Cấu trúc địa hình lòng sông ( Biên dịch Nguyễn Thanh Sơn ) - Chương 1 pps

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 qua lại của tổng thể" [56]. Về phần mình, hệ thống dòng chảy lòng dẫn đợc coi là một hệ nhỏ trong một hệ thống lớn hơn dòng chảy mặt lu vực sông ngòi, là một phần của hệ địa lý. Các quá trình xói mòn tích tụ trên lu vực (một trong số đó là quá trình lòng sông) thờng gây ảnh hởng đáng kể đến sự hình thành địa hình lòng sông, tuy nhiên các vấn đề này nằm ngoài khuôn khổ nghiên cứu này. Trong lý thhuyết hệ thống tổng quát đã xác định các hạng chủ yếu cho phép nghiên cứu hệ thống các dạng khác nhau trên cơ sở phơng pháp luận duy nhất. Các hạng này tập trung xem xét trong phụ lục đến hệ thống dòng chảy lòng dẫn. 1.1. Các nguyên tố Địa hình lòng sông đó là dạng bề mặt kết nối (liên tục hay có chu kỳ) các đất đá xói lở với chất lỏng chuyển động, thay đổi hình dáng của mình do tác động qua lại của chúng. Các nguyên tố chính trong tổ hợp địa hình lòng sông là các dạng sóng. Dạng sóng của địa hình lòng sông là một phần bề mặt (thờng một mức đẳng cấp xác định), trong phạm vi của nó gradient x z và y z trong hệ thống hệ toạ độ cong trực giao, gắn liền với bề mặt so sánh không có chỗ nào thay đổi từ âm (không) sang dơng. Với cấu trúc bậc xác định của địa hình lòng sông (trờng hợp phổ biến nhất) bề mặt so sánh gắn với hệ toạ độ của các bề mặt dạng nhỏ là bề mặt lớn hơn. Thờng với việc xử lý bằng tay các bản đồ tơng tự của lòng dẫn trong các đờng đồng mức, mặt cắt hồi âm, các lát cắt thẳng đứng của địa hình (dọc hay ngang) hay là các sao chép bề mặt không xuất hiện các phức tạp có tính nguyên tắc khi xác định các dạng địa hình lòng dẫn âm hay dơng. Chu trình phân tách tuần tự các sóng kích thớc khác nhau (bậc) ra các mặt cắt dọc đã đợc soạn thảo khi phân tích địa hình sóng trong hạ lu Enhixei [93]. Hình 1.1. Sơ đồ phân chia các nguyên tố địa hình lòng sông trên lát cắt a đối với sông Niger theo hình thái học các tổ hợp hình dạng đáy, b đối với lòng dẫn thợng nguồn sông Obi có tính đến động lực hình dạng đáy. 1 rãnh; 2 cồn cát; 3 điểm cản dòng; 4 ranh giới lòng dẫn Phơng pháp tơng tự đợc G. A. Alecxayev [2] sử dụng. Trên mặt cắt đáy sông (đờng 0) tách ra các điểm, nơi mà gradient thay đổi từ âm (không) sang dơng. Các điểm đặc biệt này đánh dấu đáy giữa hai sóng (hõm). Sau đó nối các đáy bằng một đờng mềm mại I, nó đã loại bỏ các sóng nhỏ nhất trên đáy 11 12 sông ra khỏi tập các sóng lớn. Sau đó trên đờng I lại đánh dấu các điểm, tại đó diễn ra sự thay thế gradient từ âm (không) sang dơng và nối các điểm bởi đờng II. Các đờng I và II hạn chế các sóng bậc cao hơn. Chu trình mô tả trên đợc lặp lại cho đến khi trên mặt cắt không còn lại điểm thay đổi gradient từ âm (không) sang dơng (Hình 1.1a). Về hình thức, chu trình này không tính đến các liên kết thạch học và địa tầng. Tuy nhiên ranh giới thạch học và địa tầng thờng là đồng thời và cả với ranh giới dạng lòng dẫn. Các ranh giới quan trọng nhất với sự biến đổi đột ngột thạch học và đất đá tăng vọt. Dạng ranh giới nh vậy cần đợc làm rõ trớc khi tách các dạng địa hình sóng dơng. Nó đợc coi là bề mặt so sánh cuối cùng . Trên các đoạn riêng biệt của đáy sông, cấu trúc đẳng cấp của địa hình đơn giản