CẤU TRÚC địa HÌNH LÒNG SÔNG

Trình bày tuần tự đầu tiên các khái niệm về địa hình lòng sông như là tổ hợp tương hỗ các sóng đáy, sóng cát, bãi vắt, mũi nhô và bãi cạn, vực sông và lòng thẳng với việc phân tích ảnh h

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

135

5.2 Tăng cường 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 lưu sông Terek bằng phương pháp tăng cường quá trình lòng sông

Mở đầu

Phân chia hình dạng lòng sông và hình dạng lòng dẫn như

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 trưng

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 như phân tích – chia đối tượng ra các

phần nguyên cũng như 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,

được hình thành bởi M A Velicanov [12] Nguyên tắc này xuất

hiện với tư tưởng áp dụng thực tiễn các công trình hiệu chỉnh

(hướng dòng, làm hẹp dòng v.v ) trên các sông Tây Âu vào các

thế kỷ XVIII – XIX và nước 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

tương 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 như là quá trình "sao chụp " bề mặt của môi trường rắn (tức là đất đá cấu tạo đáy) bởi các đặc thù chuyển động của nước và phù sa nó mang theo" Dùng ví dụ sự sao chụp như thế N I Macaveev dẫn ra sự thay đổi địa hình bề mặt phân cách hai môi trường (sóng Genmgolxa)

ý tưởng gần với tư tưởng của N I Macaveev nằm trong nền tảng mô tả cơ chế tác động qua lại của dòng chảy và lòng sông như là sự phát triển các khuâý động nhỏ đầu tiên của các đặc trưng 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 thước đặc trưng hình dạng lòng sông Phân tích các công trình này K V Krisanhin [21] lưu ý rằng phương 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 thước

cỡ độ sâu dòng chảy Tiếp theo đã làm rõ cấu trúc dòng chảy lòng sông với các kích thước đặc trưng cỡ chiều rộng dòng chảy

và hơn thế, bản chất vật lý của nó được lặp lại bởi các nhà

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 nước như 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 trường

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 phương 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 phương pháp phân tích tương quan và phổ

khi nghiên cứu cấu trúc dòng chảy và địa hình lòng sông Tuy

nhiên kết quả ứng dụng chúng thường 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 tương đối ổn định cũng như hình

dạng lòng dẫn thường 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 như 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 tượng 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 tương tác với các nhân tố lòng dẫn

khác, tức là tính đến cấu trúc của đối tượng 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 như là tổ hợp tương hỗ các sóng đáy, sóng cát, bãi vắt, mũi nhô và bãi cạn, vực sông và lòng thẳng với việc phân tích ảnh hưởng 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 được 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 hướng 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 được bổ sung và làm chính xác Hiện nay các tác giả khác nhau đã phân ra các mức cấu trúc như 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) lưu 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 hướng 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

được 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

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 phương quan sát thấy tính biến động lớn

về hình thái cũng như động lực các dạng lòng sông riêng biệt

cho nên cần tính đến ảnh hưởng 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 lưu vực và

đồng thời sự hình thành các cảnh quan đặc trưng và các hệ sinh

thái trong vùng ảnh hưởng 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

hướng 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 hướng thuỷ địa mạo và

địa lý ít chú ý hơn đến cấu trúc dòng chảy, nhưng địa hình lòng

dẫn sông ngòi được 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 chưa 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 hướng

đến việc gắn kết các hướng 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

nhưng cũng thử tổng hợp các kết quả nghiên cứu thuỷ lực và

địa lý của quá trình lòng sông

Chương1

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 tương 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 Như 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 tương 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

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 phương quan sát thấy tính biến động lớn

về hình thái cũng như động lực các dạng lòng sông riêng biệt

cho nên cần tính đến ảnh hưởng 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 lưu vực và

đồng thời sự hình thành các cảnh quan đặc trưng và các hệ sinh

thái trong vùng ảnh hưởng 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

hướng 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 hướng thuỷ địa mạo và

địa lý ít chú ý hơn đến cấu trúc dòng chảy, nhưng địa hình lòng

dẫn sông ngòi được 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 chưa 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 hướng

đến việc gắn kết các hướng 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

nhưng cũng thử tổng hợp các kết quả nghiên cứu thuỷ lực và

địa lý của quá trình lòng sông

Chương1

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 tương 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 Như 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 tương 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

qua lại của tổng thể" [56]

Về phần mình, hệ thống dòng chảy – lòng dẫn được coi là

một hệ nhỏ trong một hệ thống lớn hơn dòng chảy mặt – lưu vực

sông ngòi, là một phần của hệ địa lý Các quá trình xói mòn –

tích tụ trên lưu vực (một trong số đó là quá trình lòng sông)

thường gây ảnh hưởng 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 phương 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 (thường một

mức đẳng cấp xác định), trong phạm vi của nó gradient

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 dương

Với cấu trúc bậc xác định của địa hình lòng sông (trường hợp

phổ biến nhất) bề mặt so sánh gắn với hệ toạ độ của các bề mặt

dạng nhỏ là bề mặt lớn hơn

Thường với việc xử lý bằng tay các bản đồ tương tự của lòng

dẫn trong các đường 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 dương Chu trình phân tách tuần tự các sóng kích thước khác nhau (bậc) ra các mặt cắt dọc đã được soạn thảo khi phân tích địa hình sóng trong hạ lưu 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 thượng 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

Phương pháp tương tự được G A Alecxayev [2] sử dụng Trên mặt cắt đáy sông (đường 0) tách ra các điểm, nơi mà gradient thay đổi từ âm (không) sang dương Các điểm đặc biệt này đánh dấu đáy giữa hai sóng (hõm) Sau đó nối các đáy bằng một đường mềm mại I, nó đã loại bỏ các sóng nhỏ nhất trên đáy

sông ra khỏi tập các sóng lớn Sau đó trên đường I lại đánh dấu

các điểm, tại đó diễn ra sự thay thế gradient từ âm (không)

sang dương và nối các điểm bởi đường II Các đường I và II hạn

chế các sóng bậc cao hơn Chu trình mô tả trên được lặp lại cho

đến khi trên mặt cắt không còn lại điểm thay đổi gradient từ

âm (không) sang dương (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 thường 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 như vậy cần được làm rõ trước

khi tách các dạng địa hình sóng dương Nó được 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 đường 0 có thể trùng với các

đường I và II và hơn thế Trong trường hợp này chu trình đã mô

tả dẫn tới sự phân chia không có cơ sở các dạng địa hình dương

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 như trong phạm vi đường m có đoạn, tính linh động

của các điểm trên đó phân biệt với tính linh động trung bình

đường m

m t

tức là có lẽ đoạn đã cho thuộc đường m+k Kết quả

của việc phân tích như vậy có thể làm rõ cả ranh giới thạch học,

nhưng để làm điều đó cần phải thực hiện một loạt mặt cắt đáy

nhận được vào các thời gian khác nhau theo cùng một và chỉ

một đường Khi thiếu các số liệu như vậy đành phải sử dụng các thông tin chung về dạng xác suất các dạng lòng dẫn dương được tách ra Phương pháp mô tả một cách tự nhiên được phổ biến

