A.IU. Sidortrucs CÊu tróc ®Þa h×nh lßng s«ng Biªn dÞch: NguyÔn Thanh S¬n Hµ Néi - 2005 САНКТ - ПЕТЕРБУРГ - ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1992 Mục lục Mở đầu 5 Chơng 1. Phân tích cấu trúc là thành phần tiếp cận hệ thống đến lý thuyết quá trình lòng sông 10 1.1. Các nguyên tố 11 1.2. Cấu trúc 18 1.3. Tổ chức 24 Chơng 2. Cơ chế thành tạo các cấu trúc bậc phức tạp của địa hình lòng sông 29 2.1. Cấu trúc dòng chảy rối 29 2.2. Phát triển các xáo trộn nhỏ trong dòng chảy lòng sông 39 2.3. Cấu trúc địa hình lòng dẫn sông ngòi 52 Chơng 3. Hình thái học, động lực học và ảnh hởng qua lại các nguyên tố cấu trúc của địa hình lòng sông 58 3.1. Gợn sóng (sóng cát nhỏ nhất) 59 3.2. Sóng cát nhỏ và trung bình 70 3.3. Các sóng cát lớn 92 3.4. Các sóng cát lớn nhất 99 3.5. Phân loại cấu trúc địa hình lòng dẫn sông ngòi 102 Chơng 4. Hình dạng lòng sông và các nhân tố xác định nó 107 4.1. Các lòng dẫn thẳng 108 4.2. Các lòng sông uốn khúc 110 4.3. Các sông phân nhánh 120 4.4. Các nhân tố xác định hình dạng lòng dẫn 123 Chơng 5. Các nguyên lý điều tiết tối u cấu trúc địa hình lòng sông nhằm khai thác tự nhiên hợp lý 135 5.1. Làm yếu quá trình lòng sông 136 5.2. Tăng cờng quá trình lòng sông 139 5.3 Tạo lập các dòng sông nhân tạo 142 5.4. Các vấn đề điều tiết lòng sông ở hạ lu sông Terek bằng phơng pháp tăng cờng quá trình lòng sông 144 Kết luận 150 Phụ lục 153 Tài liệu tham khảo 154 3 4 Mở đầu Phân chia hình dạng lòng sông và hình dạng lòng dẫn nh là các mắt xích của địa hình lòng sông, xác định mối quan hệ hình thái và động lực của các hình dạng này với các đặc trng thuỷ lực dòng chảy lòng sông là nhiệm vụ truyền thống của phân tích lòng dẫn. Công cụ làm việc của nghiên cứu là phân tích cấu trúc bao gồm nh phân tích chia đối tợng ra các phần nguyên cũng nh tổng hợp xác định hệ thống quan hệ giữa các thành tố. Độ tin cậy của các dự báo sự chuyển dịch lòng dẫn phụ thuộc vào mức độ nền tảng lý thuyết của nó. Các luận cứ lý thuyết nền móng để phân tích cấu trúc địa hình lòng sông là các luận cứ sau đây: 1. Nguyên tắc tác động qua lại giữa dòng chảy và lòng sông, đợc hình thành bởi M. A. Velicanov [12]. Nguyên tắc này xuất hiện với t tởng áp dụng thực tiễn các công trình hiệu chỉnh (hớng dòng, làm hẹp dòng v.v ) trên các sông Tây Âu vào các thế kỷ XVIII XIX và nớc Nga vào cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX. Trong soạn thảo của ông có đóng góp to lớn của N. S. Leliavski [15]. M. A. Velicanov [12] đã xác định nguyên lý tác động qua lại của dòng chảy và lòng sông : " do kết quả tác động tơng hỗ dần dần của các dòng riêng rẽ lên các phần riêng biệt của địa hình lòng sông lòng dẫn của sông tiến dần đến các nét ngày càng mềm mại hơn, và nó lại làm cho các dòng dẫn trơn tru hơn cho đến khi nào mà cuối cùng lòng sông và dòng chảy trở nên một tổ hợp liên kết hữu cơ duy nhất, khi mà lòng sông nhận theo dạng dòng chảy và dòng chảy phản ánh dạng lòng sông". N. I Macaveev [52] đã mở rộng nguyên lý này: " Trong dạng tổng quát nhất quá trình tạo lòng có thể xác định