hơn. Khi đó đờng 0 có thể trùng với các đờng I và II và hơn thế. Trong trờng hợp này chu trình đã mô tả dẫn tới sự phân chia không có cơ sở các dạng địa hình dơng lớn và phân chia khách quan không tồn tại các dạng nhỏ hơn (xem hình 1.1b). Để triệt tiêu điều đó cần tập trung phân tích tính linh động của ranh giới các dạng, tức là so sánh đạo hàm t z . Nếu nh trong phạm vi đờng m có đoạn, tính linh động của các điểm trên đó phân biệt với tính linh động trung bình đờng m m t z và đồng thời xấp xỉ với tính linh động trung bình km t z + tức là có lẽ đoạn đã cho thuộc đờng m+k. Kết quả của việc phân tích nh vậy có thể làm rõ cả ranh giới thạch học, nhng để làm điều đó cần phải thực hiện một loạt mặt cắt đáy nhận đợc vào các thời gian khác nhau theo cùng một và chỉ một đờng. Khi thiếu các số liệu nh vậy đành phải sử dụng các thông tin chung về dạng xác suất các dạng lòng dẫn dơng đợc tách ra. Phơng pháp mô tả một cách tự nhiên đợc phổ biến đến việc phân chia các dạng bề mặt đáy với sự hiện diện của bản đồ địa thế vị tơng tự của lòng dẫn bằng các đờng đẳng thế vị. Hình 1.2. Các nguyên tố hình học chính của hình dạng lòng dẫn Các dạng lòng dẫn chính: a.lòng thẳng; b. cong; c. đoạn mở rộng; d. đoạn thắt; e. phân nhánh; f. hợp lu; g lồi; h lõm; i lợn; k đảo Các điểm đặc biệt: 1 uốn; 2 gấp khúc; 3. đỉnh; 4 quay vòng; 5 mép phân nhánh; 6 đầu đảo; 7 mép hợp lu; 8 đờng trục; 9 đờng bờ không khép kín; 10 đờng bờ khép kín; 11 hớng dòng chảy 13 14 Đờng (hay mặt) bậc cao nhất đối với tập hợp các địa hình lòng dẫn sẽ phù hợp với dạng âm của lòng dẫn có sự bổ sung lớn nhất. Lòng dẫn nh là phần thấp nhất của thung lũng sông ngòi , ngập nớc, có thể chia ra các mức ngập khác nhau (mực nớc, lu lợng nớc). Khi đó nhiều bề mặt với mực nớc cao hơn là các bề mặt dạng lòng dẫn dơng, với mực nớc thấp hơn sẽ là bề mặt dạng lòng dẫn âm. Có thể chia ra hai dạng ranh giới lòng dẫn: không kín và kín. Ranh giới kín đợc vẽ nên bởi đảo. Các nhánh lòng dẫn có ít nhất là một ranh giới kín, hai ranh giới hở là lòng phân nhánh. Thờng dạng lòng dẫn mô tả thuận lợi không nhờ vào ranh giới mà nhờ đờng trục (với sự hiện diện các ranh giới kín đờng). Xây dựng đờng trục dẫn tới việc tìm kiếm khoảng cách nhỏ nhất giữa các điểm ranh giới và dẫn đờng trục qua trung tâm các mẫu đó. Nhận làm đờng trục có thể sử dụng đờng tanvec hoặc là trục dòng chảy. Trên các ranh giới hay đờng trục tách ra các điểm đặc biệt, qua đó dẫn các tuyến đo ngang, hạn chế các thành tố hình dạng lòng dẫn. Tại các điểm uốn của đoạn thẳng đờng bị uốn cong và ngợc lại. Tại điểm uốn đạo hàm s sự thay đổi góc phơng vị theo chiều dài lòng dẫn s, tức là đoạn cong đi qua điểm tới hạn. Tại điểm uốn diến ra sự thay đổi dấu đoạn cong s . Tại đỉnh của điểm uốn độ cong đạt giá trị cực đại. Với sự cong không thay đổi theo chiều dài đoạn điểm đỉnh xác định theo cực đại cánh cung đờng uốn cong. Các điểm đầu và cuối thuộc ranh giới kín tơng ứng với giá trị cực đại và cực tiểu của toạ độ dọc trên thực tế đối với vòng tròn. Trên đờng trục chúng ứng với các mép phân nhánh và hợp lu nằm trên và dới điểm đầu và điểm cuối. Kết hợp các điểm đặc biệt, dấu của đoạn cong, các ranh giới thay đổi của đoạn cong theo chiều dài lòng dẫn xác định đợc mọi dạng hình thái