đến việc phân chia các dạng bề mặt đáy với sự hiện diện của bản đồ địa thế vị tương tự của lòng dẫn bằng các đường 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 lưu; g – lồi; h – lõm; i – lượn; 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 lưu; 8 – đường trục; 9 – đường bờ không khép

kín; 10 – đường bờ khép kín; 11 – hướng dòng chảy

Đường (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 như là phần thấp nhất của thung lũng sông

ngòi , ngập nước, có thể chia ra các mức ngập khác nhau (mực

nước, lưu lượng nước) Khi đó nhiều bề mặt với mực nước cao

hơn là các bề mặt dạng lòng dẫn dương, với mực nước 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 được vẽ nên bởi đảo Các nhánh lòng dẫn có ít

nhất là một ranh giới kín, hai ranh giới hở là lòng phân nhánh

Thường dạng lòng dẫn mô tả thuận lợi không nhờ vào ranh

giới mà nhờ đường trục (với sự hiện diện các ranh giới kín –

đường) Xây dựng đường trục dẫn tới việc tìm kiếm khoảng cách

nhỏ nhất giữa các điểm ranh giới và dẫn đường trục qua trung

tâm các mẫu đó Nhận làm đường trục có thể sử dụng đường

tanvec hoặc là trục dòng chảy Trên các ranh giới hay đường

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 đường bị uốn cong và ngược lại Tại điểm uốn đạo

hàm

s

∂

∂ θ

– sự thay đổi góc phương vị θ 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

∂

∂ θ

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 đường uốn cong Các

điểm đầu và cuối thuộc ranh giới kín tương ứng với giá trị cực

đại và cực tiểu của toạ độ dọc trên thực tế đối với vòng tròn

Trên đường trục chúng ứng với các mép phân nhánh và hợp lưu

nằm trên và dưới 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 được mọi dạng hình thái có thể các nguyên tố lòng dẫn, một số đó được 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 lượng các dạng lòng dẫn có thể Chu trình

tách các dạng lòng dẫn cỡ khác nhau ít khác với chu trình tách

sóng ở trên Thường khi đó sử dụng đường trục Vậy nên,

Sinnok và Rao [133] đã phân tích các phương án đơn giản nhất

của dạng lòng dẫn – sông đổi hướng theo kinh tuyến Tách

đường bậc nhất – trục lòng dẫn biến đổi, đường bậc hai – nối các

điểm uốn của đường bậc nhất; đường bậc ba – nối các điểm uốn

của đường bậc hai v.v tiếp tục cho đến khi thu được đường đáy

sông Sự phức tạp chủ yếu của sự phân tách như vậy là khả

năng trùng các đường bậc khác nhau Để khắc phục điều đó

cũng như 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 đường cong và đường thẳng Các đường thẳng hình học

trong tự nhiên hầu như 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 hưởng 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 s / λ ≈ 1 , 15

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 trưng cho nguyên tố lòng dẫn (Hình 1.3)

Động lực học dạng lòng dẫn thường được 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 phương pháp đã dẫn để tách các dạng nguyên của địa hình lòng dẫn không trùng với các phương pháp được phổ biến rộng rãi trong phân tích địa mạo mô tả địa hình bằng các điểm

đặc trưng và các đường cấu trúc [94] Cần phải nhất trí với A

N Lastoskin [48] rằng các đường cấu trúc và các điểm đặc trưng của các dạng xác định cho phép mô tả đơn trị dạng địa hình bất kỳ Nhưng việc phân tách ở các nguyên tố bộ phận lòng dẫn mâu thuẫn với nguyên tắc tác động tương hỗ của dòng và lòng dẫn mà theo đó nguyên tố trong tổ hợp địa hình lòng sông tương 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 được 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 tương hỗ: trực tiếp, ngược lại, dương và âm Các quan hệ tương

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 như 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

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 trưng bởi sự biến đổi

tuần tự cao độ với các toạ độ thời gian và không gian tương 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 như 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 như các đối tượng được 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

phương pháp liên tục và rời rạc Trong khuôn khổ các phương

pháp rời rạc việc phân loại dựa trên việc lựa chọn các tham số

đặc trưng hình dạng lòng sông Các tham số dạng lòng sông hay

sử dụng nhất là chiều dài của chúng (bước) Phương pháp phân

loại theo dấu hiệu này có bản chất như sau [88]

Nhận được do kết quả tham số hoá chuỗi độ dài (bước)

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 xi

và phương sai D i của chúng Đối với mỗi cặp nhóm cạnh nhau i

và i + 1 tính chỉ tiêu sai khác – hệ thức F:

2 1 1

1

1 1

2

+ +

+

+ +

+

+ + + +

ư

ư +

=

i i

i i i i

i i i

i i i j

D n

D n n n

x x n

n n n F

F

xác định mức độ không trùng hợp của các nhóm được chia ở

giai đoạn tiếp theo các phân nhóm có F j cực tiểu được gộp vào làm một và chu trình được 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 như từ các giả thiết vật lý lựa chọn

i T i i

i

i i i i

n n m

m n n n n F

với x i – vectơ các giá trị trung bình các tham số x i ; H = S i + S i+1;

; x x n U U

S i = i i T ư i i i T U i – ma trận có các cột là các giá trị

tham số xi ; T – ký hiệu biến hoá

Mỗi nhóm dạng lòng sông liên kết được phân theo kiểu như vậy đặc trưng bởi tập hợp các tham số đo đạc hình thái (trong trường hợp này là các giá trị trung bình các tham số và phương sai của chúng), chúng đối với các dạng lòng sông cơ sở được coi như 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

Phương pháp liên tục hoá phân lớp các dạng địa hình lòng sông không đòi hỏi sự rời rạc hoá ban đầu – phân chia các

nguyên tố riêng rẽ mà dựa trên việc xử lý trường (hay nói cách

khác là chuỗi) các cao độ thẳng đứng của bề mặt (đường) thống

nhất Bước 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 được (hoặc các

tham số thay đổi liên tục khác như chiều rộng, diện tích mặt cắt

ướt, độ uốn trục lòng sông) được khẳng định bởi phân tích phổ

và tương quan Theo khoảng cách giữa các cực trị của hàm

tương quan và bước sóng tương ứng với cực trị của mật độ phổ,

xác định chiều dài (bước) của dạng lòng sông Hàm mật độ phổ

ngoài ra còn cho phép đánh giá phần trăm phương 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

được độ cao trung bình của các dạng đó

Nhờ một hàm mật độ phổ khó mô tả dạng địa hình lòng

sông có kích thước khác nhau lớn Tập trung vào một thể hiện

liên tục cao độ đáy để làm rõ các dạng có kích thước khác nhau

lựa chọn các đoạn có chiều dài khác nhau và phân loại chúng

với các bước khác nhau, xuất phát từ hướng dẫn đã nêu trên,

còn tiếp theo sau khi tiến hành phân tích phổ, trộn hàm mật độ

phổ tương ứng với các khoảng dao động độ dài Hệ thức độ dài

đoạn cần phải đạt sao cho độ dài đoạn của thể hiện được các

dạng lòng sông nhỏ nhất, không vượt 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 trường cao độ đáy; sự gần gũi

các bước uốn trong phân tích chuối độ uốn lòng sông Như vậy

xác định được các tham số đo đạc hình thái đặc trưng của liên

hợp các dạng lòng sông Thường các giá trị các tham số này không khác nhiều với các giá trị nhận được từ việc nhóm các dạng lòng sông bằng phương pháp rời rạc

Các phương 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 được tính chất của mỗi dạng trong

đó, ảnh hưởng của toàn bộ hệ thống lên dạng cụ thể này và ngược 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 đường 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 phương pháp phân tích phổ và phân tích tương quan thường

là con đường duy nhất do không thể rời rạc hoá các trường vận tốc trong thực tế

Tuy nhiên, phân tích phổ thường 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 trưng

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 phương, tương ứng với các nhóm hình dạng, trên nền phổ thường làm sáng tỏ một số vùng rộng lớn của bước sóng với các giá trị mật độ phổ gần nhau (Hình 1.4) Chúng được phân biệt một cách tương 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 được phân biệt rõ ràng như các bậc thang mật độ phổ Mỗi bậc như vậy có thể coi như 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 tượng 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 lượng 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 ST-nhỏ hơn

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 đưa 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

như 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" được N E Konđrachev [78] đưa

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 tương 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 đưa 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

được nhóm vào một liên kết dạng thứ nhất được 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 tương ứng với mức cấu trúc địa hình lòng sông của N E Konđrachev

