Cấu trúc địa hình lòng sông ( Biên dịch Nguyễn Thanh Sơn ) - Chương 3 pptx

trình đơn giản nh phức tạp, đầy đủ Không tính đến phơng trình Saint Vernant sóng bề mặt thoáng dẫn đến thông tin gợn sóng Tính trọn vẹn bị suy giảm tính cấu trúc phổ liên tục thành tạo lòng sông làm cho việc làm sáng tỏ lớp riêng biệt dạng lòng sông Chơng Hình thái học, động lực học ảnh hởng qua lại nguyên tố cấu trúc địa hình lòng sông Cấu trúc bên hệ thống dòng chảy lòng sông , phức tạp bậc thang có đặc trng nguyên tố địa hình lòng sông tồn có quan hệ hình thái thiếu hẳn quan hệ trực tiếp nhân Mọi tác động nguyên tố tổ hợp dạng lòng sông đến nguyên tố khác (trên bậc thang nh bậc thang khác nhau) diễn qua nguyên tố cấu trúc dòng chảy nh phần hệ thống dòng chảy lòng sông Cho nên xem xét tơng lai quan hệ tơng hỗ hoạt động kinh tế học động lực học dạng lòng sông khác tập hợp chúng có kiểu ảnh hởng qua lại bị trung bình hoá, nên tính chất với hình thái học động lực học dạng địa hình xét, tổng thể hoàn toàn không đơn trị chất ngẫu nhiên truyền tác động cấu trúc dòng chảy Mức độ không đơn trị giảm với tăng cốt lõi cấu trúc dòng chảy cấu trúc địa hình lòng sông Kinh nghiệm nhiều năm áp dụng phơng pháp hình thái học để phân tích động lực địa hình lòng sông khẳng định mức độ cao tính cốt lõi Tuy nhiên trờng hợp cụ thể vấn đề đòi hỏi xem xét kỹ lỡng 57 58 đợc thực 3.1 Gợn sãng (sãng c¸t nhá nhÊt) B Ph Snhisenco [91] gäi gợn sóng dạng đáy với bớc sóng đặc trng cỡ độ sâu dòng chảy Richads [129] phân dạng tơng tự dới tên gọi gợn sóng mega Nh vậy, gợn sóng đợc hiểu sóng cát nhỏ nhất, kích thớc phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy Khảo sát tính không ổn định dòng chảy lòng sông theo quan hệ với khuấy động ban đầu chứng tỏ thuộc phạm trù bao gồm sóng cát hai chiều, kích thớc chúng đợc xác định diện sức kháng đáy sóng mặt thoáng dòng chảy Xuất phát từ điều đơn giản hoá hệ phơng trình (2.19) để nhận đợc lời giải giải tích cho độ dài gợn sóng Tính hai chiều gợn sóng cho phép bỏ qua độ cong đờng dòng tham số thuỷ lực thành phần nagng Khi đó, ta nhận đợc hệ: a1 A + c1 P = ; L p < 2πHβ'3 Fr với '3 = Bớc sóng, mà vận tốc tăng biên độ xáo trộn cực đại, đợc xác định theo hệ thức dk1 Im(c)/(dk1 ) = Cực trị quan sát đợc L p = 2πHβ '3 Fr / + αFr (3.1) Biểu thức xác hoá công thức (2.9) nhận đợc A E Mikhinov [60] sở giả thuyết gần a3 A + c3 P + d3 T = ; a A + d4 T = , víi a1 = α 1U1 − g U1 C o H k1 i ; c1 = g − U12 Hβ k12 ; a3 = H ; c3 = U1 − c ; d3 = −U1 + c ; a4 = M ; d4 = c Hình 3.1 Gợn sóng hai chiều lòng sông Lêna trạm Mokhsogolokh Sau loại biến A, P, T, phân chia vận tốc tổ hợp phân thực phần ảo bỏ qua số hạng nhỏ thu đợc quan hƯ ph−¬ng sai: Im(c ) = (αU β 3U 12 H k12 − g − gH + β 3U12 H k12 ) M gU 12 C o H k1 §iỊu kiƯn Im( c ) > tăng biên độ xáo trộn theo thời gian 59 Gợn sóng hạng phổ biến dạng đáy Khảo sát chúng tiến hành sông Niger khoảng độ sâu H = 2,0 20,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,6 1,7m/s, đờng kính hạt trung bình D = 0,7 0,8 mm; sông Obi với H = 2,0 5,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,6 1,0m/s, đờng kính hạt trung bình D = 0,7 2,0 mm Trên sông Lêna H = 3,0 60 7,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,8 1,5m/s, đờng kính hạt trung bình D = 0,25 mm Gợn sóng dạng đáy hai chiều Thân chúng thuộc sống cắt hớng dòng chảy khoảng vợt bớc gợn sóng dọc dòng chảy Ví nh lòng sông Lêna trạm Mokhsogolokh (Hình 3.1), bớc gợn sóng theo dòng chảy 10 m, đờng sống trải dài từ 200 300 m Thờng đờng sống gợn sóng cong, bớc khúc uốn gần với bớc gợn sóng dọc theo dòng chảy nhờ mà hình dạng mang dáng dấp ba chiều Nhng chí trờng hợp gợn sóng tách bạch song song dải với theo mặt cắt ngang Xử lý số liệu đo đạc trờng số liệu thực nghiệm [124] chứng tỏ hệ số biến đổi độ dài gợn sãng Cv = σ L / L p thay ®ỉi giới hạn hẹp trung bình khoảng 0,40 (Hình 3.3 a) Trong mặt cắt dọc gợn sóng đặc trng dạng elip với mái dốc dới Mái nghiêng thờng dài mái dới sông Obi khoảng 70% trờng hợp hệ số bất đối xứng gợn sóng (LBLH)/L dơng Khi bất đối xứng dơng gợn sóng không lớn, 30% gợn sóng nh hầu nh đối xứng – LB /LH = 1,0 1,19, thªm 30% – LB /LH = 1,2 1,59, gần 40% gợn sóng thực bất đối xứng LB /LH > 1,6; Những gợn sóng quan sát thấy bất đối xứng âm ( độ dài mái dới LH dài hơn) lại biểu thị cách rõ ràng (LH /LB > 1,6) nửa gợn sóng nh vậy, dạng gần với đối xứng (LH /LB < 1,2) quan s¸t thÊy chØ cã 10% c¸c trờng hợp Đờng cong phân bố độ dài gợn sóng (Hình 3.2) theo đề xuất Saire [124] thờng mô tả phân bố gama dạng: dp = α −1 L exp(− βL )dL Γ(α ) ph−¬ng L = α /β , σ2 L sai cña = / , chuỗi sông Obi a 11.07.85 bÃi vắt UstPesani; b 13.07.85 nhánh Rbaxkaia Trong trờng hợp đờng cong phân bố độ dài gợn sóng mô tả bëi hµm víi mét tham sè – chiỊu dµi trung bình gợn sóng (3.2) Kiểm tra tính ứng dụng công thức (3.1) để tính toán L p Hệ số liên quan tới độ dài trung bình gợn sóng L p Hình 3.2 Toán đồ tham số đo đạc hình thái gợn sóng thợng nguồn σ2 L bëi hƯ thøc sau: Γ – hµm gama 61 tiến hành theo số liệu gốc khảo sát thực nghiệm Tơng quan độ dài gợn sóng trung bình đo đạc tính toán khoảng vận tốc dòng chảy U = 0,1 2,5m/s; độ sâu H = 0,001 20,0 m, đờng kính phần tử hạt D = 0,2 2,0mm – lÊy 62 trung b×nh, hƯ số tơng quan r = 0,66 (Hình 3.4) Bỏ giá trị chi phối nh độ xác xác định độ dài gợn sóng điều kiện tự nhiên nh đại lợng biến '3 xác định bëi ph©n bè vËn tèc thủ trùc cđa vËn tèc thành phần dòng chảy Giá trị trung bình '3 tính đợc nhờ công thức (3.1) theo số liệu độ dài thực tế gợn sóng 0,73 không khác với giá thức (3.1) Công thức thực nghiệm đơn giản hơn: L p = ,7 H (3.3) L p = 1,9 UH (3.4) cho kết xấp xỉ Tuy nhiên công thức (3.1) có ý nghĩa lớn việc tìm hiểu chế hình thành gợn sóng tạo nên khả tăng độ xác tính toán triệt tiêu tính không xác định tham số Phân tích nghiệm hệ (2.19) chứng tỏ (xem hình 2.8) đoạn hội tụ miền phát triển gợn sóng sóng cát nhỏ tạo nên cực đại địa phơng Độ dài tơng ứng với cực đại mô tả c«ng thøc (3.1) víi hƯ sè β'3 = 1,2 β'3 Các gợn sóng ba chiều nh phổ biến lòng sông Terek dới cửa sông Sundji Chúng nhận thấy lòng sông Niger nhng không tạo thành mảng lớn Các tài liệu thực tế chứng tỏ bớc gợn sóng ba chiều khoảng lần lớn bớc gợn sóng hai chiều Đờng cong phân bố độ cao gợn sóng, theo giả thuyết Vang Tren [137] xấp