nh là quá trình "sao chụp " bề mặt của môi trờng rắn (tức là đất đá cấu tạo đáy) bởi các đặc thù chuyển động của nớc và phù sa nó mang theo". Dùng ví dụ sự sao chụp nh thế N. I. Macaveev dẫn ra sự thay đổi địa hình bề mặt phân cách hai môi trờng (sóng Genmgolxa) ý tởng gần với t tởng của N. I. Macaveev nằm trong nền tảng mô tả cơ chế tác động qua lại của dòng chảy và lòng sông nh là sự phát triển các khuâý động nhỏ đầu tiên của các đặc trng thuỷ lực và hình thái.Một chu trình nguyên vẹn các công trình đã mở ra qua các bài báo của Andersel [105], Li [129], Kenedi [117], N. B. Kereselidze [35]taoj nên một bức tranh chân thật của giai đoạn tiến hoá đầu tiên của hình dạng lòng sông và lòng dẫn các dạng hình thái khác nhau, cho phép tính toán các kích thớc đặc trng hình dạng lòng sông. Phân tích các công trình này K. V. Krisanhin [21] lu ý rằng phơng pháp khuấy động nhỏ đã đặt lời giải các vấn đề về nguồn gốc địa hình dạng sóng của đáy chuyển động một cơ sở khoa học. 2. Nguyên lý phân đoạn quá trình lòng sông hình thành bởi N. E. Konđrachev [42]. Nguyên lý này dựa trên thực tiễn công trình khắp nơi điều tiết động lực hạn chế cụ thể theo không gian và theo thời gian của dạng lòng sông. Ví dụ khảo sát của N. S. Leliavski [15] sự dịch chuyển sóng cát trên sông Vonga là một trong những mẫu thực hiện nguyên lý phân đoạn khi phân tích địa hình lòng sông. Về lĩnh vực nghiên cứu dòng chảy lòng sông nguyên lý phân đoạn dựa trên khái niệm về cấu trúc rối. áp dụng đến lòng dẫn sông ngòi M. A. Velicanov [12] đã phát triển chúng, ông đã chia các xoáy rối phân đoạn với kích thớc cỡ độ sâu dòng chảy. Tiếp theo đã làm rõ cấu trúc dòng chảy lòng sông với các kích thớc đặc tr ng cỡ chiều rộng dòng chảy và hơn thế, bản chất vật lý của nó đợc lặp lại bởi các nhà 5 6 nghiên cứu khác không chỉ một lần. Hiện nay nguyên lý phân đoạn đã chiếm lĩnh sự thống trị trong các nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trong nớc nh đã ghi nhận trong Nghị quyết Đại hội thuỷ văn toàn liên bang lần thứ V [72]. 3. Nguyên lý liên tục của quá trình lòng sông. Chấp nhận tính liên tục ( mức độ vĩ mô) của dòng chảy lòng sông và trờng cao độ đáy lòng dẫn sông ngòi tính liên kết lẫn nhau và chuyển hoá cho nhau các dạng lòng sông. Nằm trong cơ sở việc thành lập phơng trình chuyển động và liên tục của dòng chảy, cán cân vật chất rắn, tính đến sự thay đổi không ngừng của các nhân tố tạo lòng chủ yếu. Nó tìm thấy sự phản ánh của mình trong việc áp dụng phơng pháp phân tích tơng quan và phổ khi nghiên cứu cấu trúc dòng chảy và địa hình lòng sông. Tuy nhiên kết quả ứng dụng chúng thờng lặp lại ngoài quan điểm của khái niệm phân đoạn về quá trình lòng sông. 4. Nguyên lý tổ chức địa hình lòng sông. Địa hình lòng dẫn sông ngòi thể hiện một tổ hợp tơng đối ổn định cũng nh hình dạng lòng dẫn thờng xuyên thay đổi. Tự lòng dẫn cũng có nhứng hình dạng rất phức tạp. Tổ hợp này có tổ chức bên trong hay không, tổ chức đó nh thế nào và nguyên nhân nào làm xuất hiện nó đó là những vấn đề nguyên lý của lý thuyết quá trình