có thể các nguyên tố lòng dẫn, một số đó đợc chỉ ra trên hình 1.2. Hình 1.3. Các thông số đo đạc hình thái chính của địa hình lòng dẫn. a. đối với hình dạng đáy ; b đối với lòng chảo Trong lòng sông có thể tách ra các điểm phân tầng đặc biệt, làm tăng mạnh số lợng các dạng lòng dẫn có thể. Chu trình 15 16 tách các dạng lòng dẫn cỡ khác nhau ít khác với chu trình tách sóng ở trên. Thờng khi đó sử dụng đờng trục. Vậy nên, Sinnok và Rao [133] đã phân tích các phơng án đơn giản nhất của dạng lòng dẫn sông đổi hớng theo kinh tuyến. Tách đờng bậc nhất trục lòng dẫn biến đổi, đờng bậc hai nối các điểm uốn của đờng bậc nhất; đờng bậc ba nối các điểm uốn của đờng bậc hai v.v tiếp tục cho đến khi thu đợc đờng đáy sông. Sự phức tạp chủ yếu của sự phân tách nh vậy là khả năng trùng các đờng bậc khác nhau. Để khắc phục điều đó cũng nh đối với sóng cát có thể sử dụng chỉ tiêu động học của đoạn lòng dẫn , tuy nhiên hay làm hơn là xuất phát từ các khái niệm tổng quát về hình học dạng lòng dẫn. Khi phân tách các nguyên tố hình dạng lòng dẫn, chỉ tiêu quan trọng là độ cong tới hạn của lòng dẫn, xác định ranh giới giữa các đờng cong và đờng thẳng. Các đờng thẳng hình học trong tự nhiên hầu nh không có, nên khía cạnh này đối với lòng dẫn sông ngòi chỉ có thể nói về đoạn sông thẳng động lực học. V. V. Ivanov [30] đề xuất để xác định giá trị độ cong sử dụng mức độ ảnh hởng của hình học phẳng lòng dẫn lên hình dạng mặt cắt ngang của nó. Trong lòng dẫn thẳng động lực học không xuất hiện một mắt xích ngang nào của dòng và sự bất đối xứng ngang của lòng dẫn. Rất hiếm khi có lòng dẫn với mặt cắt ngang bất đối xứng. V. V. Ivanov đã xác định giá trị độ cong tới hạn của lòng dẫn với 15,1/ s . Mỗi dạng lòng dẫn hình sóng và dạng lòng dẫn trong tổng thể có hình dáng phức tạp, nó thay đổi trong quá trình tiến hoá của chúng. Cho nên áp dụng tập hợp các tham số hình thái (thuật ngữ của I. V. Popov [67], nhà đo đạc) mà ở một mức độ khá xác định đã đặc trng cho nguyên tố lòng dẫn (Hình 1.3). Động lực học dạng lòng dẫn thờng đợc mô tả có tính tới kết quả phân tích sự dịch chuyển các điểm đặc biệt và thay đổi theo thời gian của các tham số đo đạc hình thái. Các phơng pháp đã dẫn để tách các dạng nguyên của địa hình lòng dẫn không trùng với các phơng pháp đợc phổ biến rộng rãi trong phân tích địa mạo mô tả địa hình bằng các điểm đặc trng và các đờng cấu trúc [94]. Cần phải nhất trí với A. N. Lastoskin [48] rằng các đờng cấu trúc và các điểm đặc trng của các dạng xác định cho phép mô tả đơn trị dạng địa hình bất kỳ. Nhng việc phân tách ở các nguyên tố bộ phận lòng dẫn mâu thuẫn với nguyên tắc tác động tơng hỗ của dòng và lòng dẫn mà theo đó nguyên tố trong tổ hợp địa hình lòng sông tơng ứng với nguyên tố xoáy trong dòng. Nguyên tố xoáy chiếm ứu thế hoàn toàn chỉ trong phạm vi toàn bộ dạng lòng sông. 1.2. Cấu trúc Cấu trúc trong khuôn khổ của tiếp cận hệ thống [56] là tập hợp các quan hệ trong hệ thống đợc lựa chọn bằng một cách có tổ chức để tổng hợp hệ thống. Trong hệ thống dòng chảy lòng sông có thể tách ra hai lớp quan hệ: 1) tạo hệ thống và 2) hình thái. Tạo hệ thống là các quan hệ nhân quả tác động và tơng hỗ: trực tiếp, ngợc lại, dơng và âm. Các quan hệ tơng tự không thực hiện trực tiếp giữa