xỉ phân bố Vêibul – Gnhedenco ( ) dp = µλh µ −1 exp h dh (3.5) Các hệ số vµ λ quan hƯ víi h p vµ σ h b»ng hÖ thøc σ h / h = Γ(2 / µ + 1){[Γ(1 / µ + 1]2 − 10 }; h p = λ −1 / µ (1 / + 1) Số liệu p Hình 3.3 Quan hệ độ dài trung bình L (a) độ cao h (b) gợn sóng (1) đụn cát (2) ngỡng chắn (3) với độ lệch quân phơng trung bình độ dài độ cao dạng đáy giá trị lý thuyết 0,55 Các giá trị '3 rời rạc khác với trung bình lần Sự phân tán lớn giá trị hệ số '3 khảo sát trờng thực nghiệm chứng tá sù biÕn ®ỉi Ýt cđa hƯ sè biÕn ®ỉi độ cao gợn sóng, giá trị trung bình Cvh 0,5 cm (xem hình 3.3 b) Khi đờng cong phân bố độ cao gợn sóng, nh độ dài đợc xác định tham số độ cao trung bình gợn sóng Xấp xỉ tuyến tính lời giải phơng trình thuỷ lực dẫn tới việc giảm mạnh độ xác tính toán theo công 63 64 phơng pháp xáo trộn bé không cho khả thu đợc biểu thức cho độ cao gợn sóng Các cách tiếp cận phi tuyến lý thuyết cha đợc soạn thảo đầy đủ Tuy nhiên số lợng lớn số thiệu thực nghiệm khảo sát Ialin, Karakhan [139], V K Debonski, L D Kogan, N A Mikhailova [22] cho phÐp giả thiết xấp xỉ sau phụ thuộc độ cao gợn sóng vào đặc trng thuỷ lực: hp H Hình 3.4 Quan hệ chiều dài gợn sóng thực tế Lp chiều dài tính theo =a U − uH exp⎜ − b ⎜ UH gH ⎝ U − uH ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (3.6) §èi víi gợn sóng sông Lêna hệ số a b tơng ứngbằng 1,6 0,5 (Hình 3.5) Tính chất ngẫu nhiên phân bố độ cao chiều dài gợn sóng chi phối quan hệ xác suất chúng với khoảng biến động lớn giá trị độ cong gợn sóng h / L (Hình 3.6) công thức : a (3.1); b (3.3) Hình 3.5 Phụ thuộc độ cao h gợn sóng đụn cát vào nhân tố xác Hình 3.6 Quan hệ độ cao h chiều dài L gợn sóng (a) đụn cát định độ sâu H, vận tốc dòng chảy U vận tốc không xói lở UH (b) sông Lêna 65 66 Một tham số quan trọng độ cong trung bình mái dới gợn sóng h p / L H Đối với thợng nguồn sông Obi giá trị không vợt 0,4 (góc nghiêng mái 200), giá trị mod 0,1 0,15 (góc nghiêng mái từ 90) Đây giá trị trung bình mái nghiêng dới với lát cắt mái nghiêng elip, phần lát cắt uốn cong nhỏ giá trị trung bình mái dới lớn nhiều Các gợn sóng đợc hình thành máng thí nghiệm với độ sâu dòng chảy tơng đối nhỏ H/hp = 210, thờng có dạng tam giác với mái nghiêng dới cong gần với độ cong góc mái nghiêng tự nhiên Hình dạng gợn sóng nh không đặc trng sông lớn, nơi giá trị H/hp thờng vợt 200 700 xác định vị trí gợn sóng theo trật tự thời gian Các đo đạc trờng chi tiết tơng tự chứng tỏ giá trị trung bình tham số đo đạc hình thái gợn sóng (chiều dài Lp; ®é cao hp; bÊt ®èi xøng L H / L B độ cong h p / L p ) phơng sai chúng thay đổi theo thời gian với đặc trng thuỷ lực không đổi Đồng thời hình thái học nhân sinh số gợn sóng cụ thể thay đổi mạnh dới ảnh hởng nớc thải công cộng nhân tố ngẫu nhiên (Hình 3.7) Dạng đờng cong phân bố tham số đo đạc hình thái gợn sóng đợc chọn từ tiên đề tính chất trình ngẫu nhiên, tính chất hình thành chúng Phân bố gama với Cv = const mô tả trình nhiễu động, bao gồm nhảy cóc phù sa đáy Phân bố Veibull Gnhedenco xuất nh phân bố giói hạn cực đại Phân bố độ cao gợn sóng mô tả tốt phân bố gama Rõ ràng, đạt đến trùng hợp tốt đờng cong lý thuyết thực nghiệm sử dụng phân bố với tham số Sự thay đổi hình thái gợn sóng với dịch chuyển phía dới theo lòng sông đà đợc nghiên cứu lũ xuống năm 1985 Obi dới đoạn nhập sông Bii Katunhi Trong vùng nhờ phao thả cách từ 20 30 m, có định profile dọc chiều dài 70100m Điều cho phép với độ xác đủ để chuyển từ mặt cắt dọc sang mặt cắt khác nhờ máy hồi âm đo giờ, 10 12 lần ngày Trên mặt cắt theo thời gian băng hồi âm không khó khăn để 67 Hình 3.7 Sự thay đổi hệ số tơng quan r chuỗi độ dài (1), độ cao (2), độ cong (3) bất đối xứng (4) gợn sóng sông Obi tăng khoảng thời gian t điểm đo độ sâu 68 Các hệ số tơng quan cặp chuỗi tham số hình thái gợn sóng thời điểm khác giảm nhanh với tăng thời đoạn tách chuỗi Đối với thời đoạn (1,5 chu kỳ gợn sóng ) hệ số tơng quan độ cao chiều dài gợn sóng giảm đến 0,4, độ cong bÊt ®èi xøng – ®Õn 0,3 Sù thay ®ỉi lín nh hình thể dạng đáy cho xác định vị trí gợn sóng tin cậy qua thời đoạn dài Sự phân tích nh đòi hỏi việc lặp lại đo sâu đáy không lần Đối với chu kỳ ( ) hệ số tơng quan chuỗi độ uốn cong bất đối xứng qua điểm 0, thời đoạn 89 qua điểm hệ số chuỗi độ cao chiều dài Nói cách khác, cho thời đoạn nh đà xảy biến hình trọn vẹn gợn sóng cụ thể bảo toàn đặc trng hình học trung bình toàn tổ hợp dạng đáy Đờng cong phân bố tỷ số cặp độ cao nằm dới gợn sóng với độ cao nằm gợn sóng chứng tỏ cặp gợn sóng phân hai nhóm (Hình 3.8a): 1) độ cao gần tỷ số trung bình h x +1 / h x ≈ 1,0 ; 2) cao độ gợn sóng khác rõ rệt h x +1 / h x < ,6 Khi ®ã ë nhóm gồm gợn sóng cực nhỏ, ®é cao ≤ 0,2 m, nhãm thø hai – c¸c gợn sóng lớn nhỏ ( độ cao 0,2 m) Do gợn sóng lớn nhỏ thờng luân phiên nhau, diện ảnh hởng qua lại gợn sóng cạnh Cặp gợn sóng lớn chí xuất nhanh chóng bị phá vỡ Khi gợn sóng to nằm gợn sóng nhỏ tăng độ bền vững gợn sóng bé bóng gợn sóng lớn: gợn sóng nhỏ tổng thể phơng sai hiệu độ cao gợn sóng vào thời điểm sát (sau giờ) 0,00255, gợn sóng nhỏ nằm dới gợn sóng to =0,00117 (sự khác phơng sai tuân thủ tiêu F với độ tin cậy 95%) (xem hình 3.8b) 69 Hình 3.8 Độ lặp lại p hệ thức độ cao hai gợn sóng (a) biến động theo thời gian độ cao (h 1,6 ), phần t nhỏ ( L B / L H < 1,2) Trong sè 72 c¸c đụn cát với bất đối xứng âm, phần t có bất đối xứng lớn, gần nửa nhỏ Gần với dạng đối xứng có 46% toàn đụn cát chủ động sông Niger [ 0,1 < ( L B − L H ) / L < 0,1] Phân bố đụn cát chủ động theo chiều dài độ cao đợc mô tả đờng cong phân bố (3.2) (3.5) nh gợn sóng Các hệ số biến đổi chiều dài ( CVL = 0,4 ) độ cao ( C V h = 0,5 ) đụn cát gần với số (xem hình 3.3) Lý thuyết không ổn định xáo trộn nhỏ xấp xỉ tuyến tính không cho khả thu đợc công thức lý thuyết chiều dài đụn xác suất Phân tích tài liệu thực nghiệm theo chiều dài đụn cát chủ động sông Amazon, Niger, Terek (Hình 3.9) chứng tỏ để tính toán chiều dài đụn cát áp dụng đợc công thức dạng (3.1) so với gợn sóng khoảng 78% trờng hợp hd / L H < 0,1 (60) Khảo sát trờng vận tốc theo thời gian lũ đụn cát chủ động chứng tỏ (xem hình 2.2a) xoáy kết hợp dới chân sóng cát nh không tạo thành độ cong mái sờn dới nhỏ Khi trờng vận tốc thực tế sóng cát quan hệ với vận tốc chi phối địa hình đáy, quan hệ ngợc: hệ số tơng quan ( r = 0,69 ) Điều