Nhờ tập hợp các phương 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 thước và lượng nước 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 lượng các kiểu như vậy tăng vọt Đối với đối tượng nghiên cứu của chúng ta sô lượng cực đại đồng thời các kiểu tồn tại nhân cấu trúc dạng lòng sông là 8 ( Verkhnaia Obi, dưới hợp lưu của Bi và Katunhi)

Trong các tài liệu thường gặp các ý kiến rằng cấu trúc phức tạp của địa hình lòng sông, số lượng lớn và kích thước 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 như 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 hướng 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]

Như vậy, cấu trúc địa hình lòng sông đặc trưng 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 được xác

định bởi lượng các nhân cấu trúc và các mực cấu trúc được làm

rõ Quan hệ thang bậc trong tổ hợp địa hình lòng sông được

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 như 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 phương án phân chia

các nguyên tố với cách tiệm cận rời rạc đến sự phân tích tổ hợp

Tuy nhiên các phương 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 được các dạng nằm trên các

cộng đồng bậc thang do tổ chức nhân cấu trúc hoàn toàn tương

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 thường bao gồm các nhân cấu trúc như sau

(theo sự tăng dần kích thước): 1) mặt nước 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 được sử dụng trong các

ấn phẩm "lòng sông" (với các tần suất khác nhau), tuy nhiên

không thường 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

được 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, tương ứng với nó là xây dựng cả bậc thang Lòng sông được đặc trưng 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 thước chiều dài cỡ chiều rộng lòng sông [82]; 2) bắt đầu từ các dạng nhỏ nhất, lấy kích thước 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

Chương 2

cơ chế thành tạo các cấu trúc bậc

phức tạp của địa hình lòng sông

2.1 Cấu trúc dòng chảy rối

Sự tồn tại cấu trúc tựa tuần hoàn cực trong dòng chảy lòng

sông, kích thước của nó được so với độ sâu dòng chảy đã được M

A Velicanov [12] và N A Mikhailova [57] cùng cộng sự của họ

công bố Họ còn nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng đến sự

hình thành địa hình sóng trên đáy lòng sông bị bào mòn A B

Klaven [36, 37] đã chứng minh các cấu tạo phức tạp của các

xoáy này: các xoáy nhỏ nhất (kích thước cỡ độ sâu) kết hợp

thành xoáy lớn (chiều dài xoáy cỡ độ sâu lớn nhất)

Đo đạc nhiễu động vận tốc trong một khoảng thời gian dài

đã cho cấu trúc trường vận tốc với chu kỳ từ 10 – 15 phút [19],

chiều dài của nó được so sánh với độ rộng của dòng chảy N A

Mikhailova [58] và O P Petrosan đã nhận được các cấu trúc

như vậy trong dòng chảy thực nghiệm D I Grinvald và V I

Nhicora [17] đã mô tả một loạt các ví dụ các nhiễu động vận tốc

tần số thấp, cụ thể họ đã dẫn ra hàm mật độ phổ trong khoảng

tần số từ 10 –7

–100

rad/s đối với sông Dnhestr Cấu trúc tần số thấp nhất trên miền phổ rối với chu kỳ ~ 10 phút theo trật tự

chiều dài vượt quá độ rộng sông Dnhestr

Trên sông Terec sự đo đạc vận tốc được tiến hành bởi tác

giả (cùng với I.N Gurin) trên một mái hạ tương đối thẳng của

một đoạn lòng sông uốn gấp Để đánh giá cấu trúc dòng chảy trên một khoảng biến động tần số rộng nhờ các máy đo vận tốc nhỏ đã tiến hành hàng loạt đợt đo dài hơn 10 phút với việc ghi vận tốc từng 0,4 giây, nhờ máy lưu tốc GR–99, đo 2 giờ và ghi nhận vận tốc từng 10 giây và đo 16 giờ với ghi nhận vận tốc từng 600 giây

Hình 2.1 Hàm mật độ phổ của các nhiễu động tần số thấp của vận tốc

phân ra 3 vùng năng lượng xoáy kích thước ~ 1000 m (cỡ bước

đường cong của lòng sông), ~ 100 m (cỡ độ rộng lòng sông) và 3–

5m (cỡ độ sâu lòng sông) ứng với các đới này là các đoạn phổ có

sự thay đổi mật độ phổ (năng lượng dòng chảy) với số sóng tuân

theo quy luật (–5/3) Đó là các khoảng quán tính, nơi mà sự

truyền năng lượng theo bậc diễn ra không có tiêu hao

Trên sông Protva vận tốc đo bằng lưu tốc kế bé trong

khoảng 15 phút, trong khoảng 3,5 giờ bằng lưu tốc kế GR–99 và

trong khoảng 12 giờ – lưu tốc kế BPV –2r Tại đây cũng làm rõ

được cực trị mật độ phổ tương ứng với độ rộng của lòng sông

(Hình 2.1, 2)

K V Grisanhin [19] giả thiết rằng, các dao động tần số

thấp của vận tốc dòng chảy là hậu quả của sự thay đổi tần số

qua các xoáy chính tầm cỡ độ sâu dòng chảy D I Grinvald và

V I Nhicora [17] đã phân biệt đối với các xoáy này một khoảng

biến động thành tạo rối đặc thù (rối vĩ mô) và gắn nó với sự xuất

hiện với tính không ổn định của dòng chảy chính trong các quy

mô tương ứng V.V Kovalenco [40] bằng lý thuyết và thực

nghiệm đã chứng minh rằng dao động vận tốc tần số thấp là đặc

tính cho dòng chảy lòng sông trong miền đường nước rút của

mặt thoáng nước

Cho dù bản chất cấu trúc tương tự của dòng chảy như thế

nào đi nữa, kích thước của chúng, bậc độ sâu, chiều rộng dòng

chảy các thứ khác đều dịch chuyển dọc lòng sông với vận tốc

gần với vận tốc dòng chảy, và cực tiểu cỡ 3–5 lần lớn hơn so với

vận tốc xáo trộn dạng lòng sông Nhiễu động vận tốc dạng như

thế không thể là nguyên nhân hình thành địa hình lòng sông

Trong khí quyển và đại dương đã biết đến các cấu trúc xoáy

với các kích thước thẳng, thuộc cỡ lớn hơn chiều dày của tầng

bình lưu và độ sâu đại dương Vận tốc của các thành tạo xoáy

quy mô lớn (các hoàn lưu thuận và nghịch trong khí quyển, các

vòng uốn lớn của dòng chảy đại dương) nhỏ hơn vận tốc chuyển

động tạo nên các dòng chảy đó rất nhiều, tức là khá ổn định

a)

Hình 2.2 Trường vận tốc dòng chảy trên đụn cát trong lòng sông Niger vào

đầu (a) và cuối (b) đường lũ rút

1 – Điểm đo vận tốc ; 2– Đường đồng vận tốc; 3– Sự thay đổi vận tốc trung bình theo thuỷ trực dọc đụn cát; 4– sự thay đổi vận tốc đầu tiên (có ảnh hưởng của địa hình đáy) theo dọc dòng chảy; 5– mặt đáy; 6– cuộn xoáy dưới đụn cát

Theo bản chất của mình, chúng là các thành tạo xoáy vĩ mô,

tuân theo (với truyền tụng về quá trình hai chiều đang tồn tại)

quy luật nhận được từ rối quy mô nhỏ Các cấu trúc xoáy này

được nghiên cứu bằng phương pháp cơ học chất lỏng thống kê,

hơn nữa các kích thước lớn và các vận tốc dịch chuyển xoáy nhỏ

tương đối cho phép áp dụng không chỉ phân tích thời gian mà

còn cả phân tích không gian [6]

