tốc trung bình mặt cắt lạch phụ B1 - Chiều rộng mặt nước lạch B2 - Chiều rộng mặt nước lạch phụ H1 - Chiều sâu dịng chảy trung bình mặt cắt lạch H2 - Chiều sâu dịng chảy trung bình mặt cắt lạch phụ A1 - Diện tích mặt cắt ướt lạch A2 - Diện tích mặt cắt ướt lạch phụ 2.1 Quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái với tỷ lệ phân lưu dịng chảy Sự phân chia nước lạch thường biểu thị tỷ lệ phân lưu Đối với đoạn sông chia lạch, tỷ lệ chia nước lạch là: Q1 1 (2-1) Q1 Q2 Trong đó: Chỉ số chân ký hiệu 1,2 biểu thị lạch lạch phụ Hình Đoạn sơng phân lạch với thơng số sơng sông nhánh Từ số liệu thực đo bảng 1, áp dụng cơng thức tổng qt (2-1) ta tính giá trị tỉ lệ phân lưu dòng chảy (1,2) đặc trưng thủy lực, hình thái lòng dẫn (Q1/Q2, U1/U2, B1/B2, H1/H2, A1/A2) lạch, tiến hành xây dựng quan hệ tỷ lệ phân lưu dòng chảy với yếu tố thủy lực yếu tố hình thái lịng dẫn lạch: Với 1 Q U B H A f( 1) f( 1) f( 1) f( 1) f( 1) 2 Q2 U2 B2 H2 A2 1 tỷ số phân lưu dòng chảy 2 lạch Kết ta thu biểu đồ công thức quan hệ yếu tố phân tích hình Trong a) Biểu đồ quan hệ: Hình Quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái tỷ số phân lưu dòng chảy lạch KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) 139 b) Cơng thức quan hệ: Từ phương trình mơ tả đường cong quan hệ biểu đồ hình ta xác định công Công thức nguyên dạng Yếu tố thức quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái lịng dẫn với tỷ số phân chia dòng chảy vào lạch sau: Hệ số tương quan 5,6132 Lưu tốc U U 1 1, 0084 2 U2 Chiều rộng B B 1 1, 0593 2 B2 Độ sâu H H 1 0,9754 2 H2 Diện tích A A 1 0,9749 2 A2 Công thức chỉnh sửa R = 0,9088 U 1 a 2 U2 R2 = 0,9477 B 1 a 2 B2 1,7998 Số hiệu 21 (2-2) 6,7 (2-3) 12 3,3231 R = 0,9765 H 1 a 2 H2 R2 = 0,9749 A 1 a 2 A2 1,1956 (2-4) 4,4 (2-5) Ghi chú: Để thuận tiện sử dụng công thức, hệ số a số mũ phương trình làm trịn với chữ số sau dấu phẩy Các hệ số số mũ lấy với a1,0 0,27 c) Phân tích, nhận xét: - Phân tích quan hệ thu so sánh quan hệ tỉ lệ yếu tố thủy lực, lòng dẫn tỉ số phân chia lưu lượng lạch thấy rằng: + Khi 1 thì: Q1 A1 B1 H U (2-6) 2 Q A2 B H U 2 + Khi thì: Q1 A1 B1 H U (2-7) 2 Q A2 B2 H U 2 - Từ biểu đồ quan hệ hình biểu thức (2-6), (2-7) rút số nhận xét sau: + Trường hợp tỉ số phân chia dòng chảy hai lạch , nghĩa thông số đặc trưng 2 thủy lực hình thái lạch so sánh có giá trị lớn lạch lại Khảo sát biến thiên đường cong quan hệ hình nhận thấy: Khi muốn tăng tỉ số phân chia dịng chảy lạch vận tốc (U) yếu tố thủy lực có độ nhạy tốt giá trị cần phải điều chỉnh tăng so với yếu tố khác Đối với đặc trưng hình thái lịng dẫn tỉ số độ sâu trung bình dịng chảy (H) lạch thơng số có độ hạy tốt so với 140 yếu tố chiều rộng (B) diện tích mặt cắt ướt (A) Do muốn điều chỉnh tăng tỉ lệ phân lưu dòng chảy vào lạch hiệu tốt việc nạo vét để điều chỉnh độ sâu mở rộng lòng dẫn lạch + Trường hợp tỉ số phân chia dòng chảy hai lạch (là trường hợp ngược lại 2 trường hợp ) Tức muốn giảm tỉ số 2 phân chia dịng chảy lạch cần thiết phải giảm giá trị lưu tốc dòng chảy, độ sâu, chiều rộng diện tích mặt cắt ướt lạch cần điều chỉnh 2.2 Quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái với tỷ lệ phân chia bùn cát Sự phân chia bùn cát cho lạch liên quan đến diễn biến đoạn sông phân lạch, sử dụng cơng thức Đinh Qn Tùng (Trung Quốc) để tính tốn tỷ lệ phân chia bùn cát vào lạch sau: Q1 1 S (2-8) Q11 Q2 2 1 Q2 2 Q 1 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) Áp dụng công thức (2-8), (2-9), từ số liệu bùn