chứng tỏ diện ácc xoáy tạo sóng cát sóng cát chủ ®éng L = β ' HFr Tuy nhiªn hƯ số " khác sông khác có xu hớng tăng với tăng kích thớc sông Do việc thành tạo sóng cát vừa nhỏ không liên quan đến sóng bề mặt thoáng mà xác định sức kháng thuỷ lực, nên quan hệ " với phân bố vận tốc thuỷ trực gián tiếp thông qua ảnh hởng tham số gợn sóng đến độ nhám đáy ảnh hởng tơng tự đợc Richards [129] giải thích hình thành gợn sãng Th«ng th−êng β " = 30 … 40 Xư lý tài liệu thực nghiệm nh độ cao trung bình đụn cát đợc mô tả quan hệ (3.6) (các hệ số 3,2 0,3) Quan hệ độ cao chiều dài đụn cát chủ động mang tính ngẫu nhiên, mod độ cong đụn cát chủ động 0,04, thấp nhiều so với gợn sóng (xem hình 3.6) Độ uốn mái nghiêng dới đụn cát chủ động thấp 73 Hình 3.9 Quan hệ chiều dài đụn cát sông Amazon (1), Niger (2) Terek (3) với đặc trng thuỷ lực dòng chảy Trên đờng lũ rút, theo mức độ giảm độ sâu lu lợng riêng dòng chảy diễn biến dạng trờng vận tốc đụn cát thay đổi dạng đụn cát Trờng vận tốc bắt đầu 74 đợc xác định địa hình đáy: hệ số tơng quan vận tốc dòng chảy thực tế địa hình bị chi phối 0,8 Sự phát triển đụn cát bớc vào giai đoạn thụ động, hình thái học động lực học chi phối cấu trúc dòng chảy phản chiếu đụn cát mà trờng vận tốc gây nên tồn sóng cát đáy Trong lòng sông Niger theo tính chất biến dạng đụn cát thụ ®éng chia hai miỊn: 1) miỊn biÕn d¹ng chËm 2) miền biến dạng nhanh Trên miền biến dạng chậm lu lợng nớc, độ sâu vận tốc dòng chảy giảm đáng kể, hình thái học đụn cát chiều cao chiều dài sóng cát riêng biệt nh đặc trng trung bình đờng cong phân bố chúng thay đổi chậm nhiều so với giai đoạn đụn cát chủ động Miền chiếm toàn đáy bùn sâu với độ sâu H > 7m Ví dụ điển hình lát cắt hình 3.10, nơi mà với giảm độ sâu từ 16,5 8,7 vận tốc dòng chảy từ 1,9 0,4 m/s bảo toàn không đặc trng trung bình mà hình thái đụn riêng rẽ điều kiện tính động lực cao chúng Các đờng cong đảm bảo độ cao, chiều dài, độ cong bất đối xứng đụn cát miền thay đổi đặc trng thuỷ lực dòng chảy hầu nh không đổi Miền biến dạng nhanh phân bố bÃi vắt, gờ cù lao với độ sâu H < m Khi giảm lu lợng nớc độ sâu dòng chảy biến dạng đụn cát thụ động diễn nhanh so với đụn cát chủ động Sự chênh lệch lớn vận tốc dòng chảy khu vực khác đụn cát dẫn tới tăng vận tốc dịch chuyển sống cát chân sóng cát Nó nhanh chóng hình thành dạng hình chãp bÊt ®èi xøng trun thèng víi gê cong låi phía mái võng phía mái dới khoảng 30 350, gần với góc mái sờn tự nhiên cát nớc Tại 75 trũng đụn cát tạo nên xoáy liên kết với dòng chảy sát đáy theo chiều ngợc lại, trì độ cong mái sờn dới Sự hình thành xoáy liên kết làm tăng phân hoá vận tốc dọc đụn cát Bỏ qua phần mái sờn trên, nơi có vận tốc dòng chảy lớn hơn, mái sờn dới, nơi trình trọng lực đóng vai trò lớn, dịch chuyển dới theo chiều dòng chảy nhanh so với phần đáy mái trên, nằm vùng tác động xoáy liên kết sóng cát Đụn cát dài ra, đồng thời làm giảm độ cao chúng Vận tốc tính chất biến dạng đụn cát thụ động phần nhiều bị chi phối độ cao độ cong ban đầu chúng Các đụn cát cao cong sớm tạo nên dạng bất đối xứng Các đụn cát thấp phẳng thờng đối xứng Khi vắng trình trì hình dạng đụn cát nh đợc trơn nhập với đụn cát cong Diễn nhân đôi đột ngột chiều dài đụn cát, đà đợc N S Znamenski xem xét cách chi tiết [28] Đồng thời với tính đối xứng tạo nên dạng ba chiều rõ nét Các đụn cát lân cận hoà hợp với nhau, sống chúng liên kết lại làm thành sóng yếu, đờng, nghiêng phía Đụn cát trở nên hai chiều Theo mức hạ thấp mực nớc trình trộn hút hầu hết đụn cát ba chiều lớn Bớc đụn cát hai chiều tăng từ 1,5 2,0 bớc đụn cát ba chiều vào đầu kỳ biến dạng nhanh đến 10 cuối kỳ (Hình 3.11) Các rÃnh không sâu tạo nên lòng sông Niger miền biến dạng đụn cát không Tại vào đầu kỳ lũ xuống biến dạng diễn chậm, vào cuối kỳ tăng nhanh Đối với miền đặc trng trình tăng độ cao đụn cát vào đầu kỳ biến dạng nhanh chúng Các đụn cát thụ động cao dịch chuyển nhanh so với đụn cát thấp trợt mái 76 sờn chúng Vì việc bổ sung độ cao sống đụn tăng lên Theo mức kết hợp thành tạo đụn cát thụ động hai chiều thời kỳ kiệt đoạn đồng mực nớc sông Niger bắt đầu tạo nên đụn cát chủ động ba chiều, kích thớc chúng tơng ứng với đặc trng thuỷ lực dòng chảy Khi đụn cát chủ động đợc hình thành nhanh chóng dịch chuyển xuống dới theo dòng chảy trở thành nhân tố dịch chuyển đụn cát thụ động hai chiều (Hình 3.12) Mô tả thay đổi đụn cát chi phối dạng tổng quan quan hệ tham số đo đạc hình thái đặc trng thuỷ lực dòng chảy chúng Quan hệ kiểu nh giống đụn cát nhiều sông Thí dụ nh đà đợc mô tả Allen [104] sông Vezer, B Ph Snhisenco [43] sông Polomet Hình 3.10 Biến dạng đụn cát chậm rnh sâu lòng sông Niger trạm Geregu thời kỳ tõ ®Ønh lị (07.10.78) (a) ®Õn kú kiƯt (11.04.79) (b) Các cồn cát đợc tách đợc nhiều ngời nghiên cứu [2, 50] Một phần chúng dạng xung đột địa hình đáy lòng sông, sở Đờng cong phân bố độ dài cồn cát thờng đợc mô tả tốt phân bố gama, nhng thông tin đầy đủ độ cao chúng tác giả cha đợc tờng minh Chiều dài trung bình cồn cát tăng theo tăng lợng nớc sông Số liệu thay đổi kích thớc cồn cát đoạn sông Niger từ trạm Geregu đến trạm Adraokut thay đổi lợng nớc sông vòng năm thuỷ văn nhận đợc kết đo sâu nhiều lần mặt cắt dọc cố định theo đáy rÃnh không sâu Để tăng mức độ khách quan chuỗi cao độ đáy ngời ta tiến hành phân tích phổ Trên đờng cong mật ®é phỉ c¸c cao ®é ®¸y S( k1 ) , tách miền cực đại thứ tơng ứng với vũng Nó đợc giới hạn số sóng tơng ứng với hai cực tiểu hàm Chiều dài vũng đợc xác định theo số sóng km tơng ứng với Hình 3.11 Biến dạng nhanh đụn cát sông Niger thành phải đảo cực đại mật độ phổ S miền Độ cao trung bình Adraokut lũ xuống 77 78 cồn cát h đợc tính theo phần trăm phơng sai chuỗi gắn với miền đó: h3 = ∫ S( k1 )dk1 ChiỊu dµi cån ghi đợc lũ lên hầu nh không thay đổi với giảm lu lợng mực nớc Độ cao cồn cát tăng dần lũ lên đỉnh lũ, thời gian lũ xuống hầu nh không ®ỉi vµ chØ ë ci lị xng vµ vµo thêi kỳ kiệt, mà độ sâu trung bình rÃnh nhỏ 0,4 m, cồn cát bắt đầu chảy Trong thời gian dạng cồn cát chịu thay đổi ®¸ng kĨ: tõ mét sãng c¸t ®èi xøng víi m¸i nghiêng lồi phẳng chúng trở nên bất đối xứng mạnh Mái sờn chảy trở nên hầu nh nằm ngang, chiều dài gần với bớc cồn cát §é cong m¸i s−ên d−íi cđa cån c¸t cã gãc mái nghiêng tự nhiên 33 350 Vận tốc dịch chuyển cồn xuống dới theo chiều dòng chảy lớn: đỉnh lũ 4,5 