Trong dòng chảy sông ngòi các thành tạo xoáy ổn định đều

như thế được M A Velicanov [12] tách ra thành các chuyển

động thứ sinh và gắn chúng với hoàn lưu ngang trên đoạn dòng

chảy cong, dòng chảy sinh ra trên bãi vắt, các xoáy lớn với trục quay ngang và dọc (thí dụ, trên đoạn hội lưu) Các chuyển động này là thứ sinh so với dòng chảy nguyên thuỷ, nó mô tả bởi trường vận tốc trung bình Đối với một đoạn sông đồng nhất cụ thể vận tốc nguyên thuỷ là vận tốc trung bình theo dọc đoạn và trong khoảng thời gian mà trong dòng chảy của nó vận tốc trung bình này ít thay đổi Suy ra vận tốc thứ sinh có thể là vận tốc dòng chảy địa phương trung bình theo thời gian

b)

Trên sông Niger , trong thời gian trận lụt năm 1978 đã tiến hành trắc đạc trường vận tốc quanh đụn cát và cù lao Kích thước không lớn của đụn cát cho phép bỏ qua lực kháng Khi đó

ảnh hưởng của địa hình đến vận tốc dọc của dòng chảy trung bình theo thuỷ trực với điều kiện không thay đổi mực nước và

độ rộng của dòng cơ sở được mô tả bởi phương trình liên tục:

0

=

∂

∂+

∂

∂

x

U H x

H U

còn vận tốc ban đầu U 0 (đối với sự hình thành sóng cát) có thể

tính theo công thức:

(H )H q

Các tính toán đã chứng tỏ rằng (Hình 2.2), trong phạm vi sóng cát các vận tốc dòng chảy nguyên thuỷ giảm từ bụng sóng

đến đỉnh sóng và sau đó tăng lên, tức là tồn tại sự thay đổi vận tốc dòng chảy dạng sóng (tính rối cấu trúc) với bước sóng gần với bước hình thành sóng cát Trên miền suy giảm vận tốc diễn

ra sự tích tụ phù sa và hình thành sóng cát, nó làm thay đổi dạng của trường vận tốc ban đầu

Hình 2.3 Địa hình đáy

(a) vận tốc dòng chảy vào thời kỳ đỉnh lũ, b– vận tốc dòng chảy ban đầu sau khi

tính ảnh hưởng của địa hình và c– dòng chảy quanh cù lao

Trường vận tốc nguyên thuỷ rõ ràng nhất trên đụn cát được tách từ đầu đường lũ xuống; vào cuối lũ và vào thời gian cấu trúc sóng của trường vận tốc nguyên thuỷ chưa có

Trong vùng của cù lao lớn sông Niger ảnh hưởng của địa hình đến vận tốc dòng chảy thể hiện trong hệ quả chủ yếu của

sự tăng kháng trở khi giảm độ sâu Vận tốc ban đầu có thể tính nhờ công thức:

[ 5 3 ] ( 2 3 2/3)

tb / /

Trong xấp xỉ đầu tiên trường vận tốc trong cấu trúc dòng chảy tương tự như thế có thể tính được nhờ vào lý thuyết xoáy Karman [46] Nó không ít lần được sử dụng để mô tả động lực của sóng cát [20], hình thái và động lực của khúc uốn lòng sông [53, 87] Trường vận tốc trong đó tạo thành các dạng đáy, hình thành các đường xoáy, đối xứng qua đường đáy (Hình 2.4) Đối với dòng chảy có bề mặt nước tự do ít biến dạng, công thức đối với vận tốc dòng chảy nhận được bởi Rozenkhed [130]:

ưθ

ư+θ

+θΓ+

= ∞

id z

id z id z

id z bi U U

' '

1

1 1

b /(

a d );

b /(

) yi x (

1

θ – hàm Jacobian dạng thứ nhất; – vận tốc dòng chảy không xoáy

∞

U

Hình 2.4 Đường Karman của các xoáy đối xứng giới hạn (a) và sự hình

ư

=Γ

với q – lưu lượng nước riêng

Nếu trong miền vận tốc hạ thấp xảy ra sự lắng đọng phù

sa, thì tạo nên các sóng cát dạng elip, nằm ở dạng bất đối xứng (xem hình 2.4 b) Phụ thuộc vào vận tốc trầm tích phù sa tới

hạn u H cứ 3 xoáy tạo nên 4 sóng cát (với u H nhỏ), hoặc 2 sóng

cát (với u H lớn)

Sử dụng lưới Karman, chặn bởi các tường chắn, đối với các xoáy với trục đứng cho phép nhận được các sóng cát dạng elip trên bề mặt Các dạng này khác nhau phụ thuộc vào sự phân bố xoáy trên đường Karman – đối xứng hay bất đối xứng Sơ đồ

nguyên lý của các cuộn xoáy ổn định đều có thể hình thành

dạng địa hình đáy sóng cát đặt trên hình 2.5 Sự bất ổn định

của các cuộn xoáy này có thể dẫn đến sự hình thành các vòng

xoáy, bứt ra khỏi cấu trúc ổn định đều và trôi về phía bề mặt

dòng chảy, gây ra tính rối quy mô lớn

2.2 Phát triển các xáo trộn nhỏ trong dòng chảy lòng sông

Cơ chế cảm nhận trường vận tốc các cấu trúc xoáy trong

đáy bào mòn của dòng chảy, đã được Dj Đacxy [109], M A,

Velicanov [12], N I Macaveev [52] N.A Rdjanhixưn [73] mô tả

từ những năm 50 đã khám phá nhờ phương pháp xáo trộn nhỏ,

mà nó không lâu trước đó đã cho các kết quả cơ bản khi giải

quyết vấn đề chuyển từ chuyển động của dòng chảy phân tầng

sang chuyển động rối.Dùng phương pháp này cho phép về lý

thuyết dựa trên sự xuất hiện các pha phát triển địa hình lòng

sông với các chế độ dòng chảy khác nhau [117], tạo ra các mối

liên hệ của các tham số hình thái như là dạng vi địa hình [111]

cũng như dạng địa hình vừa [113] vào các đặc trưng thuỷ lực

chính Các kết quả chính nhận được nhờ phương pháp xáo trộn

nhỏ đã được phân tích không ít lần [21, 26, 90] Cho nên dừng

lại ở các công trình này, phát triển nó cho phép làm rõ mọi sự

đa dạng của các dạng địa hình lòng sông

Các công trình đầu tiên của nhóm này thuộc về Kallander

[107], Parker [128], Engelund, Skovgaard [112], Phredco [113]

Trong các công trình của Kallander, Parker và Phredco đã

phân tích phương trình thuỷ lực màng mỏng Saint – Vernant:

0

=ρ

τ+

∂

∂+

∂

∂+

Z g y

U V

τ+

∂

∂+

∂

∂+

V y

Z g y

V V

∂

∂+

∂

∂

t

H y

HV x

∂

∂+

∂

∂

t

Z y

q x

Trong các phương trình này, các vận tốc ngang và dọc U và

V, cao độ bề mặt nước tự do Z, cao độ đáy Z 0 , độ sâu H, ứng suất

đáy τo , lưu lượng phù sa theo phương dọc q s và ngang q b ở dạng tổng hai thành phần: trung bình và xáo trộn:

' u U

'

v V

' z Z

' o o

' h H

H= + ;

'

τ τ

τo = o+ ;

' s s

' b b

q = + ; Thế công thức (2.2) vào hệ (2.1) sau khi tính các phương trình để trung bình các số hạng và tuyến tính hoá (bỏ qua các thành viên chứa tích xáo trộn) dẫn tới hệ phương trình:

0

2 =ρ

τ

ưρ

τ+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

H

' h g H

' g x

' z g x

' u U t

τ+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

H U

' v g y

' z g x

' v U t

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

t

' h y

' v H x

' h U x

' u

∂

∂+

∂

∂

t

z y

q x

Xáo trộn các đặc trưng thuỷ lực W ' { u , v , h , z , z '0 ,τ, q ' s , q ' b }

trong xấp xỉ đầu tiên thể hiện dưới dạng các sóng hình sin dịch

chuyển theo dòng chảy với biên độ tăng dần theo thời gian

Phương trình (2.5) khảo sát từ các giá trị riêng Lời giải phụ

thuộc vào việc lựa chọn các điều kiện biên Kallander lấy điều

kiện biên là đẳng thức không tổng hợp biên độ xáo trộn cao độ

đáy bằng 0 tại bờ lòng sông Parker và Phredco – đẳng thức

đồng dạng biên độ xáo trộn vận tốc ngang dòng chảy bằng 0 ở

và các hàm thay đổi các đặc trưng thuỷ lực riêng ngang lòng

sông Ví dụ như sự xáo trộn vận tốc dòng chảy ngang v'được

viết bởi phương trình:

b /

Như vậy, định đề rời rạc hoá các tham số đo đạc hình thái

dạng lòng sông (trong mọi trường hợp các đo đạc trắc ngang)

phụ thuộc chuỗi tự nhiên m Suy ra từ công thức (2.7), khi m =1

τ

1 và k 2 Giải hệ thức phương sai là giải bài toán về tính ổn định của chuyển động Từ công thức (2.4) suy ra rằng sự tăng biên độ xáo trộn các đặc trưng thuỷ lực, tức là sự phát triển các dạng lòng

sông diễn ra với các giá trị như k 1 và k 2, khi mà phần nhỏ nhất

của vận tốc tổng hợp Im (c) >0 Nội trong khoảng số sóng khá

rộng thoả mãn điều kiện này, Kenedi [117] đề nghị tách số sóng

k 1M tương ứng với cực trị vận tốc tăng biên độ xáo trộn [k 1 Im(c)]

Giả thiết rằng các xáo trộn nhỏ của cao độ đáy với biên độ phát triển nhanh trở thành các dạng lòng sông có kích thước vượt trội

Trong các công trình của Kalander, Paker cũng như của

Egenlund và Skovgaard thu được quan hệ k 1 Im(c) = f (k 1) đối với

các giá trị m khác nhau Tất cả các quan hệ này đều có cực đại,

tức là coi như đối với dạng hình thái lòng sông, xác định bởi số

m, tìm được chiều dài và chiều rộng các dạng lòng sông chủ đạo Tuy nhiên khi đó chỉ định số m (dạng hình thái lòng sông) hoàn

toàn tuỳ ý, nó không bị chi phối bởi các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy Phân tích trọn vẹn nghiệm của hệ phương trình (2.3), áp dụng cho các công trình này chứng tỏ rằng cực trị

[k 1 Im(c)] tăng với sự tăng của m, tức là trong cùng một và chỉ

một điều kiện thuỷ lực, xác suất hình thành nhiều hơn các dạng nhỏ nhất ở các lòng sông phân nhánh lớn Thực tế, khi thực hiện các cách tiệm cận của Kalander và Paker nhận được sự thành tạo đồng đều theo xác suất các dạng lòng sông với các kích thước rất khác nhau (Hình 2.6)

A E Mikhinov [59] đã kịp làm sáng tỏ, trên nền sự phong phú các dạng lòng sông, các lớp địa phương các dạng lòng sông nhỏ Ông đã sử dụng hệ phương trình chuyển động của dòng chảy trên bề mặt của Bussinhesk với sự tính đến sóng trên bề

mặt thoáng của dòng chảy:

( )

02

1

2 2 1

3 2 2 2

2 1

3 2 1 3 1

3 2

1

3

2 1

3 2 2

1

3 1 2 2 1

3 1

2 2

1

1

1 2

1 2 1

1 1 1

∂

∂

∂+

∂

∂

∂+

∂

∂

∂+

+

+

∂

∂+

∂

∂α

ư+

∂

∂α+

∂

∂α

+

∂

∂

x x

H U x x

H U U x

H U

c

t x x

H U

t x

H U c t x

H c H H

H H

U x

U U x

U U

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

x

H U x

H U t

H

;

0

1 1

2 2 1

∂

∂+

∂

∂

t

Z q U

U x x

;(2.8)

; Fd d d c

; d

0 1 1

0 2

∫η η+

0

d

dF Fd

d d

0 3

d

dF Fd

Fd d

và toạ độ theo chiều ngang và dọc

Để nhận được phương trình chuyển động đối với thành

phần vận tốc ngang U 2 cần thiết trong phương trình thứ nhất

Tiếp tục, khi phân tích tính ổn định của các xáo trộn nhỏ A

E Mikhinov sử dụng các điều kiện biên là các giá trị 0 của xáo

trộn nhỏ của vận tốc ngang v' trên các biên dòng chảy và tương

ứng chấp nhận gải thuyết về cấu trúc ngang rời rạc của địa

hình lòng sông Dạng đầy đủ hơn của phương trình chuyển động

dẫn tới một dạng phức tạp hơn của hệ thức phương sai Trên các

hàm quan hệ k 1 Im(c) = f (k 1 ) đối với mỗi giá trị m nhận được 2

cực đại chỉ ra sự xuất hiện trên đáy sông 2 lớp sóng: ngắn (gợn)

và dài (chắn) mà A E Mikhinov [59] tương ứng liệt vào địa

hình đáy vi mô và trung bình

Khảo sát số hệ thức phương sai cho phép A E Mikhinov

[60] xây dựng quan hệ của các tham số đo đạc hình thái – bước

gợn L p và sóng cát L gr vào các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy,

sau khi đơn giản hệ thức phương sai thu được các quan hệ này ở

bản của sóng phát triển trên đáy dòng chảy trùng với trường

liên tục làm rõ từ phân tích hệ phương trình chuyển động bề

mặt Saint – Vernant Tuy nhiên sự hiện diện của các thành

phần tính đến bề mặt thoáng của nước dẫn tới sự xuất hiện trên

nền liên tục này các cấu tạo lòng sông có cấu trúc phân biệt rõ

ràng: sóng ngắn hai chiều với bước sóng cỡ độ sâu dòng chảy,

liệt vào dạng gợn sóng

Phân tích các công trình chính, trong đó khảo sát tính ổn

định các đặc trưng thuỷ lực dòng chảy của các xáo trộn nhỏ chỉ

ra rằng trong các phương trình càng tính đầy đủ chi tiết động lực dòng chảy và hình học lòng sông càng làm rõ hơn cấu tạo

địa hình lòng sông Xuất phát từ điều này viết phương trình thuỷ lực phẳng dạng hoàn chỉnh nhất do N.A Kartvelisvili [34] nhận được:

; gHj x

Z L

gH x

Z L U

dx U x L dx U U L x

dx U U L x L L

J dx

U U J

dx U U J dx d U U L x

dx d U U L L L x L dx U t J

dx d U x t L dx U x

L L L

dx U x

L L dx U U L x L L

dx U L L x L L dx U t

Z

Z Z

Z

Z

Z Z

Z

Z

Z Z

Z Z

x

Z

Z Z

x Z

Z

Z

Z Z

x Z

Z

Z

Z Z

Z

Z

Z Z

Z

o o

o o

o o

o o

o o

o o

o o

01

1

11

11

11

1

1 1

1 1

1

2 3

3

2 3 1 1 3 2 3 1 2

3 1 3 2 1 2 1

1 3

2 3 2

3 1 3 1 3 2 3 1 2

3 1 3 2 2 1 1 1 3 3 1

3 3 1

2

1 3

2 2 1

2 2 1

3

2 1 1

1 2 1 3 2 1

2 1 2 2

2 1

3

2 1 2 1 1 2

2 1 3 1

3

3 3

=+

∂

∂+

∂

∂+

⎭

⎬

⎫

∫+

+

∫+

∫

∂

∂+

2

2 1 1

1 2 2 1

=

∂

∂+

∂

∂

t

H x

HU L x

HU L L

01

2

2 1 1

1 2 2 1

=

∂

∂+

∂

∂

t

Z x

q L x

q L L L

Phương trình chuyển động đối với U 2 nhận được do việc

thay chỉ số 1 bằng 2 trong phương trình thứ nhất của hệ (2.11)