cát thực đo xác định giá trị Ks tỷ lệ phân chia bùn cát S lạch Tiến hành xây dựng quan hệ riêng rẽ tỷ số phân chia bùn cát với yếu tố dòng chảy, yếu tố hình thái lịng dẫn lạch: Với: S1 Q U B H A f( 1) f( 1) f( 1) f( 1) f( 1) S Q2 U2 B2 H2 A2 Trong đó: 1, 2 hàm lượng bùn cát trung bình mặt cắt lạch lạch phụ Đặt Ks 1 sử dụng công thức (2-1) ta có: 2 1 S1 1 1 K s (2-9) Sau tính tỷ lệ phân dịng , cần Trong biết tỷ số hàm lượng bùn cát Ks tìm tỷ lệ phân chia bùn cát vào lạch Tổng hợp kết S1 tỷ số phân chia bùn cát S 2 lạch Kết ta thu biểu đồ công thức quan hệ yếu tố phân tích hình a) Biểu đồ quan hệ: phân tích từ số liệu thực đo thấy rằng, đa số lạch có 1>2, tức hệ số Ks>1 Hình Quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái tỷ số phân chia bùn cát lạch quan hệ yếu tố thủy lực, hình thái lịng dẫn với tỷ số phân chia bùn cát vào lạch sau: b) Cơng thức quan hệ: Từ phương trình mơ tả đường cong quan hệ hình ta xác định công thức Yếu tố Lưu lượng Q Công thức nguyên dạng Q S 1,0205 S Q2 Hệ số tương quan Công thức chỉnh sửa Số hiệu 11 0,9004 R = 0,99979 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) Q 3 S a S Q2 (2-10) 141 11 5,0352 Lưu tốc U U S 1,0299 S U2 Chiều rộng B B S1 1, 0749 S B2 Độ sâu H H S 0,9984 S H2 Diện tích A A S1 1, 0542 S A2 R = 0,9 U 3 S1 a S U2 R2 = 0,9453 B 2 S a S B2 5 (2-11) 11 1,6202 (2-12) 11 2,9885 H S a S H2 R = 0,972 (2-13) 11 1,0751 R = 0,9703 A 3 S a S A2 (2-14) Ghi chú: Các số mũ quy đổi thành hệ số tỷ lệ theo giá trị Các hệ số số mũ lấy với a1,0 0.27 muốn điều chỉnh tăng tỉ lệ phân chia bùn cát c) Phân tích, nhận xét: - Phân tích quan hệ thu so vào lạch cách tốt phải sánh quan hệ tỉ lệ yếu tố thủy lực, điều chỉnh độ sâu mở rộng lòng dẫn lòng dẫn tỉ số phân chia bùn cát nhánh lạch đó, nghĩa phải hạ thấp cao độ đáy thấy rằng: sơng, mở rộng mặt thống lịng sơng Để S1 thực việc thực thì: Q1 A1 B1 H U (2-15) + Khi giải pháp nạo vét, cải tạo lòng dẫn S Q2 A2 B2 H U + Trường hợp tỉ số phân chia bùn cát S1 thì: Q1 A1 B1 H U (2-16) + Khi hai lạch S1 ngược lại, tức muốn S Q A B 2 H U S 2 - Như lý luận trên, tỷ lệ phân chia bùn cát (S) tỉ lệ phân chia dòng chảy () hai đại lượng có quan hệ chặt chẽ với Do quan hệ yếu tố thủy lực dịng chảy hình thái lịng dẫn với đại lượng S đoạn sơng phân lạch có tính tương đồng biến thiên hàm số tương quan khảo sát Từ biểu đồ quan hệ hình biểu thức (2-15), (2-16) rút nhận xét sau: + Trường hợp tỉ số phân chia bùn cát hai lạch S1 , nghĩa bùn cát phân vào lạch S nhiều so với lạch lại Khảo sát biến thiên đường cong quan hệ hình thấy rằng: Khi muốn tăng tỉ số phân chia bùn cát lạch vận tốc (U) yếu tố thủy lực có độ nhạy tốt Đối với đặc trưng hình thái tỉ số độ sâu trung bình dịng chảy (H) lạch thơng số có độ hạy tốt so với thông số chiều rộng (B) diện tích mặt cắt ướt (A) lịng dẫn Vì vậy, 142 giảm mức độ chia bùn cát vào lạch cần phải giảm giá trị lưu tốc dịng chảy, độ sâu, chiều rộng diện tích mặt cắt ướt lạch III KẾT LUẬN So sánh độ nhạy quan hệ tỉ số phân lưu dòng chảy, phân chia bùn cát với đặc trưng thủy lực hình thái thấy rằng, yếu tố độ sâu (H), chiều rộng (B) diện tích mặt cắt ướt (A) lòng dẫn yếu tố có ảnh hưởng nhiều đến thay đổi tỷ lệ phân lưu dòng chảy phân chi bùn cát lạch Vì vậy, muốn điều chỉnh tăng/giảm tỉ lệ phân nước, phân cát vào lạch cách tốt phải điều chỉnh thơng số hình dạng lịng dẫn lạch Đây quan hệ có ý nghĩa thực tiễn áp dụng để chỉnh trị đoạn sông phân lạch Từ công thức quan hệ thu trên, biết yếu tố tìm yếu tố có