m/ngày đêm, lúc lũ xuống 2,3 m/ ngày đêm, mùa kiệt 0,3 m/ngày đêm Xem xét đồng thời quan hệ độ cao trung bình gợn sóng sóng cát độ phức tạp khác với nhân tố thuỷ lực xác định (xem hình 3.5) chứng tỏ dạng đáy đặc trng diện hai nhánh quan hệ Khảo sát nhánh tăng độ cao tơng đối h / H (hay độ cong h/ L ) dạng đáy với tăng vận tốc dòng chảy tơng đối U u H sau đạt tới cực đại nhánh giảm độ cao tơng đối (độ cong), tức bào mòn dạng đáy với tăng tiếp tục U u H Tuy nhiên bào mòn gợn cát bắt đầu với vận tốc dòng chảy bé so với bào mòn sóng cát nhỏ vừa sóng cát lớn vận tốc cần để bào mòn chúng lớn Kết cho khả điều kiện thuỷ lực đụn cát không tách (hoặc thể yếu) gợn sóng bề mặt cồn cát ®ơn c¸t v.v ViƯc ®¸nh sè c¸c sãng c¸t nhá vừa nêu dựa vị trí chúng chuỗi bậc thang, bỏ qua thống dấu hiệu định dạng 79 Hình 3.12 Sự dịch chuyển đụn cát chủ động ba chiều (119) bề mặt đụn cát thụ động hai chiều (I, II) sông Niger mùa kiệt năm 1979 Quỹ đạo không gian thời gian chuyển động lòng sông đụn cát hai chiều (1) ba chiều (2) Các điều kiện tơng tự hình thành lòng s«ng Terec phÝa d−íi cưa s«ng Sunji thêi kú lũ Tại đà hình thành tổ hợp phức tạp dạng đáy gồm gợn sóng, đụn cát cồn cát Nhng điều kiện vận tốc dòng chảy lớn (2,5 3,0 m/s) tính linh động đất đáy cao (đờng kính trung bình hạt 0,3 0,4 mm) tổ hợp không ổn định thởng xuyên thay đổi sóng cát lớn thời điểm khác với vận tốc độ sâu dòng chảy thay đổi có 80 sờn phẳng không phức tạp mô hình hoá sóng cát bé có mái phẳng đợc phủ gợn sóng (Hình 3.13) Trong trờng hợp việc đánh số dạng đáy đợc xác định thời kỳ hình thành chúng, mà chúng đợc cấu tạo phức tạp Đối với thời kỳ cấu trúc sóng cát đơn giản việc ký hiệu số chúng làm xác theo cấu tạo dạng phức tạp quan hệ với đặc trng thuỷ lực dòng chảy Sự kết hợp gợn sóng sóng cát với độ cao, độ cong xu hớng phát triển khác vào pha khác chế độ thuỷ văn dẫn đến tranh phức tạp thay đổi kháng trở thuỷ lực chung lòng sông tiến trình thay đổi điều kiện thuỷ văn Trên sông Niger hệ số kháng ( = g / Cv ) giảm tăng số Râynol Re vào cuối kỳ dâng mực nớc lũ đạt tới giá trị cực tiểu đỉnh lũ (Hình 3.14) Khi tất sóng cát vừa nhỏ có profile dọc đối xứng với mái sờn dới phẳng, nơi không tạo thành xoáy liên kết Chúng không tạo nên hình dạng kháng trở làm tăng kháng trở theo chiều dài Độ cong lớn đặc thù cho thời gian gợn sóng, h/ L đạt 0,08 Dới chân chúng tạo nên xoáy liên kết bứt khỏi vùng đáy bề mặt dòng chảy, tạo nên xoáy tròn đờng kính m, thờng với dòng chảy ngợc chiều Có thể, sức kháng thuỷ lực đợc xác định độ nhám gợn sóng Sức kháng đạt cực đại vào cuối kỳ, chuyển hoá chậm thành đụn cát với giá trị Re : 9.106 mà khoảng 0,2 Vào cuối kỳ lũ xuống vào kỳ kiệt, sức kháng lòng dẫn giảm xuống Điều đợc giải thích giảm vai trò gợn sóng việc hình thành sức kháng lòng dẫn Khi độ cao gợn sóng trở nên thấp hơn, sóng cát dới chân lũng đầy bùn biến Đóng góp sức kháng lòng dẫn dải cồn cát hai chiều cong, bất đối xứng mang lại, dới lũng xuất xoáy liên kết Tuy nhiên, độ dài vùng xoáy đơn vị chiều dài lòng dẫn thời gian so với thời kỳ phát triển gợn sóng, giảm mực nớc với liên kết sóng cát lại giảm Hệ số kháng trở vào thời kỳ kiệt = 0,002 Hình 3.13 Sự thay đổi tính phức tạp tổ hợp cồn cát đụn cát dịch chuyển sông Terec (trạm thuỷ văn Parabots) với vận tốc dòng chảy 1,7 m/s độ sâu 6,3 m 81 N S Znamenskaia phân tích tiêu phân chia gợn sóng đụn cát [29], đà tới kết luận hình dạng lòng 82 sông thuộc vào mét líp, mét mùc cÊu tróc Sè liƯu cđa chóng chứng minh nét tơng đồng, chắn có tồn Các đụn cát nhỏ theo kích thớc cỡ với gợn sóng , phụ thuộc số đo gợn sóng đụn cát vào đặc trng thuỷ lực có cấu trúc Tuy nhiên khác biệt chúng, từ quan điểm tác giả, rõ ràng: 1) gợn sóng chủ động hai chiều lẫn ba chiều; đụn cát chủ động có ba chiều; 2) toán đồ I m ( c ) = f ( k1 , k2 ) sóng cát dịch chuyến dới dạng dạng đáy đụn cát chiếm miỊn kh¸c nhau; 3) mèi phơ thc cđa hƯ sè kháng thuỷ lực vào số Râynol gợn sóng đụn cát có dạng khác Cho nên, xuất phát từ nguyên tắc đồng dạng, cần khẳng định gợn sóng đụn cát (cũng nh sóng cát trung bình) phải thuộc mực cấu trúc khác Hình thái học dạng đụn cát có kích thớc lớn thờng ảnh hởng mạnh đến hình thái học dạng nhỏ phân bố chúng Trên gợn sóng, nằm đụn cát, sông Niger phần gần thân đụn đợc đặc trng chiều dài chiều cao lớn so với phần võng Tính biến đổi kích thớc gợn sóng đụn cát lớn so với biến động vận tốc độ sâu dòng chảy Đặc biệt, ảnh hởng lớn lên kích thớc dạng đáy nhỏ sóng cát với mái sờn dới cong mà dới tạo nên xoáy liên kết Trong miền vận tốc nhỏ ngợc diễn trầm lắng phù sa mỏng gợn sóng không đợc thành tạo Đồng thời dạng đáy nhỏ có kích thớc trung bình hầu nh liên quan với kích thớc sóng cát lớn mà chúng nằm quan hệ nh dạng đáy sông Niger, Oka, Enhixây đợc đặc trng hệ số tơng quan 0,3 0,3, vợt 0,5 (bảng 3.1) Hình 3.14 Mèi phơ thc cđa hƯ sè søc kh¸ng λ vào số Raynol lòng dẫn sông Niger (từ Adjaokut) pha khác chế độ thuỷ văn (Trên trục tọa độ, giá trị làm giảm lần) Tính phức tạp cấu tạo tổ hợp sóng cát gây ảnh hởng lớn đến động lực nó, phản ánh qua lu lợng phù sa đáy, 83 pha dâng sóng lũ, đỉnh sóng, lị xng, – kiƯt 84 B¶ng 3.1 Ma trËn hệ số tơng quan chiều dài/chiều cao dạng lòng dẫn lớn với chiều dài/chiều cao trung bình dạng lòng dẫn bé nằm chúng DS Cì S«ng Niger KU 1,0/– 0,5/– –0,2/– –0,1/– –0,1/– –0,2/– –/– 0,5/– 1,0/– 0,6/– 0,1/– –0,3/– –0,2/– –/– –/– ô –0,2/– 0,6/– 1,0/– 0,6/– –0,3/– –0,2/– –/– –/– SC –0,1/– 0,1/– 0,6/– 1,0/– 0,6/– –0,2/– –/– –/– BC –0,1/– –0,3/– 0,3/– 0,6/– 1,0/– –/– –/– –/– DC –0,2/– –0,2/– –0,2/– –0,2/– –/– 1,0/– 0,2/– 0,2/– §ôn –/– –/– –/– –/– –/– 0,2/– 1,0/– 0,3/– Gỵn –/– –/– –/– –/– –/– 0,2/– 0,3/– q s = (1 − p )σ hc r –/– NN 1,0/ Sông Enhixây DC / / / / / 1.0/1,0 0,4/0,7 0,5/–0,4 §ơn –/– –/– –/– –/– –/– 0,4/0,7 1.0/1,0 0,5/0,4 Gỵn –/– –/– –/– –/– –/– 0,5/–0,4 0,5/0,4 1.0/1,0 S«ng Oka –/– –/– 1.0/1,0 –/– 0,72/0,0 0,43/–0,1 0,09/0,0 –/– BC –/– –/– 0,72/0,0 –/– 1.0/1,0 0,68/0,4 0,35/–0,05 –/– DC –/– –/– 0,43/–0,1 –/– 0,68/0,4 1.0/1,0 0,43/0,33 –/– §ơn –/– –/– 0,09/0,1 / 1.0/1,0 / 0,35/0,05 0,43/0,33 Phơng pháp tính toán dòng phù sa đáy theo biến hình (cải tổ hình dạng) đáy sông đà đợc biết đến từ cuối kỷ XIX B V Poliacov sư dơng ®èi víi sù biÕn hình hệ thống lạch sâu bÃi vắt [66] G V Lopatin [49] vào năm 1934, khảo sát sông Vonga, Luga