các nguyên tố địa hình lòng sông riêng biệt, mà còn có sự tham gia của các nguyên tố dòng chảy. Các quan hệ hình thái có thể không phản ánh trong trang thái toàn bộ hệ thống (hoặc một phần nguyên vẹn của nó), chúng có thể xét trong giới hạn của tổ hợp địa hình lòng sông, mặc dù các quan hệ nh vậy sinh ra do hậu quả của các quan hệ tạo hệ thống. Thuộc nhóm quan hệ hình thái là các quan hệ lân cận, kết hợp và theo bậc. Phân biệt các quan hệ lân cận đấy là phép vạch sơ bộ địa 17 18 hình dẫn tới việc xác lập các ranh giới không gian khách quan giữa các nguyên tố địa hình. Xác định quan hệ lân cận đòi hỏi việc sử dụng đồng thời các nguyên tắc liên tục và phân lập địa hình lòng sông. Mỗi hình dạng địa hình lòng sông hay mỗi dạng lòng sông đều có tính liên tục đặc trng bởi sự biến đổi tuần tự cao độ với các toạ độ thời gian và không gian tơng ứng. Để làm rõ mối quan hệ giữa các nguyên tố cần phải hoặc giới hạn chúng, hoặc phải xác định các tính chất của chúng bằng cách lựa chọn các tham số rời rạc. Khái niệm phân lập nh vậy liên quan chủ yếu tới cấu trúc hệ thống. Phân biệt các quan hệ kết hợp là phép phân loại, nhóm buộc các dạng lòng sông. Sự kết hợp tiến hành theo việc lựa chọn các dấu hiệu hình thái, đo đạc hình thái, động lực và thạch học. Các quan hệ này xác định tính liên tục của dạng lòng sông. Xuất hiện tính liên tục ở dạng khác cả trong các dạng nguyên tố lòng sông cũng nh các đối tợng đợc nhóm không theo các dấu hiệu lân cận giản đơn trong không gian mà theo các dấu hiệu trùng hợp tổ hợp các tính chất. Để phân biệt các dạng địa hình lòng sông áp dụng cả các phơng pháp liên tục và rời rạc. Trong khuôn khổ các phơng pháp rời rạc việc phân loại dựa trên việc lựa chọn các tham số đặc trng hình dạng lòng sông. Các tham số dạng lòng sông hay sử dụng nhất là chiều dài của chúng (bớc). Phơng pháp phân loại theo dấu hiệu này có bản chất nh sau [88]. Nhận đợc do kết quả tham số hoá chuỗi độ dài (bớc) dạng lòng sông sắp xếp theo trật tự giảm dần giá trị. Tiếp theo logarit hoá các giá trị đó và chia chuỗi ra N nhóm ban đầu sao cho trong mỗi nhóm có n i giá trị. Xác định giá trị trung bình i x và phơng sai D i của chúng. Đối với mỗi cặp nhóm cạnh nhau i và i + 1 tính chỉ tiêu sai khác hệ thức F: ( ) ( ) ()()() 111 2 111 11 2 +++ +++ ++++ + = iiiiii iiiiii j DnDnnn xxnnnn F Theo công thức: = = 1 1 1 1 N j j F N F xác định mức độ không trùng hợp của các nhóm đợc chia. ở giai đoạn tiếp theo các phân nhóm có F j cực tiểu đợc gộp vào làm một và chu trình đợc lặp lại với N 1 nhóm. Việc tính toán diễn ra cho đến khi số nhóm không còn là 2. Sau đó theo cực đại của chỉ tiêu F cũng nh từ các giả thiết vật lý lựa chọn hệ thống không trùng nhất giữa các phân nhóm. Nếu tiến hành sự phân nhóm theo tập hợp m tham số thì sử dụng quan hệ F tổng quát [70]. () () ( ) () 1 1 1 1 11 1 + + + ++ + + = ii T i T i ii iiii j xxHxx nnm mnnnn F với i x vectơ các giá trị trung bình các tham số x i ; H = S i + S i+1 ; ;xxnUUS T iii T iii = U i ma trận có các cột là các giá trị tham số x i ; T ký hiệu biến hoá. Mỗi nhóm dạng lòng sông liên kết đợc phân theo kiểu nh vậy đặc trng bởi tập hợp các tham số đo đạc hình thái (trong trờng hợp này là các giá trị trung bình các tham số và phơng sai của