lòng dẫn. Các đối tợng thực của phân tích lòng dẫn là các dạng lòng sông riêng biệt, tổ hợp của chúng hoặc các đoạn sông trong tổng thể. Chúng không tồn tại ngoài mối quan hệ với các hình dạng lòng dẫn khác, cho nên để nghiên cứu chúng cần soạn ra các nguyên tắc tính toán hình dạng lòng dẫn, các thành tố riêng, và nghiên cứu chúng trong mối tơng tác với các nhân tố lòng dẫn khác, tức là tính đến cấu trúc của đối tợng. Cho nên từ chính lúc bắt đầu xuất hiện phân loại hình thái các dạng lòng dẫn nó là thành tố của phân loại cấu trúc. Trình bày tuần tự đầu tiên các khái niệm về địa hình lòng sông nh là tổ hợp tơng hỗ các sóng đáy, sóng cát, bãi vắt, mũi nhô và bãi cạn, vực sông và lòng thẳng với việc phân tích ảnh hởng của hình dạng lòng dẫn lên chế độ bãi vắt và tác động của động lực hình thái của sóng cát và bãi cạn lên hình dạng của lòng dẫn đã đợc N. N. Zjukovski [15] công bố. K. I. Rosinski và I. A. Kuzmin [77] đã phân chia: 1) sóng cát trong lòng dẫn sóng, gờ, bãi vắt; 2) hình dạng lòng dẫn: thẳng ( ít uốn khúc), cong và lạc hớng. N. I. Macaveev [52] mặt cắt dọc của sông, bãi bồi, vực sông, bãi vắt. Đột biến về chất trong nghiên cứu cấu trúc địa hình lòng sông xảy ra với sự xuất hiện các công trình của N. E. Konđrachev [42, 43, 78]. Trong chúng đã hình thành các luận điểm về tổ chức địa hình lòng sông. Đã phân ra các mức độ chính của tổ chức. N. E. Konđrachev nêu ra ba mức tổ chức: hình dạng nhỏ, hình dạng trung gian và hình dạng lớn. Tiếp theo, trong các công trình của I. V. Popov [67], B. Ph. Snhisenco [92], V. V> Romanhisin [75], N. S. Znamenskaia [27], A. Iu. Siđortruc [88] phân loại này đợc bổ sung và làm chính xác Hiện nay các tác giả khác nhau đã phân ra các mức cấu trúc nh sau: 1) phần tử phù sa; 2) hình dạng cực nhỏ; 3) hình dạng nhỏ; 4) hình dạng trung gian; 5) hình dạng lớn, 6) hình dạng cực lớn; 7) đoạn sông đồng nhất; 8) toàn bộ sông ngòi; 9) lu vực tụ thuỷ. Đối với các mức cấu trúc chính V. S. Borovcov [11] đã xác định các hệ thức quy mô không gian và thời gian. Trong đa số các nghiên cứu quá trình lòng sông, hình thái và động lực các dạng lòng dẫn, các soạn thảo dự báo sự phát triển của chúng và các hớng dẫn thực tế về sử dụng lòng dẫn sông ngòi của nền kinh tế quốc dân cần tính đến tổ chức địa hình lòng sông. 5. Nguyên lý xác định địa lý hình thái học lòng dẫn. Nó đợc dựa trên các công trình của N. I. Macaveev [57] và R. S. Tralov [95, 101] và phản ánh sự thay đổi có quy luật theo thời 7 8 gian và không gian các nhân tố chủ yếu của quá trình lòng sông. Điều này cho phép nói về tính địa đới của các quá trình lòng sông, các đặc điểm biểu hiện phân vùng của chúng. `đồng thời trên mức độ địa phơng quan sát thấy tính biến động lớn về hình thái cũng nh động lực các dạng lòng sông riêng biệt cho nên cần tính đến ảnh hởng lên quá trình lòng sông mọi tổ hợp nhân tố tự nhiên, thậm chí từ cái nhìn đầu tiên, ít tồn tại.Tính xác định địa lý hình thái lòng dẫn sông ngòi, sự phụ thuộc của địa hình lòng dẫn sông ngòi vào cảnh quan lu vực và đồng thời sự hình thành