Khi đó

1 1

UU j

UU j

còn các đặc trưng thuỷ lực trung bình theo thuỷ trực ký hiệu

bằng dấu sao (*) Đối với các đặc trưng trung bình xét trường

hợp đơn giản nhất: chuyển động đều trong lòng sông thẳng với

các mặt cắt vuông góc, sau khi tính các thành phần trung bình

và tuyến tính hoá nhận được:

( )

02

1

1 2 2

2 1 2

1 1 1

1

1 1 1 1

1

=+

ư+

' h U g H C

u U

' h H

;

0

2

2 1 1

1

1

2 2 1 2

1

2 1

2

2

=+α

+

α

+

++

∂

∂+

u

U

H C

u U g x

' z g x

u U

t

u

* '*

*

o

'*

* '*

2 1

1 1

∂

∂+

∂

∂+

u H x

u H x

2 1

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

K Su x

u S x

u M t

Khi đó:

∂

∂+

x ' Z

Z Z

x '

o o

dx d U u x dx d u x t A

3 3

3 1 3 2 1

2 3 3 1

x ' Z

Z Z

x '

o o

dx d U u x x dx d u x t

A

3 3

3 1 3 2 1

2 3 3 2

1

1

= Lúc này giả sử rằng với độ cong của dòng nhỏ:

1 1

1dx dx

K x

L L

'

Để tích phân theo thuỷ trực các thành phần vận tốc dòng chảy người ta sử dụng các điều kiện biên trên mặt thoáng:

t

Z x

Z L

U x

Z L

U U

∂

∂+

∂

∂+

2 1 1

1 3

Sau khi tuyến tính hoá và trung bình theo không gian nhóm các đặc trưng thuỷ lực ta có:

1 1 3

x

' z U t

' z

u '

∂

∂+

u f

∂

∂

∂β+

∂

∂

∂β

1

3 3

2 1 2 1

3 2 1 1 2

3 1

x

' z U

x t

U x t

' z H

∂

∂

∂β+

∂

∂

∂

ưβ

=

2

2 1

3 3

2 1 2 1

3 2 1 2 2

3 1

x x

' z U

x x t

' z U

x t

' z H

3 3

x o

o

dx d f f

3 3 2

3 3 2 2

Đối với thành phần vận tốc dọc U1, tập trung sử dụng phân

bố thuỷ trực bậc thang, khi đó f0 ≈1.0 Dạng phân bố thuỷ trực

thành phần vận tốc hình thành nên các xoáy cơ bản hoàn toàn

chưa được nghiên cứu Các thành phần vận tốc ngang và dọc

hình thành nên các xoáy ổn định đều trên các đường của

Karman trong các không gian xoáy tầm trung đặc trưng bởi các

cực đại ở đáy và giảm nhanh tới bề mặt dòng chảy, có nghĩa là

phân bố của chúng về chất phù hợp với phân bố nhiễu động rối

của vận tốc dòng chảy Theo số liệu của công trình [23],

3 2

3

3 1

++

ư++

n n , n

n , dx Fd

3

3 2

++

ư++

=

∫ ∫ ξ

=α

n n n

n n , n

n , dx Fd f

Z

Z Z

x

o

Để đơn giản hệ (2.11) sẽ bỏ qua tính uốn của lòng sông, khi

đó K = 0 Xáo trộn độ cong của đường dòng có thể tính được khi

sử dụng công thức của I L Rozovski [74]:

( )U H / u '

++

++κ

=β

n n

n n

Như V M Liaxkher [51] đã dẫn, khi trung bình theo thuỷ trực các phương trình chuyển động dòng chảy mất đi các chi tiết cấu trúc nội ba chiều của chúng, ví dụ như hoàn lưu ngang Dẫn công thức Rozovski vào phương trình chuyển động mặt trong dạng Kartvelisvili (2.11) bổ sung thiếu sót này ở mức thực nghiệm Sau khi thế vào hệ (2.13) các biểu thức (2.16) và (2.17)

và công thức đối với xáo trộn các đặc trưng thuỷ lực:

3A+b B '+c P+d T=

0

4 4

4A+b B '+d T =

2 2

1 1

1 1 1

H C

U g ik U a c

ik

a

o

++

3 1 3

2 1

3 1 2 1 2 3 1 1 1

1

1

2

H C

U g c ik H

U

ik H U c ik H U c Hik gik

ưβ+

U g c ik H

U d

o

2

2 1 1

1

H C

U g H

U ik

U c

ik

b

o2

1 1

1 1 2 1

2 1 3

2 1

2 1 2 1 2 2 1 1

a d b a d b a b d a d b

c

a d c a d c d a c a d c

ư

ư

=

Khác với các công trình [ 60, 115, 128], trong chuyên khảo

này sẽ xét đến dạng chung nhất của các điều kiện biên đối với

xáo trộn vận tốc ngang trong dòng chảy, bỏ qua các giá trị hữu

hạn tại các bờ dòng chảy

dB

2 2

0 =ư

Dạng điều kiện biên như vậy cho phép xem xét không chỉ

các quá trình thành tạo các dạng lòng sông ở các lòng sông thẳng với các bờ không bị xói lở mà còn cả các quá trình trong các dòng chảy với các bờ bị xói Hệ quả quan trọng thứ hai của việc dẫn điều kiện biên (2.22) là đối với bài toán biên đồng nhất dạng thứ ba trong phương trình (2.20) mỗi giá trị λ là đặc thù Hàm đặc thù có dạng:

( )x2 ~ cos[ (x2 b /2) ]

với

( ) (2 )2 2

2.3 Cấu trúc địa hình lòng dẫn sông ngòi

Tiến hành phân tích các hệ thức nhận được đối với việc phân chia các vùng phổ thành tạo lòng sông , trong đó biên độ xáo trộn các đặc trưng thuỷ lực tăng dần theo thời gian

Đối với việc đó ta mở biểu thức (2.21) có tính đến hệ thức (2.24) và nhận được biểu thức phương sai ở dạng phương

trình đại số bậc bốn tương ứng với vận tốc tổ hợp c

0 ) Im( c >

05 4

2 3

3 2

4

1c +A c +A c +A c+A =

Giá trị các hệ số A i cho ở phần phụ lục

Phương trình này có 4 nghiệm Như A E Mikhinov [59] đã chứng minh, giải phương trình (2.25) chứa 3 dạng sóng: 1) sóng tịnh tiến và hồi quy với vận tốc dịch chuyển 2) sóng thẳng với vận tốc dịch chuyển và 3) sóng thẳng với vận tốc dịch chuyển .