chúng), chúng đối với các dạng lòng sông cơ sở đợc coi nh các chỉ số rời rạc của một thành tạo liên tục nào đó. Các tham số đo đạc hình thái trung bình chính của dạng lòng sông thành lập nên các nhóm về phần mình lại có thể phủ định sự phân nhóm và tạo ra các nhóm gần nhau theo hình thái các dạng cấu tạo chúng so với các chỉ tiêu khác. Phơng pháp liên tục hoá phân lớp các dạng địa hình lòng sông không đòi hỏi sự rời rạc hoá ban đầu phân chia các 19 20 nguyên tố riêng rẽ mà dựa trên việc xử lý trờng (hay nói cách khác là chuỗi) các cao độ thẳng đứng của bề mặt (đờng) thống nhất. Bớc phân chia không quá 1/10 1/20 chiều dài dạng lòng sông bị phân chia, và khoảng hiện thực không ít hơn 20 100 độ dài dạng đã lựa chọn. Chuỗi (bảng) cao độ đáy lòng sông nhận đợc (hoặc các tham số thay đổi liên tục khác nh chiều rộng, diện tích mặt cắt ớt, độ uốn trục lòng sông) đợc khẳng định bởi phân tích phổ và tơng quan. Theo khoảng cách giữa các cực trị của hàm tơng quan và bớc sóng tơng ứng với cực trị của mật độ phổ, xác định chiều dài (bớc) của dạng lòng sông. Hàm mật độ phổ ngoài ra còn cho phép đánh giá phần trăm phơng sai chung của chuỗi diễn ra trong khoảng dao động độ dài của các dạng lòng sông, thể hiện qua dạng các đỉnh. Cũng nhờ thế xác định đợc độ cao trung bình của các dạng đó. Nhờ một hàm mật độ phổ khó mô tả dạng địa hình lòng sông có kích thớc khác nhau lớn. Tập trung vào một thể hiện liên tục cao độ đáy để làm rõ các dạng có kích thớc khác nhau lựa chọn các đoạn có chiều dài khác nhau và phân loại chúng với các bớc khác nhau, xuất phát từ hớng dẫn đã nêu trên, còn tiếp theo sau khi tiến hành phân tích phổ, trộn hàm mật độ phổ tơng ứng với các khoảng dao động độ dài. Hệ thức độ dài đoạn cần phải đạt sao cho độ dài đoạn của thể hiện đợc các dạng lòng sông nhỏ nhất, không vợt quá ít hơn 6 lần độ dài khoảng phân lớp các đoạn dùng để làm rõ các dạng lớn. Kết quả của phân tích phổ trực tiếp làm sáng tỏ không phải là các dạng lòng sông riêng biệt mà gộp chúng theo tổ hợp các dấu hiệu: sự gần gũi về chiều dài, chiều rộng và chiều cao của dạng với phân tích phổ hai chiều trờng cao độ đáy; sự gần gũi các bớc uốn trong phân tích chuối độ uốn lòng sông. Nh vậy xác định đợc các tham số đo đạc hình thái đặc trng của liên hợp các dạng lòng sông. Thờng các giá trị các tham số này không khác nhiều với các giá trị nhận đợc từ việc nhóm các dạng lòng sông bằng phơng pháp rời rạc. Các phơng pháp phân tích liên tục và rời rạc khi phân nhóm địa hình lòng sông có mặt mạnh và yếu và với việc sử dụng đồng thời sẽ bổ sung tốt cho nhau. Trong quá trình phân tích rời rạc làm sáng tỏ các dạng lòng sông riêng biệt, nghiên cứu đợc tính chất của mỗi dạng trong đó, ảnh hởng của toàn bộ hệ thống lên dạng cụ thể này và ngợc lại. Thuật toán liên kết các dạng riêng biệt trong nhóm theo tổ hợp các dấu hiệu khá rõ ràng. Đối với mỗi nhóm có thể đánh giá không chỉ các tham số trung bình các thành phần của dạng lòng sông mà còn cả tính chất đờng cong phân bố các tham số của dạng, các mômen của chúng. Tuy nhiên mức độ chủ quan cả khi làm sáng tỏ các dạng riêng biệt lẫn khi lựa chọn các chỉ tiêu các sự khác biệt cực đại là khá cao. Phân tích liên tục theo dấu các dạng lòng sông cụ thể dẫn tới việc làm