Kemka đà tính lu lợng phù sa đáy qs theo số liệu chiều cao h vận tốc xáo trộn cr thân sóng cát đáy: Ký hiệu: DS - Dạng sông; KU - Khúc uốn; NN - Nút phân nhánh; SC- Sóng cát; BC - Bò cát; DC - Dải cát 85 , (3.7) với hệ số hình dạng sóng cát ( ≈ ,5 − ,6 ), p – ®é rỗng trầm tích đáy Theo mức độ nhạy máy hồi âm thực tế khảo sát công thức (3.7) trở nên đợc sử dụng rộng rÃi văn khoa học thiết kế áp dụng công thức (3.7) dựa giả thiết lu lợng phù sa đáy lu lợng phù sa dịch chuyển dới dạng sóng cát tức phần tử phù sa đợc bào mòn từ mái sờn sóng cát tích tụ vào mái sờn dới Khi sử dụng để tính toán tài liệu hình thái động lực sóng cát lớn mà có dịch chuyển sóng cát bé, giả thiết vật chất cấu tạo sóng cát bé mái sóng cát lớn hoàn toàn đợc tích tụ mái dới Sự lợc bỏ nh đồng nghĩa với nghiên cứu chuyển động sóng cát giai đoạn phát triển thụ động với mái dới cong, gần với góc mái tự nhiên nớc, nơi mà dịch chuyển phần tử phù sa diễn chủ yếu dới tác động trọng lực Nếu nh dạng đáy kiểu tổ hợp bậc thang theo động lực học hình thái học mái dới cong đợc hình thành kết tính toán lu lợng phù sa đáy không phụ thuộc vào lựa chọn kểi hình dạng đáy, Vậy nên vào thời kỳ kiệt lòng sông Niger gợn sóng đụn cát ba chiều dịch chuyển theo bề mặt đụn cát hai chiều vật liệu hoàn toàn lắng mái dới đụn cát hai chiều, thúc đẩy 86 dịch chuyển chậm thụ động xuôi theo dòng sông (xem hình 3.12) Lu lợng phù sa, dịch chuyển dới dạng đụn cát kiểu hình thái khác nhau: chiếm khoảng 1,45.105 m3/s mét front đụn cát ba chiều lẫn đụn cát hai chiều Đối với trờng hợp phơng pháp tính toán vận tốc dịch chuyển dạng lớn hoàn toàn theo số liệu hình thái động lực dạng nhỏ đà đợc N S Znamenskaia [26] Z Đ Kopalianhi [45] đề xuất Tuy nhiên, chí vào thời kỳ kiệt tất dạng đáy địa hình lòng sông đợc đặc trng độ cong mái dới, đủ để chứa lắng đọng phần tử phù sa rơi vào Còn mùa lũ lụt, mà khối lợng phù sa đáy chủ yếu đợc mang đi, sóng cát đáy thờng đối xứng, độ cong mái dới nhỏ nhiều góc mái tự nhiên cát nớc Trong trờng hợp này, vài phần trăm phù sa đáy đợc chuyển hoá dới võng gợn sóng cuÃng nh gợn sóng phần chuyển qua mái dới đụn cát, đụn cát mái dới cồn cát Trong điều kiện nh tính toán theo công thức (3.7) cho ớc lợng thấp nhiếuơ với lu lợng phù sa thực, kết thiên bé dạng đáy lớn từ tổ hợp bậc thang đà đợc sử dụng nhiều để tính toán Đối với sông Niger vào mùa lũ năm 1978 lu lợng phù sa đáy, tính theo đụn cát 5,5.105 m3/s, theo cồn cát 1,17.105 m3/s Trên sông Lêna, trạm Mokhsogollokh vào lúc lũ rút năm 1986, lu lợng phù sa theo gợn sóng 39,5.105 m3/s, heo đụn cát 9,54.105 m3/s theo mét chiều rộng lòng dẫn Phân tích tợng chứng tỏ động lực tổ hợp cấu trúc bậc thang dạng đáy lòng dẫn phần nhiều phụ thuộc vào chuyển hoá phần tử phù sa đáy gợn sóng, dịch chuyển gợn sóng đáy đụn cát v.v Vận tốc dịch chuyển thân dạng đáy dao động 87 phạm vi lớn, không chí âm (dịch chuyển lên phía thợng lu) phụ thuộc vào hệ thức lu lợng phù sa đáy dạng hay dạng mái dới cđa sãng c¸t Cã thĨ cã mét hƯ sè t ý vận tốc dịch chuyển dạng đáy hạng khác dịch chuyển phần sống sóng cát lớn nhanh so với sóng cát nhỏ nằm tích tụ phï sa ë m¸i d−íi c¸c sãng c¸t lín, sù vËn chun theo m¸i d−íi cđa c¸c sãng c¸t nhỏ Khi chiều dài sóng cát lớn đợc tăng lên với đặc trng thuỷ lực dòng chảy không đổi Cũng có tình ngợc lại, vận chuyển phù sa tăng cờng mái dới sóng cát chiều dài giảm Quan sát thấy phân hoá vận tốc dịch chuyển dạng đáy có độ cong khác từ điều kiện dịch chuyển khác theo bề mặt chúng sóng cát phần tử phù sa nhỏ Thế nên thợng nguồn sông Obi gợn sóng với độ cong mái dới 0,150,25 dịch chuyển xuôi dòng nhanh khoảng 2,5 lần, so với gợn sóng với ®é cong m¸i d−íi 0,05– 0,15 víi cïng c¸c ®iỊu kiện thuỷ lực Khi xác định lu lợng phù sa theo tham số hình dạng đáy thời kỳ phát triển chủ động chúng cần phải tính đến vị trí hình dạng chuỗi bậc thang Nếu có đợc thông tin vận tốc dịch chuyển độ cao gợn sóng, đụn cát gợn sóng hay sóng cát đơn giản lớn cần tính bổ sung lu lợng phù sa đáy, chuyển hoá sóng cát qua m¸i d−íi: q s1 = (1 − p)σ h1 c r1 + qTp1 (3.8) Khi sư dơng c¸c sãng c¸t lín, tÝch tơ bëi c¸c sãng c¸t nhá, nh− N I Alecxâyevski lu ý, cần tính toán lu lợng phù sa đáy nh tổng lu lợng phù sa đợc mang dạng tất sóng cát tổ hợp bậc thang Ngoài cần tính đến vị 88 trí sóng cát nhỏ sóng cát lớn hơn, cần đánh giá lu lợng phù sa đáy qua việc chuyển hoá sóng c¸t theo m¸i d−íi qsN = (1 − p)σ N hN crN + qTpN = (1 − p)σ N hN crN + [ + (1 − p)σ N −1 hN −1 cr( N−1) + [(1 − p)σ1h1cr1 ]Tp + qTp ]Tp + [(1 − p)σ N −2 hN −2 cr(N2) ]Tp + + (3.9) Lu lợng phù sa qua vậ chuyển theo mái dới dạng đáy không tham gia vào dịch chuyển chúng qTp hầu nh không cho phép trực tiếp đo đạc điều kiện trờng Trong thí nghiệm qTp đo đợc theo hiệu thể tích phù sa tích luỹ bể lắng vận chuyển dới dạng sóng cát Theo số liệu 96 thí nghiệm [132], nơi mà lu lợng phù sa đo đợc theo lấp đầy bể lắng qthực qtính theo tính toán công thức (3.7) 57% trờng hợp qthực > qtính, tức có chuyển hoá phù sa Khi qthực vợt qtính 50% trờng hợp với cát có đờng kính 0,93 mô hình hóa, phần tử phù sa không lơ lửng di chuyển trạng thái di đẩy thÝ nghiƯm hƯ sè chun ho¸ phï sa KTp = (qthực qtính)/ qthực đạt 0,85 [132] Sự chuyển hoá phần tử phù sa với đáy gợn sóng diễn 29% c¸c thÝ nghiƯm, sù chun ho¸ c¸c phần tử phù sa gợn sóng dới đáy ®ơn c¸t – 65% c¸c thÝ nghiƯm Theo sè liệu quan trắc trờng có khả đánh giá gián tiếp qTp Nếu nh dòng sông phát triển chủ yếu sóng cát gồ ghề, bề mạt đợc phủ gợn sóng nhng sóng cát riêng biệt đạt đợc độ cong tới hạn sờn dới, gần với góc mái tự nhiên, sóng cát xem nh bể lắng địa phơng để chuyển hoá phù sa Khi ®ã K Tp = ( FH − F p ) / FH FH FP diện tích đắp phù sa mái Hệ số chuyển hoá dòng phù sa đáy KTp xác định đợc theo vận tốc thay đổi hình thái sóng cát dịch chuyển xuôi theo lòng sông Nếu xuất phát từ giả thiết thời gian biến đầy đủ hình thái học ban đầu sóng cát tTp (xem hình 3.7) tơng ứng với thời gian thay hoàn toàn phù sa sóng cát KTp= /tTp với chu kỳ dịch chuyển sóng cát suốt toàn chiều dài Thời gian biến hình hoàn toàn sóng cát tTp đánh giá theo dịch chuyển hệ số tơng quan chuỗi nguyên tố hình th¸i mét v¸ chØ mét sãng c¸t c¸c thêi điểm khác qua gốc Trong xấp xỉ đầu tiên, mối quan hệ hệ số chuyển hoá vào độ cong trung bình mái dới sóng cát tg đợc mô tả công thức