; U ) c Re( >> 1

; U ) c

U ) c Re( << 1

Hai lớp sóng đầu tiên không thể tách khỏi đáy dòng chảy

dưới dạng các dạng lòng sông do vận tốc dịch chuyển dọc của

chúng lớn Đó là xáo trộn dòng chảy mà chúng có thể tạo nên

phần phổ rối quy mô lớn của dòng chảy lòng sông Lớp sóng thứ

ba – hầu như là xoáy ổn định đều Chính các sóng này thường

được xét khi phân tích sự thành tạo địa hình lòng sông

Nghiệm giải tích của phương trình (2.25) thậm chí sau khi

giản lược hạ bậc mũ của chúng đến 2 (với việc lọc hai lớp sóng

ban đầu), vẫn rất cồng kềnh và không rõ nét Cho nên đã tiến

hành khảo sát số lời giải của phương trình đầy đủ (2.25) trong

khoảng dao động lớn của số sóng k1 và k 2, các đặc trưng thuỷ

lực dòng chảy U 1 , H, D, C 0 , β, n, các công thức khác nhau để

tính toán lưu lượng phù sa qs Khi đó người ta chọn nghiệm của

phương trình (2.25) gắn với sóng lớp thứ ba với vận tốc xáo trộn

cực tiểu Re(c) Phổ hai chiều (theo L1 và L2) của vận tốc tăng

biên độ xáo trộn các đặc trưng thuỷ lực (Hình 2.8 và 2.9) với mọi

sự khác biệt của các nhân tố xác định bảo toàn các đặc điểm sau

đây

1 Xáo trộn với độ rộng , khi , đặc trưng

bởi các giá trị âm của vận tốc tăng biên độ

sự kết hợp của các tham số đo đạc hình thái tương tự không

xảy ra

2 Trong khoảng biến động rộng của bước sóng L1 và độ

rộng L2 của chúng vận tốc tăng biên độ xáo trộn dương:

0

>

)

c

Im( có nghĩa là các xáo trộn này không ổn định, phát

triển theo thời gian và xác định sự hình thành địa hình lòng

sông

3 Phổ các đặc trưng thuỷ lực của các xáo trộn phát triển

mà xác định sự hình thành địa hình lòng sông, liên tục từ L1

đến L2

4 Theo hướng dịch chuyển dọc dòng chảy (theo dấu hiệu

Re(c) trường các xáo trộn không ổn định (dạng lòng sông) được

chia ra thành hai phần: a) miền sóng, dịch chuyển với vận tốc

10–3

– 10–5

U1 xuống dưới theo dòng chảy với L1 < L1 kr Vận tốc

dịch chuyển hạ xuống với sự giảm L2 và tăng L1; b) miền sóng, dịch chuyển với vận tốc 10–3

– 10–4

U1 về phái trên theo chiều

dòng chảy với L1 > L1 kr và L2 > L2kr Vận tốc dịch chuyển tăng

với sự ătng của cả L1 cũng như L2

5 Phổ các xáo trộn không ổn định dịch chuyển xuống dưới theo dòng chảy có cấu trúc bên trong ở đây có thể chia: a) miền xáo trộn sóng ngắn hai chiều với cực trị vận tốc tăng biên độ rõ nét khi bước sóng cỡ độ sâu dòng chảy So sánh với dải sóng cát nhỏ nhất (gợn sóng) trên đáy hai dòng chảy lòng sông; b) miền thành tạo lòng sông ba chiều trong khoảng biến động lớn của bước sóng đến Cực trị diễn ra trên khoảng phổ hai chiều với đối với sóng cát nhỏ và đối với sóng cát trung bình So sánh với các sóng cát trung bình và nhỏ khác nhau; c) miền thành tạo lòng sông bước sóng dài ba chiều trong khoảng biến động bước sóng cỡ với cực đại vận tốc tăng biên độ biểu hiện rõ ràng So sánh với các sóng cát lớn trong lòng sông; d) miền xáo trộn sóng dài ba chiều dịch chuyển lên trên theo dòng chảy đặc trưng bởi độ dãn lớn ( và cực trị vận tốc tăng biên độ thể hiện yếu So sánh với các dạng lòng sông ít được nghiên cứu – sóng cát rất lớn

Hệ phương trình thuỷ lực mặt phẳng Saint – Vernant (2.1)

và Bussinesk (2.8) là các phương án đơn giản của hệ đầy đủ (2.11) Phân tích các nghiệm của chúng đến sự ổn định theo quan hệ với xáo trộn nhỏ dẫn tới việc đơn giản hoá tương ứng hệ thức phương sai (2.25): trong phương trình Bussinesk β=0; còn trong phương trình Saint – Vernant – β=β1 =β2 =β3 =0.

Hình 2.8 Phổ hai chiều của vận tốc tăng với biên độ xáo trộn nhỏ cao trình

đáy lòng sông khi giải phương trình chuyển động mặt của dòng chảy

tăng biên độ sóng xáo trộn lớn nhất; 8– đường độ rộng sóng cát lớn nhất L2kr ; 9–

ranh giới sóng với vận tốc âm và dương chuyển theo dòng chảy bước sóng L1kr

Phân tích số các phương trình này chứng tỏ rằng không tính đến trong phương trình Bussinnesk độ cong đường dòng trên mặt dẫn tới sự hao hụt thông tin về các sóng cát lớn và một vài sự biến hình của phân bố vận tốc tăng biên độ của sóng cát nhỏ và trung bình Chỉ các gợn sóng, phụ thuộc yếu vào sự tạo hình của dòng chảy trên bề mặt được mô tả bằng các phương

trình đơn giản cũng như phức tạp, đầy đủ Không tính đến

trong các phương trình Saint – Vernant sóng bề mặt thoáng dẫn

đến sự mất thông tin về các gợn sóng Tính trọn vẹn bị suy giảm

ngay cả tính cấu trúc của phổ liên tục các thành tạo lòng sông

và làm cho việc làm sáng tỏ các lớp riêng biệt các dạng lòng

sông là không thể

Chương 3

Hình thái học, động lực học và ảnh hưởng qua lại các nguyên tố cấu trúc của địa hình lòng sông

Cấu trúc bên trong của hệ thống dòng chảy – lòng sông , phức tạp và bậc thang có chính đặc trưng là giữa các nguyên tố của địa hình lòng sông tồn tại chỉ có quan hệ hình thái và thiếu hẳn các quan hệ trực tiếp và nhân quả Mọi tác động của một nguyên tố tổ hợp dạng lòng sông đến nguyên tố khác (trên cùng một bậc thang cũng như trên các bậc thang khác nhau) diễn ra qua các nguyên tố cấu trúc dòng chảy như là phần căn bản trong hệ thống dòng chảy – lòng sông Cho nên khi xem xét trong tương lai quan hệ tương hỗ của hoạt động kinh tế học và

động lực học các dạng lòng sông khác nhau và tập hợp của chúng sẽ có kiểu là các ảnh hưởng qua lại này bị trung bình hoá, và thế nên các tính chất của nó với cùng một hình thái học

và động lực học của dạng địa hình đang xét, về tổng thể hoàn toàn không đơn trị do bản chất ngẫu nhiên truyền tác động của cấu trúc dòng chảy Mức độ không đơn trị này giảm với sự tăng cốt lõi cấu trúc dòng chảy và cấu trúc địa hình lòng sông Kinh nghiệm nhiều năm áp dụng các phương pháp hình thái học để phân tích động lực địa hình lòng sông khẳng định ở mức độ cao tính cốt lõi đó Tuy nhiên trong mỗi trường hợp cụ thể vấn đề này đòi hỏi sự xem xét kỹ lưỡng hơn

trình đơn giản cũng như phức tạp, đầy đủ Không tính đến

trong các phương trình Saint – Vernant sóng bề mặt thoáng dẫn

đến sự mất thông tin về các gợn sóng Tính trọn vẹn bị suy giảm

ngay cả tính cấu trúc của phổ liên tục các thành tạo lòng sông

và làm cho việc làm sáng tỏ các lớp riêng biệt các dạng lòng

sông là không thể

Chương 3

Hình thái học, động lực học và ảnh hưởng qua lại các nguyên tố cấu trúc của địa hình lòng sông

Cấu trúc bên trong của hệ thống dòng chảy – lòng sông , phức tạp và bậc thang có chính đặc trưng là giữa các nguyên tố của địa hình lòng sông tồn tại chỉ có quan hệ hình thái và thiếu hẳn các quan hệ trực tiếp và nhân quả Mọi tác động của một nguyên tố tổ hợp dạng lòng sông đến nguyên tố khác (trên cùng một bậc thang cũng như trên các bậc thang khác nhau) diễn ra qua các nguyên tố cấu trúc dòng chảy như là phần căn bản trong hệ thống dòng chảy – lòng sông Cho nên khi xem xét trong tương lai quan hệ tương hỗ của hoạt động kinh tế học và