sáng tỏ trực tiếp các tổ hợp của chúng theo các tham số đo đạc hình thái chính không tốn công làm rời rạc, và vì thế khách quan hơn. Nó đặc biệt hiệu quả với các địa hình lòng sông có độ phức tạp lớn. Để nghiên cứu cấu trúc dòng chảy, các phơng pháp phân tích phổ và phân tích tơng quan thờng là con đờng duy nhất do không thể rời rạc hoá các trờng vận tốc trong thực tế. Tuy nhiên, phân tích phổ thờng dựa trên việc sử dụng khai triển các mảng số liệu theo chuỗi Phure theo các hàm tam giác trực giao. Tính dao động hình sin không chuẩn của đa số các dạng lòng sông dẫn tới việc tăng các phổ rộng và giảm độ chính xác của việc xác định các tham số đo đạc hình thái đặc trng. 21 22 Hình 1.4. Hàm mật độ phổ độ sâu sông ngòi 1 Amazon; 2 Enhixây; 3 Lena; 4 Nigiê; 5 ranh giới giữa các mực cấu trúc; 6 số mực sóng cấu trúc lớn (I), nhỏ và vừa (II) và rất nhỏ (III) Hàm mật độ phổ cũng cho phép đánh dấu các ranh giới các nhóm khái quát địa hình lòng sông mà không cần tiến hành rời rạc hóa. Ngoài các cực trị địa phơng, tơng ứng với các nhóm hình dạng, trên nền phổ thờng làm sáng tỏ một số vùng rộng lớn của bớc sóng với các giá trị mật độ phổ gần nhau (Hình 1.4). Chúng đợc phân biệt một cách tơng đối đới thấp mà trong giới hạn của nó mật độ phổ ít thay đổi. Trên các đồ thị hàm mật độ phổ xây dựng theo tỷ lệ loga nhị thức các vùng và các đới đợc phân biệt rõ ràng nh các bậc thang mật độ phổ. Mỗi bậc nh vậy có thể coi nh một mức tổ chức tiếp theo của địa hình lòng sông. Phân tích cấu trúc địa hình lòng sông cho phép kết luận rằng trong quá trình lòng sông các tính chất tời rạc và liên tục xuất hiện và bổ sung lẫn nhau; cho nên thiếu tính toán một trong các khía cạnh của hiện tợng thực tế sẽ làm nghèo đi cả lý thuyết lẫn ứng dụng của khoa học. 1.3. Tổ chức ở một mức độ nào đó lớn hơn cả tính liên tục và rời rạc, trong hệ thống dòng chảy lòng sông kết hợp các dấu hiệu vô trật tự ở cả tổ chức. Động lực học của các dạng lòng sông có thể thể hiện hoàn toàn có trật tự theo một tỷ lệ không gian thời gian nào đó và hoàn toàn hỗn độn ở một tỷ lệ khác. Dẫn các chỉ tiêu trật tự làm rõ các khía cạnh không mong đợi của các quá trình. Vậy nên Iu. L. Klimôntvich [39] đã xây dựng định lý S, theo đó hệ thống có trật tự là hệ mà vật chất của nó nằm ở trên cùng một mực năng lợng so sánh sẽ nhỏ hơn. Nhờ định lý S mà Iu. L. Klimôntvich đã đặt nền móng vững chắc, trên trực diện, kết luận rằng dòng chất lỏng phân tầng với vật chất S l hỗn loạn hơn nhiều so với chuyển động rối hỗn loạn, vật chất S T- nhỏ hơn 23 24 giá trị: ( ) 0 2' uSS T với u' vận tốc rối tức thời Do kết quả áp dụng tuần tự định lý S đến dòng chảy sông ngòi (đáy sóng, sự hiện diện của rối quy mô lớn) có thể đa ra kết luận rằng hệ thống dòng chảy lòng sông trật tự hơn so với dòng chảy rối phi cấu trúc. Tính trật tự giả thiết sự hiện diện các dạng xác định các quan hệ hình thái. Trong hệ thống dòng chảy lòng sông giống nh đa số các hệ thống phức tạp, đó là quan hệ phân bậc; mỗi nguyên tố của hệ thống là một bộ phận của nguyên tố lớn và về phần mình chứa các nguyên tố nhỏ hơn. Quan hệ phân bậc đẫn đến sự tạo thành trong hệ thống các mặc tổ chức khác nhau. Khái niệm "mực cấu trúc" đợc N. E. Konđrachev [78] đa vào lý thuyết quá trình lòng