K TP = exp( −0,64 tg 2α ) , nã cho phÐp tÝnh to¸n vận tốc xáo trộn dạng đáy kiểu khác theo lu lợng phù sa đáy dới dạng phần tử qs tham số địa mạo ácc dạng đáy nhỏ Nếu sử dụng để tính toán lu lợng phù sa đáy có cấp hạt khác công thức dạng q s = aU n , để tính toán vận tốc chảy với độ sâu dòng sông không đổi U = q/ H với q lu lợng nớc riêng , vận tốc dịch chuyển gợn sóng sóng cát không tích tụ dạng đáy nhỏ hơn, tính theo công thức: Un ; (3.10) H vận tốc dịch chuyển đụn cát với gợn sóng (hoặc cồn cát với đụn cát) theo công thức: c r1 = na c r = n(n + 1)a(1 − p)σ1 h1 H2 + naK Tp1 Un H + h1 ; (3.11) vËn tèc dịch chuyển cồn cát với đụn cát gợn sóng theo công thức: dới sóng cát lõm diện tích bóc phù sa mái 89 Un 90 c r = n(n + 1)(n + )a(1 − p) σ1 h1σ h2 + n(n + 1)a(1 − p)σ h2 K Tp1 + n(n + 1)a(1 − p)σ1 h1 K Tp2 U n (H + h1 )2 Un ( H + h2 )2 Un H (xem hình 3.13) Tơng ứng vận tốc dịch chuyển cồn cát biến động từ 70.105 m/s thời kỳ xuất đụn cát đến 160.105 thời kỳ bào mòn chúng Các thăng giáng tơng tự vận tốc sóng cát phức tạp đà đa đánh giá bất đơn trị lu lợng phù sa chí với sử dụng công thức dạng (3.10) (3.12), nh đo sâu lặp lại để tính toán biến đổi hình thái sóng cát đợc thực hiƯn th−êng xuyªn + + + naK Tp2 (3.12) Un H + h2 + h1 Kiểm tra công thức (3.10) (3.12) đánh giá tham số a n đợc thực sở 40 đo đạc hình thái sóng cát , vận tốc dịch chuyển chúng đặc trng thuỷ lực dòng sông sông Lêna (trạm Mokhogollokh), Niger (trạm Adjaokut), Obi (-ngn – s«ng Anui) Víi n = a = 3,7.104 nhận đợc trùng hợp thoả mÃn vận tốc dịch chuyển tính toán thực tế dạng đáy kiểu khác Nếu không tính đến tính toán cấu trúc bậc thang địa hình đáy lòng dẫn chuyển hoá phù sa, không phù hợp giá trị tính toán thực đo tăng lên (hình 3.15) Đặc điểm rõ động lực tổ hợp phức tạp đại hình đáy khả thay đổi vận tốc dịch chuyển sóng cát lớn thay đổi ngẫu nhiên hình thái sóng cát nhỏ với đặc trng thuỷ lực dòng sông không đổi Vậy nên theo công thức (3.11), tăng chiều cao độ cong gợn sóng dẫn tới giảm nhanh giá trị thành viên thứ hai công thức giảm đáng kể vận tốc dịch chuyển đụn cát Sự giảm độ cao độ cong gợn sóng dẫn tới tăng vận tốc dịch chuyển đụn cát, với việc bào mòn toàn gợn sóng vận tốc dịch chuyển đụn cát cần tính toán theo công thức (3.10) Độ cao chiều dài dạng đáy cụ thể với độ sâu vận tốc dòng sông không đổi biến động phạm vi rộng không gian lẫn thời gian thí dụ nh sông Terek tạm Parabotrs thời gian lũ mùa hè năm 1982 vòng ngày với vận tốc dòng độ sâu không đổi độ cao đụn cồn cát thay đổi từ 1,2 91 Hình 3.15 Quan hệ vận tốc dịch chuyển đo đạc tính toán gợn sóng (1), đụn cát (2) cồn cát (3) với việc tính (a) không tính (b) độ phức tạp tổ hợp sóng c¸t 3.3 C¸c sãng c¸t lín C¸c sãng c¸t lín có kích thớc cỡ chiều rộng dòng sông Mực cấu trúc đợc tạo nên nh dạng sóng cát phức 92 tạp cấu tạo aluvi lòng sông sóng cát dải, cồn, cù lao nh dạng sóng cát phủ aluvi bÃi bồi Các điều kiện hình thành địa hình lòng sông địa phơng khu vực gây ảnh hởng đến hình thái học động lực học sóng cát lớn, đến tính phức tạp cấu tạo chúng, đến tỷ lệ dạng đáy lớn nhỏ Cách tiệm cận thực nghiệm nghiên cứu sóng cát lớn dẫn tới phân loại hình thái học hình thái động lực học phức tạp [90], chúng gây nên phiền phức không chuyển sang đối tợng thiên nhiên khác Cần thiết phát triển lý thuyết thành tạo sóng cát lớn, tìm kiếm sở lý luận quan hệ tham số hình thái chúng với đặc trng thuỷ Hình 3.16 Phụ thuộc chiều dài sóng cát lớn lực dòng sông Trong xấp xỉ toán đợc giải khảo sát số 93 hệ phơng trình (2.11) miền cực trị địa phơng vận tốc tăng trởng biên độ xáo trộn cao trình đáy, đợc xác định chiều dài chiều rộng sóng cát xác suất lớn Giải phơng trình (2.25) đới vận tốc dòng sông U = ,5 3,0 m/s, độ sâu H = ,5 50 m, đờng kính đất đáy 0,1–100 mm, hƯ sè c«ng thøc I L Rozovski 1/ 120 (hình 3.16) chiều dài cực đại sóng cát lớn tăng tăng độ sâu dòng sông giảm với tăng vận tốc dòng sông độ nhám Chiều rộng sóng cát lớn đợc xác định hệ thức cờng độ hoàn lu nagng độ nhám dòng sông Đồ thị nh hình 3.16 xấp xỉ công thức: L1 = ,21C o HFr −1,1 víi ,07 < Fr ≤ ,5 ; L1 = 2 ,1C o H L1 / L2 = (3.13) exp(− 3,1Fr ) víi ,5 < Fr ≤ ,9 ; (β/ g)Co2 − (3.14) Hình 3.17 Hình thái học lòng sông với tỷ số khác chiều rộng dạng lòng sông L2 chiều rộng lòng dẫn b 1- b/ L2 = 0,5 ; b/ L2 = 1,0 ; b/ L2 = 1,5 ; b/ L2 = ,0 Sự phân bố dạng lòng dẫn phụ thuộc vào tỷ số 94 chiều rộng sóng cát lớn thống trị L2 chiều rộng lòng dẫn b: K φ = b/ L2 , nÕu nh− K φ ≤ ,5 lòng dẫn tạo nên dạng đáy phụ phân bố dọc theo bờ theo trật tự ô cờ Cùng với việc tăng K phần gốc dạng đáy phụ tạo nên dòng nhánh phụ, với K = 1,0 kết thúc việc tái tạo lòng dẫn với lới cù lao Trong kho¶ng 1,0 < K φ < 1,5 l−íi cï lao kết hợp với dạng đáy phụ gắn với bờ v.v (hình 3.17) Do sóng cát lớn đợc đặc trng phổ hai chiều liên tục với dạng quy mô khác nên việc tập trung hoá dạng bị phức tạp (hình 3.18) phát triển chủ động sóng cát lớn đợc thực chØ thêi gian lị lín Trong c¸c thêi kú hình thành kích thớc đặc trng thành tạo tÝch tơ nµy – chiỊu dµi vµ chiỊu réng ChiỊu cao sóng cát lớn tăng với tăng lu lợng nớc nh sóng cát vừa nhỏ Tuy nhiên sau nâng cao vận tốc dòng sông giá trị ngỡng bào mòn sóng cát lớn bắt đầu Lisl [122] mô tả trận lũ lớn sông nhỏ Caliphornia, bÃi vắt bị bào mòn, lũng sâu bị phủ phù sa Chiều rộng lòng dẫn tăng lên, biên độ sóng cát lớn giảm đột ngột Theo mức độ rút xuống lũ dạng địa hình đợc xác lập Chỉ tiêu trạng thái chủ động sóng cát lớn hình dạng mặt thoáng dòng sông chúng Nếu nh sóng dài bề mặt dòng sông nằm đối pha với sóng dài cao trình đáy sông điều dịch chuyển chủ động sóng cát lớn bào mồn lạch tích tụ bÃi vắt Tình đà nhận đợc lòng sông Niger mùa thu năm 1957 vào thời kỳ lũ với lu lợng nớc cực đại 37000 m3/s thêi kú diƠn trËn lị thÊp h¬n năm 1978, với lu lợng nớc cực đại 20000 m3/s mặt thoáng dòng sông hầu nh phẳng, góc nghiêng đồng lạch bÃi Sự dịch chuyển chủ động sóng cát lớn không quan trắc đợc Hình 3.18 Hình thái học sóng cát lớn tính toán với việc tính đến phổ biên độ liên tục cao trình đáy cù lao dạng đáy phụ; đáy lạch (các đờng đồng mức qua đơn vị độ sâu tơng đối) bờ lòng dẫn Các sóng cát lớn tồn tạng thái chủ động thụ động Với phát triển chủ động sóng cát lớn dịch chuyển nh− lµ mét thĨ thèng nhÊt vµ thĨ hiƯn sù phản chiếu đáy xói lở dòng sông