các cảnh quan đặc trng và các hệ sinh thái trong vùng ảnh hởng của hệ thống dòng chảy lòng dẫn tạo nên cơ sở để nghiên cứu sinh thái quá trình lòng dẫn và sự thay đổi công nghệ sinh học của chúng. Hiện nay trong lý thuyết quá trình lòng dẫn theo đuổi hai hớng chủ yếu : thuỷ động lực thuỷ lực và thuỷ địa mạo địa lý. Trong khuôn khổ nhóm thứ nhất chủ yếu xem xét động lực học dòng sông, sự vận động của phù sa, còn hình thái học lòng sông chỉ xét đến mức độ sóng cát. Trong hớng thuỷ địa mạo và địa lý ít chú ý hơn đến cấu trúc dòng chảy, nhng địa hình lòng dẫn sông ngòi đợc xét tới mọi khía cạnh của nó, tính cả tính đa nhân tố của quá trình lòng sông [7, 54], bao gồm các phần lớn cha hẳn đã gắn kết với nhau: động lực học dòng chảy từ một phía và hình thái học và động lực học lòng sông phía thứ hai. Phân tích cấu trúc hệ thống dòng chảy lòng sông hớng đến việc gắn kết các hớng cơ bản ấy bởi vì nhiệm vụ chủ yếu của nó là xác định mối quan hệ giữa các thành tố phân tích khách quan của hệ thống. Mặc dù sự chú ý lớn nhất trong các nghiên cứu hiện nay dành cho cấu trúc địa hình lòng sông nhng cũng thử tổng hợp các kết quả nghiên cứu thuỷ lực và địa lý của quá trình lòng sông. Chơng1 Phân tích cấu trúc là thành phần tiếp cận hệ thống đến lý thuyết quá trình lòng sông Hệ thống dòng chảy lòng sông thuộc loại hệ thống động lực tự phát triển. Nó bao gồm hai bộ phận chính: chất lỏng chuyển động và lòng sông bị xói lở. Tính chất các bộ phận là khác nhau rõ ràng chất lỏng chuyển động tuân theo các quy luật của cơ học chất lỏng, đất đá tạo đáy tuân theo các quy luật cơ học đất. Giữa dòng chảy và lòng bị xói lở diễn ra sự tác động qua lại, đó chính là bản chất của quá trình lòng sông [12]. Do kết quả tác động tơng hỗ giữa dòng chảy và lòng sông trong hệ thống sinh ra một tính chất mới tính cấu trúc: trong dòng chảy tạo thành rối lòng sông qui mô lớn, còn trong lòng dẫn địa hình lòng sông. Ngoài hệ thống dòng chảy lòng sông không thể tồn tại ở trạng thái tích cực cả rối lòng sông qui mô lớn lẫn địa hình lòng sông. Nh vậy hệ thống khác với phép cộng đơn giản các thành phần của nó. Bản thân địa hình lòng sông không phải là một hệ thống tự phát triển. Cho nên công việc thực tế mô tả các quá trình nảy sinh, phát triển và tơng tác của các dạng địa hình lòng sông là không thể nếu không tính đến các chức năng toàn bộ hệ thống và đòi hỏi việc thực hiện tiệm cận hệ thống, tức là nghiên cứu "tổ chức các thành phần tác động 9 10 . các mức cấu trúc nh sau: 1) phần tử phù sa; 2) hình dạng cực nhỏ; 3) hình dạng nhỏ; 4) hình dạng trung gian; 5) hình dạng lớn, 6) hình dạng cực lớn; 7) đoạn sông đồng nhất; 8) toàn bộ sông ngòi;. chảy lòng sông 39 2.3. Cấu trúc địa hình lòng dẫn sông ngòi 52 Chơng 3. Hình thái học, động lực học và ảnh hởng qua lại các nguyên tố cấu trúc của địa hình lòng sông 58 3.1. Gợn sóng (sóng. quá trình lòng sông. 4. Nguyên lý tổ chức địa hình lòng sông. Địa hình lòng dẫn sông ngòi thể hiện một tổ hợp tơng đối ổn định cũng nh hình dạng lòng dẫn thờng xuyên thay đổi. Tự lòng dẫn cũng