sông, ông chia ra 3 mực cấu trúc địa hình lòng sông chính: dạng địa hình vi mô, trung bình và vĩ mô, mô tả các tính chất chính của chúng. Tuy nhiên N. E. Konđrachev không xây dựng cách xác định mực cấu trúc địa hình lòng sông, không nguyên lý, và tơng ứng là một tổ hợp này hoặc kia của dạng lòng sông có thể xếp vào một mực cấu trúc đã cho. N. S. Znamenskhaia [29] trên cơ sở nguyên tắc trung lập ký hiệu các dấu hiệu chính cho phép đa các dạng lòng sông khác nhau vào một mực cấu trúc: các quy luật diễn ra đồng nhất của quá trình lòng sông, khác nhau về quy luật đối với các dạng lòng sông trên các mực cấu trúc khác. Tổ chức cấu trúc của một tổ hợp địa hình lòng sông [88] tối thiểu là ba bậc: 1) các dạng lòng sông riêng các nguyên tố của liên hợp tạo nên bậc thấp nhất của tổ chức; 2) các dạng riêng đợc nhóm vào một liên kết dạng thứ nhất đợc đề nghị gọi là nhân cấu trúc (chúng tạo thành mức tổ chức trung bình); 3) mức tổ chức cao nhất đó là thống nhất các nhóm tơng ứng với mức cấu trúc địa hình lòng sông của N. E. Konđrachev. Nhờ tập hợp các phơng pháp phân tích liên tục và rời rạc đã tiến hành phân tích cấu trúc tổ chức địa hình lòng sông của sông ngòi có kích thớc và lợng nớc khác nhau. Phân tích số liệu quan trắc chứng tỏ rằng ngay cả ở trong các sông nhỏ và các máng thực nghiệm đã hình thành không ít hơn 3 kiểu nhân dạng lòng sông. Theo mức độ tăng quy mô của sông số lợng các kiểu nh vậy tăng vọt. Đối với đối tợng nghiên cứu của chúng ta sô lợng cực đại đồng thời các kiểu tồn tại nhân cấu trúc dạng lòng sông là 8 ( Verkhnaia Obi, dới hợp lu của Bi và Katunhi). Trong các tài liệu thờng gặp các ý kiến rằng cấu trúc phức tạp của địa hình lòng sông, số lợng lớn và kích thớc khác nhau các dạng địa hình lòng sông đã xác định sự hiện diện trong lòng sông các dạng lòng sông cấu tạo với các điều kiện thuỷ lực khác và chế độ thuỷ văn khác bảo tồn trong lòng sông do tính quán tính của quá trình biến dạng lòng sông [103]. Các cấu trúc nh vậy trong địa hình lòng sông chắc chắn có và tạo nên cơ sở của chúng. Vì thế khi phân tích cấu trúc địa hình lòng sông nhất thiết phải làm rõ giai đoạn phát triển dạng lòng sông tích cực hay thụ động. Chỉ tiêu chính khi đó sẽ là xu hớng phát triển của dạng tiến triển phù hợp của cấu trúc dòng chảy và lòng sông đối với dạng tcíh cực và không phù hợp, chống đối đối với dạng thụ động [26, 43]. Nh vậy, cấu trúc địa hình lòng sông đặc trng bởi tính phức tạp lớn, khả năng cùng tồn tại các dạng lòng sông tích cực và thụ động, mà chúng ở một mức độ nào đó là kỷ niệm của hệ thống. Tính phức tạp của tổ hợp các dạng lòng sông đợc xác định bởi lợng các nhân cấu trúc và các mực cấu trúc đ ợc làm rõ. Quan hệ thang bậc trong tổ hợp địa hình lòng sông đợc 25 26 biểu hiện không chỉ khi làm sáng tỏ các mực chủ yếu của tổ chức: dạng lòng sông nhân cấu trúc mực cấu trúc. Trong mỗi bậc tổ chức cấu trúc làm rõ các chuỗi phân bậc. Mỗi dạng lòng sông riêng một phần của dạng lớn hơn (và dạng lớn nhất là phần của nguyên tố bên ngoài theo quan hệ với hệ thống dòng chảy lòng sông của địa hệ thống). Trong khi đó mỗi dạng lòng sông riêng biệt lại chứa đựng trong nó các nguyên tố ở các dạng lòng sông nhỏ hơn. Riêng các phần tử phù sa tồn tại trong hệ thống dòng chảy