tạo nên cấu trúc xoáy Trạng thái 95 Nh vậy, động lực học sóng cát lớn phần nhiều đợc xác định chế độ thuỷ văn sông ngòi Trong lòng dẫn hạ lu Niger dạng đáy phụ đợc hình thành chỗ giÃn cục lòng dẫn, thờng phía bờ Trong năm nhiều nớc diễn bứt phá dòng khỏi bờ, tạo nên vùng nớc yên tĩnh chí vùng chảy ngợc Diễn tích tụ phù sa tạo nên dạng đáy phụ Trong thêi kú nhiỊu n−íc chu kú n−íc nhiều năm sông ngòi dạng đáy phụ 96 phát triển kích thớc bắt đầu dịch chuyển xuôi theo lòng dẫn với vận tốc 100- 150 m/năm Trên đoạn uốn lòng dẫn hay chỗ lộ diện đất đá gốc dạng đáy phụ thờng chia cắt dòng tạo thành cù lao Nếu nh dạng đáy phụ rìa bờ xảy vào thời kỳ nớc chu kỳ nớc, vào năm nớc dạng đáy phụ bị bào mòn Trong vòng năm thuỷ văn diến chuyển hoá rõ dạng đáy phụ với cù lao Vậy nên cù lao trạm Adjaokut (xem hình 2.3) vào mùa lũ đợc phủ lớp nớc mét Hớng dòng xác định tập trung bờ bÃi bồi đến 56% tổng lu lợng nớc phía nhánh phải, thẳng Mũi cù lao thiên phía dòng chảy, chập vào bờ phải miền tiếp cận Đuôi cù lao kéo xuôi dòng (đến 200 m riêng năm 1978) Vào mùa kiệt cù lao lên hình dạng xác định hớng dòng dòng sông Tăng lu lợng nớc nhánh cong bên trái (52% tổng lu lợng) Mũi cù lao bị xói Trong năm nớc đuôi bị xói khí cù lao bị giảm kích thớc Với mùa kiệt nhiều nớc cù lao dịch chuyển xuôi dòng (đến 250 m năm 19781979) Đối với sóng cát lớn đặc trng phát triển thụ động, mà sóng cát lớn có cấu tạo phức tạp, bề mặt mô tổ hợp sóng cát cấu tạo bậc thang Sóng bề mặt thoáng nằm pha với thay đổi cao trình đáy Diến bào mòn thân bÃi vắt tích tụ lạch Đồng thời với dịch chuyển dạng đáy nhỏ thân sóng cát lớn tạo nên phù sa mà kết trợt xuôi dòng thụ động tích tụ phù sa mái dới ảnh hởng sóng cát nhỏ vừa đến hình thái học động lực học sóng cát lớn với dịch chuyển thụ động sóng cát lớn đà đợc N S Znamenski [26] nghiên cứu chi tiết Đến lợt mình, ảnh hởng sóng cát lớn đến sóng cát 97 nhỏ gợn sóng thể phân hoá độ sâu vận tốc dòng sông phạm vi sóng cát lớn Cho nên thân sóng cát lớn sóng cát nhỏ so với mái thợng Trên mái dới sóng cát nhỏ thờng không tạo thành tính bất ổn định đất đá mái cong Trong rÃnh sóng cát lớn dới mái cong thờng hình thành vùng lắng đọng, nơi tập hợp phù sa nhỏ, đất đá hạt nhỏ tạo nên sống Các sóng cát lớn thành tạo lòng dẫn tơng đối ổn định Trong điều kiện khí hậu cảnh quan thuận lợi bề mặt chúng xuất thảm thực vật, cấu tạo nên lớp mùn mỏng, tạo nên bÃi bồi Các dạng sóng cát lớn địa hình lòng dẫn dạng đáy phụ cù lao trở nên dạng vĩ mô bền vững mảng bồi phía bờ lồi đảo Tuy nhiên sóng cát lớn mà sóng cát vừa đợc ổn định trình thành tạo bÃi bồi Sự phân chia sóng cát lớn thành mực cấu trúc riêng địa hình lòng dẫn đợc chia sở sau: 1) miền sóng cát lớn đặc thù hình thái từ miền mực cấu trúc khác dạng lòng dẫn phổ lý thuyết hai chiều phổ thực nghiệm chiều; 2) sóng cát lớn dạng quan hệ kích thớc với đặc trng thuỷ lực khác với quan hệ tơng tự sóng cát nhỏ nhỏ; 3) sóng cát lớn đặc trng kéo dài không lớn trạng thái chủ động thống trị trạng thái thụ động, dẫn tới việc xuất động lực học quy luật chi phối hình thái học động lực học dạng lòng dẫn bé Phơng pháp xáo trộn nhỏ miền phát triển sóng cát lớn dẫn đến phổ hai chiều liên tục Tuy nhiên độ rộng khaỏng chiều dài xáo trộn không ổn định tạo khả (cúng giống trờng hợp sóng cát vừa nhỏ) tạo dạng đáy ngắn trở thành dài thành tạo sóng c¸t lín ë c¸c mùc 98 tíi sù xt hiƯn xo¸y däc thang kh¸c 3.4 C¸c sãng c¸t lín Quan sát máng thực nghiệm đà cho phép A I Losievski [79] phân chia cụm xoáy song song dọc khắp lòng dẫn phân dòng hàng loạt cấp tơng ứng nhân nguyên tử Trong thời gian gần đây, cấu trúc đợc ý đặc biệt Iatomo Isigaki [115] đà quan sát hình thành nhân tuần hoàn nhờ kính hiển thị máy quay phim máng với mái sờn nghiêng thay đổi Kích thớc nhân phụ thuộc vào cách đặt mái nghiêng Trên mặt dòng chảy dòng hội tụ hình thành vùng vận tốc dọc cao hơn, dòng phân kỳ có vận tốc thấp ứng suất tiếp tuyến đáy mái lòng dẫn cực đại miền nhập lu cực tiểu miền phân lu Nheza Nicagava [124] máng thẳng nhờ máy đo đôplelaser máy hồi âm đà ghi nhận đợc tính thành tạo xoáy trắc diện dọc địa hình lòng sông gắn với Hai xoáy đợc tạo thành góc đáy thành thẳng đứng máng Trong miền dòng chảy dâng tạo thành thân cát dọc, miền dòng chảy hạ thấp tạo nên xoáy trũng Mỗi xoáy cận thành tiếp tục tạo xoáy hoạt động đáy tạo nên xoáytrũng thân cát nh Quá trình đợc tiếp diẽn từ hai phía máng đáy cúng đợc phủ hoàn toàn cấu trúc Dòng vận tốc dọc sát đáy, độ lớn lu lợng phù sa đáy xoáy trũng ngày lớn so với thân cát, cờng độ rối nhỏ Tsuimoto [135] chứng minh rằng, thành tạo cấu trúc dọc vào vị trí dòng sông, không vùng cận thành Vậy, thay đổi ứng suất tiếp tuyến đáy xuất đáy dòng sông vùng phù sa có độ thô khác dẫn 99 Trong lòng dẫn sông ngòi quan sát thấy dạng địa hình đặc trng tính thẳng trải dài lớn dài dọc theo lòng dẫn so với chiều rộng chúng Đó rÃnh lạch thẳng dọc bờ gốc cao, thẳng lới bÃi bồi đảo phân bố dọc bờ lòng dẫn đối diện (phân nhánh phía theo R S Tralov [101]) Thí dụ nh lòng dẫn sông Malaia Severnaia Dvina sau nhánh Veliki Ustrug Đó mạng dọc liên kết lẫn bÃi bồi nằm lòng dẫn với lạch tơng đối sâu ven hai bờ (Verkhnhaia Obi vùng Phominski, sông Lêna vùng Đjiganska) Các mạng bÃi bồi đảo nh có hai (sông Balssaia Severnaia Dvina vùng bÃi vắt Zelenheski) (châu thổ sông Enhixây) R S Tralov [10] đề xuất gọi phân nhánh nh nhánh song song Bề tơng tự lòng dÉn nhiỊu nh¸nh b·i båi ph¸t triĨn – th−êng ph¸t triển hai nhánh song song thành thung lũng, phân nhánh mảng bÃi bồi Thỉnh thoảng đoạn nhánh song song có đoạn nằm cách xa bờ lại có nớc đoạn nằm gần bờ Các hình dạng lòng dẫn nh thế, nét dặc thù riêng hình dạng kéo dÃn dµi ( L > 40b) vµ xu thÕ h−íng tíi phân bố thành tố sâu (lạch) phần cận bờ thung lũng, đợc coi mực cÊu tróc lín nhÊt cđa sãng c¸t lín nhÊt C¸c sóng cát lớn đợc tạo việc mở rộng thung lũng sông ngòi nơi mà bÃi bồi thờng bÞ ngËp (tû sè b / H > 500 700 ) Các điều kiện tơng tự thờng nhận thấy hạ lu thung lũng sông ngòi nơi mà thời gian tan băng hà hình thành vịnh khe nứt địa chấn đại, vùng tồn ghềnh thác sông ngòi 100 Hình thái học tiến hoá sóng cát lớn xem ví dụ đoạn cửa sông Enhixây (Hình 3.19) theo dòng sông thành sóng cát lớn phân chia mảng liên kết theo chu vi nhánh sông Quá trình hình thành phân nhánh sông song song theo mảng