liên quan Đặc biệt, biết thông số hình dạng (B, H) lịng dẫn Thơng qua KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) quan hệ thiết lập, xác định tỷ lệ phân lưu dòng chảy (β), tỉ lệ phân chia bùn cát (S) vào lạch tương ứng Các công thức quan hệ công thức kinh nghiệm, thu sở chỉnh lý phân tích số liệu thực đo số đoạn sơng phân lạch điển hình hệ thống sơng Cửu Long Vì phạm vi áp dụng cơng thức phù hợp cho tính tốn sơng phân lạch vùng ĐBSCL Khi nghiên cứu đoạn sông phân lạch vùng khác, cần kiểm định lại mức độ phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Ngọc Bích (2003): “Quy luật hình thái sông phân lạch vùng triều đồng Nam Bộ" Viện KHTL Miền Nam, tuyển tập kết khoa học công nghệ kỷ niệm 25 năm thành lập Viện (1987 - 2003), Nxb Nơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh [2] Lê Ngọc Bích (2005): “Nghiên cứu lưu lượng tạo lịng phương pháp tính lưu lượng tạo lịng cho sông chịu ảnh hưởng thủy triều” Tuyển tập kết qủa khoa hoc công nghệ 2005, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam [3] Lương Phương Hậu, Phùng Quang Phúc (1999): “Các quan hệ hình thái sơng dựa tương tác dòng chảy - bùn cát - lòng dẫn” Tuyển tập kết khoa học công nghệ 1994-1999, Tập 1, Viện Khoa học Thủy lợi, tr.25-27 [4] Lê Mạnh Hùng nnk (2004): “Nghiên cứu dự báo xói lở bồi lắng lòng dẫn đề xuất biện pháp phòng chống cho hệ thống sông đồng sông Cửu Long” Đề tài cấp Nhà Nước KC.08.15, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam [5] Lê Mạnh Hùng nnk (2010): “Nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động khai thác cát đến thay đổi lịng dẫn sơng Cửu Long (sơng Tiền, sông Hậu) đề xuất giải pháp quản lý, quy hoạch khai thác hợp lý” Đề tài độc lập cấp Nhà nước ĐTĐL.2010T/29 – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam [6] Lê Mạnh Hùng, Nguyễn Ngọc Quỳnh, Trần Bá Hoằng, Đặng Hồng Huệ, Hồ Việt Cường nnk (2013-2014): “Dự án chỉnh trị dòng chảy nhằm hạn chế sạt lở bờ sông Hậu, bảo vệ đô thị TP Long Xuyên thích ứng với biến đổi khí hậu” Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Công ty ADICO [7] Walter Bertoldi (2004), River Bifurcations, Doctoral thesis in Environmental Engineering (XVI cycle) Faculty of Engineering, University of Trento [8] Prof.dr F.A van Vught (2003), Modelling planform changes of braided rivers Abstract: RESEARCH ON THE RELATIONSHIP BETWEEN RIVER HYDRAULICS, SEDIMENT AND BED MORPHOLOGY IN CREEK IN THE MEKONG DELTA Braided river is often unstable and in conflict with each other according to the development trend or degradation dependimg on the flow regime and sediment division of each branch The creek with little sediment but high capacity of sediment transport will continue its flow; on the contrary, creek with high sediment but low capacity of sediment transport will gradually be filled up and decay Flow, sediment and bed morphology characteristics in the region of flow separation play an important role in ratio of water and sand distribution into the creek This article introduces several research results on the relationship between river hydraulics, sediment and bed morphology in the creek through the analysis of observed data in some typical creeks in the Mekong river system Key words: morphology relationship, braided river, flow rate distribution, sediment, river training Người phản biện: PGS.TS Lê Mạnh Hùng BBT nhận bài: 30/9/2014 Phản biện xong: 02/10/2014 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 46 (9/2014) 143