lòng sông nh là các nguyên tố đơn giản nhất. Từ quan điểm này các cơ sở của N. E. Konđrachev [78] về địa hình lòng sông vi mô và quy mô vừa là các dạng đơn giản nhất tỏ ra thiếu cơ sở. Sự hiện diện của các chuỗi bậc thang dạng lòng sông phần lớn đã chi phối các phơng án phân chia các nguyên tố với cách tiệm cận rời rạc đến sự phân tích tổ hợp. Tuy nhiên các phơng pháp liên tục, không lệ thuộc vào cách phân chia chủ quan cũng khẳng định sự tồn tại khách quan của kiểu bậc thang các dạng lòng sông. Cấu trúc bậc thang địa hình lòng sông xác định các điều kiện nhóm các dạng lòng sông trong một nhân cấu trúc không gộp đợc các dạng nằm trên các cộng đồng bậc thang do tổ chức nhân cấu trúc hoàn toàn tơng ứng với dạng lòng sông mà chúng là một thể thống nhất. Nhân cấu trúc cũng tạo nên chuỗi bậc thang. Tổ hợp địa hình lòng sông khá phát triển thờng bao gồm các nhân cấu trúc nh sau (theo sự tăng dần kích thớc): 1) mặt nớc gợn; 2) rạn; 3) đụn cát; 4) hõm 5) gờ 6) sóng cát; 7) tích tụ (cù lao, dải cát); 8) khúc uốn, phân nhánh, đoạn sông thẳng: 9) tập hợp các khúc uốn, khúc uốn lớn ; 10) các nhánh song song, phát triển bãi bồi và châu thổ. Tất cả các thuật ngữ này đợc sử dụng trong các ấn phẩm "lòng sông" (với các tần suất khác nhau), tuy nhiên không thờng xuyên theo trật tự phối hợp nêu trên. Đôi khi một nhóm dạng lòng sông trong chuỗi bậc thang phân bố theo trật tự [50] và ký hiệu bởi các chữ cái [2]. Sự thiếu hệ thuật ngữ đợc công nhận rộng rãi các dangk địa hình lòng sông, tính hết sự phức tạp lớn của cấu tạo của chúng nảy sinh ra các cuộc tranh cãi thuật ngữ [47] và không thúc đẩy sự hiểu biết lẫn nhau của các chuyên gia. Vấn đề xếp hạng các dạng lòng sông, nhân cấu trúc và chuỗi bậc thang có ý nghĩa về mặt nguyên tắc. Việc phân hạng cần phải tính đến: 1) tập hợp bậc thang các dạng lòng sông ( các nhân cấu trúc) trong giứoi hạn một đoạn hình thái đồng nhất của một lòng sông; 2) sự phù hợp hình thái động lực các dạng lòng sông ( các nhân cấu trúc) của một hạng trong các lòng sông khác nhau. Cần lựa chọn nguyên tố cấu trúc cơ sở, tơng ứng với nó là xây dựng cả bậc thang. Lòng sông đợc đặc trng bởi hai tỷ lệ nội tuyến tính chiều rộng và độ sâu. Cho nên hiện nay đề xuất hai hệ thống phân hạng dạng lòng sông: 1) bắt đầu từ dạng lớn nhất, kích thớc chiều dài cỡ chiều rộng lòng sông [82]; 2) bắt đầu từ các dạng nhỏ nhất, lấy kích thớc theo độ sâu lòng sông [104]. Tuy nhiên các cảm nhận hình học đơn giản sẽ là không đủ, do khi đó trong cả hai hệ thống không đảm bảo điều kiện thứ hai của việc phân hạng. Để giải quyết vấn đề đó cần chú ý đến lý thuyết phát sinh và phát triển các dạng lòng sông. 27 28 . nhóm cạnh nhau i và i + 1 tính chỉ tiêu sai khác hệ thức F: ( ) ( ) () ( )( ) 11 1 2 11 1 11 2 +++ +++ ++++ + = iiiiii iiiiii j DnDnnn xxnnnn F Theo công thức: = = 1 1 1 1 N j j F N F xác định. tổng quát [70]. () () ( ) () 1 1 1 1 11 1 + + + ++ + + = ii T i T i ii iiii j xxHxx nnm mnnnn F với i x vectơ các giá trị trung bình các tham số x i ; H = S i + S i +1 ; ;xxnUUS T iii T iii = . nhân cấu trúc nh sau (theo sự tăng dần kích thớc): 1) mặt nớc gợn; 2) rạn; 3) đụn cát; 4) hõm 5) gờ 6) sóng cát; 7) tích tụ (cù lao, dải cát); 8) khúc uốn, phân nhánh, đoạn sông thẳng: 9) tập