tơng tự sông Verkhaia Obi vùng Phominski đà đợc K M Bercovitrs, S N Ruleva, R S Tralov [10] mô tả Trong lòng dẫn víi sãng c¸t lín nhÊt ph¸t triĨn tèt thĨ hiƯn xu hớng kết nối đoạn lòng dẫn kéo dài Sự ảnh hởng qua lại lòng dẫn nh giảm xuống, lòng dẫn số chúng đợc phát triển độc lập Thế nên nhánh hình thành vũng (sông Akhtub), nhánh khác phân nhánh (sông Vonga) Các đặc điểm tơng tự sóng cát lớn cho phép đặt chúng vào mực cấu trúc địa hình lòng sông riêng 3.5 Phân loại cấu trúc địa hình lòng dẫn sông ngòi Hình 3.19 Các sóng cát lớn hạ lu sông Enhixây Deriabinski Enhixây; Enhixây nhỏ; Enhixây lớn; Kameni Enhixây phạm vi thung lũng mở Mukxunhisk Krestov sông vào thời Holoxen muộn hình thành nên phân nhánh lòng dẫn bao gồm bốn nhánh: Deriabinski Enhixây (trái); Enhixây nhỏ; Enhixây lớn (trung tâm) Kameni Enhixây (phải) Các nhánh phân chia bëi c¸c khèi b·i båi kÐo d·n víi c¸c ngòi len lỏi Phân tích lịch sử phân nhánh [93] chứng tỏ giai đoạn hình thành loạt sóng cát lớn phân bố theo ô bàn cờ Tiếp theo diễn chết lạch nớc nhỏ liên kết sóng cát lớn dọc 101 Kết giải phơng trình phân tích tuyến tính thuỷ lực phẳng phơng pháp xáo trộn nhỏ cho trờng liên tục cao trình đáy lòng dẫn không ổn định phạm vi rộng số sóng dọc ngang Chúng rơi vào bốn miền nhận rõ phổ hai chiều liên tục biên độ sóng không ổn định theo diện cực trị vận tốc địa phơng tăng biên độ sóng Lĩnh vực sóng bất ổn định đợc tách lòng dẫn sông ngòi tơng ứng với dạng địa hình lòng sông kiểu sóng cát bền vững động lực có thực tế, chúng liên kết mực cấu trúc sóng cát nhỏ nhất, nhỏ, vừa, lớn lớn (Hình 3.20) Nh vậy, không ổn định vào đầu thời kỳ phát triển hệ cao trình đáy kết hoạt động tơng hỗ lòng sông dòng sông trở thành dạng lòng sông bền vững động lực học Nhờ khoảng biến đổi rộng bớc sóng hệ cao trình đáy không bền vững kích 102 thớc dạng lòng dẫn bền vững động lực học thay đổi phạm vi lớn sông, nh hệ số nhám lòng dẫn sông ngòi Các sóng cát vừa nhỏ phân bố miền rộng gợn sóng với kH = 1,4 / Fr sóng cát lớn, kích thớc tối thiểu đợc mô tả đờng kH = 1,6 g / C0 exp(1,8 Fr ) Trong khoảng diễn tích tụ sóng cát nhỏ sóng cát lớn tạo nên nghiên cứu sóng cát phức tạp khác nhau, chúng tập hợp thành nhân đụn cát, cồn cát, rÃnh cát v.v Hình 3.20 Miền thành tạo dạng sóng cát địa hình lòng dẫn I sóng cát nhỏ (1gợn sóng); II sóng cát nhỏ III sóng cát trung bình (2 đụn c¸t; 3– cån c¸t; – r·nh c¸t; – sóng cát) IV sóng cát lớn ( 6dạng đáy phụ) ranh giới miền Các gợn sóng (sóng cát nhỏ nhất) tạo thành kết dòng chảy không đồng với đáy nhám mặt thẳng đứng xuất sóng mặt thoáng Kích thớc gợn sóng, theo công thức (3.1) đợc xác định độ sâu nhiệt động học dòng sông nh dạng phân bố nhiễu động vận tốc thuỷ trực (chủ yếu thành phần ngang dọc) Sự hình thành sóng cát vừa nhỏ hệ diện dòng sông độ nhám đáy Kích thớc chúng đợc xác định độ sâu nhiệt động học dòng 103 Hình 3.21 Toán đồ tỷ số độ dài dạng lòng dẫn hạng kề L / Li+1 a sóng cát vừa nhỏ; b sóng cát lớn Xử lý số liệu đo đạc kích thớc sóng cát vừa nhỏ dạng khác 50 đoạn sông khác (hình 3.21) chứng tỏ tỷ số kích thớc trung bình sóng cát 104 hạng kỊ L / Li+1 = 3,7 B−íc ®ơn cát lớn bớc gợn sóng trung bình khoảng lần Các sóng cát nhỏ ba chiều đồng mức L / L2 = 1,0 C¸c sãng c¸t võa kéo dài theo dòng sông, mức độ kéo dài chúng tăng tăng chiều dài sóng cát Ranh giới sóng cát nhỏ vừa nằm miỊn b−íc sãng kH = 1,2(2 g / C0 ) 0.3 exp(−2,0 Fr ) C¸c sãng c¸t lớn đợc tạo thành lòng sông với lòng dẫn nhám diện hoàn lu ngang Kích thớc chúng thay đổi phạm vi rộng ranh giíi 2 kH = 1,6 g / C0 exp(1,8 Fr ) vµ kH = 3,0 g / C0 Fr 1,1 Tơng ứng diễn thành tạo lòng dẫn dạng phức tạp Tỷ số kích thớc trung bình sóng cát lớn hạng kề khoảng 3,2 (xem hình 3.21b) Các sóng cát lớn thành tạo lòng dẫn hai chiều, độ kéo dÃn chúng L1 / L2 tăng với tăng độ nhám lòng dẫn giảm cờng độ hoàn lu ngang C¸c kH < sãng 3,0 g / C0 Fr 1,1 , cát lớn phân bố miền chúng ®Ỉc tr−ng bëi ®é kÐo d·n lín L1 / L2 > 20 40 TÝnh phøc t¹p chung cđa tỉ hợp dạng lòng dẫn (số lợng dạng lòng dẫn) đợc xác định đặc trng thuỷ lực dòng sông chiếm: [ ( N = 1,0 1,8 lg g / Co Fr )] Trong vïng biÕn ®ỉi U = 1,0 3,0 m; C0 = 40 70 , N biƠn ®ỉi tõ ®Õn H = 1,0 50,0 m dải sóng cát ); 5) sóng cát lớn (phân nhánh song song, đoan hớng bÃi bồi) Đồng thời phân loại tập trung xác cảu N E Kondrachev gồm mực cấu trúc siêu nhỏ, vi mô, trung mô, vĩ mô siêu lớn R S Tralov [97] đề xuất hệ thống địa hình lòng dẫn bậc thang gồm mắt xích sau: thung lũng sông ngòi bÃi bồi hình dạng lòng dẫn dạng sóng cát địa hình lòng dẫn Các sóng cát đáy lại đợc phân dạng nhỏ, vừa lớn Cũng làm sáng tỏ dạng lòng dẫn phức tạp thứ sinh Phân loại Hiệp hội kỹ s dân Hoa Kỳ gồm dạng hình thái lòng dẫn (river channel pattern) sóng cát lớn đợc xác định lúc lòng kiệt (bars) dạng đáy bé (bed forms) Ba phân loại tập trung với đa dạng thuật ngữ chúng dựa khái niệm Tất đợc xây dựng theo nguyên tắc tính tơng đối kích thớc dấu hiệu Chúng coi sở nguyên tố nhất: dạng lớn dạng lòng dẫn river channel pattern Dạng lớn tơng đối dạng lòng dẫn theo mức độ giảm kích thớc và/hay dấu hiệu chất (hiện diện bÃi bồi) chia dạng vừa (sóng cát lớn vừa, doi cát) dạng nhỏ siêu nhỏ (sóng cát nhỏ dạng đáy) Sự tăng kích thớc ứng với dạng lớn cho phép nghĩ đến dạng siêu lớn dạng lòng dẫn phức tạp Cho nên để làm sáng tỏ khả so sánh phân loại địa hình lòng dẫn tập trung hay thuỷ lực cần xét tới tỷ số dạng lòng dẫn (dạng lớn) với dạng sóng cát thuỷ lực chi phối Trong khuôn khổ phân loại cấu trúc địa hình sóng cát đà đề xuất chia mực cấu trúc thuỷ lực xác định sau đây: 1)gợn; 2)các sóng cát nhỏ (gợn sóng); sóng cát vừa nhỏ (đụn cát, cồn cát, luống cát); 4) c¸c sãng c¸t lín (sãng c¸t – cï lao – 105 106 ... 89 Un 90 c r = n(n + 1 )( n + )a(1 − p) σ1 h1σ h2 + n(n + 1)a(1 − p)σ h2 K Tp1 + n(n + 1)a(1 − p)σ1 h1 K Tp2 U n (H + h1 )2 Un ( H + h2 )2 Un H (xem h×nh 3. 1 3) Tơng ứng vận tốc dịch chuyển cồn... thị nh hình 3. 16 xấp xỉ công thức: L1 = ,21C o HFr −1,1 víi ,07 < Fr ≤ ,5 ; L1 = 2 ,1C o H L1 / L2 = (3 .1 3) exp(− 3, 1Fr ) víi ,5 < Fr ≤ ,9 ; (/ g)Co2 (3 .1 4) Hình 3. 17 Hình thái học lòng sông với... theo m¸i d−íi qsN = (1 − p)σ N hN crN + qTpN = (1 − p)σ N hN crN + [ + (1 − p)σ N −1 hN −1 cr( N− 1) + [(1 − p)σ1h1cr1 ]Tp + qTp ]Tp + [(1 − p)σ N −2 hN −2 cr(N− 2) ]Tp + + (3 . 9) Lu lợng phù sa qua