động lực học các dạng lòng sông khác nhau và tập hợp của chúng sẽ có kiểu là các ảnh hưởng qua lại này bị trung bình hoá, và thế nên các tính chất của nó với cùng một hình thái học

và động lực học của dạng địa hình đang xét, về tổng thể hoàn toàn không đơn trị do bản chất ngẫu nhiên truyền tác động của cấu trúc dòng chảy Mức độ không đơn trị này giảm với sự tăng cốt lõi cấu trúc dòng chảy và cấu trúc địa hình lòng sông Kinh nghiệm nhiều năm áp dụng các phương pháp hình thái học để phân tích động lực địa hình lòng sông khẳng định ở mức độ cao tính cốt lõi đó Tuy nhiên trong mỗi trường hợp cụ thể vấn đề này đòi hỏi sự xem xét kỹ lưỡng hơn

3.1 Gợn sóng (sóng cát nhỏ nhất)

B Ph Snhisenco [91] gọi gợn sóng là các dạng đáy với bước

sóng đặc trưng cỡ độ sâu dòng chảy Richads [129] phân ra các

dạng tương tự dưới tên gọi là gợn sóng mega Như vậy, gợn sóng

được hiểu là các sóng cát nhỏ nhất, kích thước của nó phụ thuộc

vào độ sâu dòng chảy

Khảo sát tính không ổn định của dòng chảy và lòng sông

theo quan hệ với khuấy động ban đầu chứng tỏ rằng thuộc

phạm trù này bao gồm các sóng cát hai chiều, kích thước của

chúng được xác định bởi sự hiện diện sức kháng đáy và sóng

trên mặt thoáng của dòng chảy Xuất phát từ điều này có thể

đơn giản hoá hệ phương trình (2.19) để nhận được lời giải giải

tích cho độ dài của gợn sóng Tính hai chiều của gợn sóng cho

phép bỏ qua độ cong của đường dòng và các tham số thuỷ lực

U g U

a

o2 1

1 1

1

1 =α ư2 ; c1 = gưU12Hβ3k12;

H

a3 = ; c3 =U1ưc; d3 =ưU1 +c; a4 =M; d4 =ưc

Sau khi loại các biến A, P, và T, sự phân chia các vận tốc tổ

hợp ra phân thực và phần ảo và bỏ qua các số hạng nhỏ thu

được quan hệ phương sai:

2 1 2

1 2 2 1 3 2

1

2 1

2 1

k H C

U g M k H U H g U

g k H U c

Im

o

β+

ưα

ưβ

=

Điều kiện Im( c )>0– tăng biên độ xáo trộn theo thời gian –

được thực hiện khi

Fr H

L p <2π β'3với β'3 = β3

Bước sóng, mà đối với nó vận tốc tăng biên độ xáo trộn cực

Biểu thức này chính xác hoá công thức (2.9) nhận được bởi

A E Mikhinov [60] trên cơ sở các giả thuyết gần đúng

Hình 3.1 Gợn sóng hai chiều trong lòng sông Lêna tại trạm Mokhsogolokh

Gợn sóng là một trong những hạng phổ biến nhất của các dạng đáy Khảo sát chúng tiến hành trên sông Niger ở khoảng

độ sâu H = 2,0 20,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,6 1,7m/s,

đường kính hạt trung bình D = 0,7 0,8 mm; trên sông Obi với

H = 2,0 5,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,6 1,0m/s, đường kính hạt trung bình D = 0,7 2,0 mm Trên sông Lêna H = 3,0

7,0 m, vận tốc dòng chảy U = 0,8 1,5m/s, đường kính hạt

trung bình D = 0,25 mm

Gợn sóng là dạng đáy hai chiều Thân của chúng thuộc sống

cắt hướng dòng chảy một khoảng vượt quá bước gợn sóng dọc

dòng chảy Ví như trong lòng sông Lêna tại trạm Mokhsogolokh

(Hình 3.1), bước gợn sóng theo dòng chảy là 5 – 10 m, còn đường

sống trải dài từ 200 – 300 m Thường đường sống của gợn sóng

cong, hơn thế bước của khúc uốn này gần với bước của gợn sóng

dọc theo dòng chảy nhờ nó mà hình dạng mang dáng dấp ba

chiều Nhưng thậm chí trong cả trường hợp này các gợn sóng

cũng tách bạch song song từng dải với nhau theo mặt cắt ngang

Trong mặt cắt dọc gợn sóng đặc trưng bởi dạng elip với các

mái dốc trên và dưới Mái nghiêng trên thường dài hơn mái

dưới – trên sông Obi khoảng 70% trường hợp hệ số bất đối xứng

của gợn sóng (LB–LH)/L là dương Khi đó bất đối xứng dương của

gợn sóng không lớn, 30% các gợn sóng như thế hầu như là đối

xứng – LB /L H = 1,0 1,19, thêm 30% – LB /L H = 1,2 1,59, chỉ

còn gần 40% gợn sóng thực sự bất đối xứng LB /L H > 1,6; Những

nếu tại các gợn sóng quan sát thấy bất đối xứng âm ( độ dài mái

dưới LH dài hơn) thì nó lại biểu thị một cách rõ ràng (LH /L B >

1,6) ở một nửa các gợn sóng như vậy, còn dạng gần với đối xứng

(LH /L B < 1,2) quan sát thấy chỉ có 10% các trường hợp

Đường cong phân bố độ dài gợn sóng (Hình 3.2) theo đề

xuất của Saire [124] thường mô tả bởi phân bố gama dạng:

Hệ số α và β liên quan tới độ dài trung bình gợn sóng L p

và phương sai của chuỗi σ2L bởi hệ thức sau:

Γβα

=σ

a– 11.07.85 bãi vắt Ust–Pesanưi; b– 13.07.85 nhánh Rưbaxkaia

Trong trường hợp này đường cong phân bố độ dài gợn sóng mô tả bởi hàm với một tham số – chiều dài trung bình gợn sóng Kiểm tra tính ứng dụng của công thức (3.1) để tính toán L p

tiến hành theo số liệu gốc và khảo sát thực nghiệm Tương quan độ dài gợn sóng trung bình của đo đạc và tính toán trong

khoảng vận tốc dòng chảy U = 0,1 2,5m/s; độ sâu H = 0,001 20,0 m, và đường kính phần tử hạt D = 0,2 2,0mm – lấy

trung bình, hệ số tương quan r = 0,66 (Hình 3.4) Bỏ các giá trị

chi phối như là độ chính xác xác định độ dài gợn sóng đối với các

điều kiện tự nhiên cũng như đại lượng biến xác định bởi

phân bố vận tốc thuỷ trực của vận tốc thành phần dòng chảy

Giá trị trung bình tính được nhờ công thức (3.1) theo số liệu

độ dài thực tế của gợn sóng là 0,73 và không khác mấy với giá

Hình 3.3 Quan hệ của độ dài trung bình L (a) và độ cao h (b) gợn sóng (1)

đụn cát (2) và ngưỡng chắn (3) với độ lệch quân phương trung bình của độ

dài và độ cao các dạng đáy trên

giá trị lý thuyết là 0,55 Các giá trị rời rạc khác với trung

bình 2 lần hoặc hơn Sự phân tán lớn các giá trị của hệ số

dẫn tới việc giảm mạnh độ chính xác của tính toán theo công

UH ,

cũng cho các kết quả xấp xỉ Tuy nhiên công thức (3.1) có ý nghĩa lớn đối với việc tìm hiểu cơ chế hình thành gợn sóng và tạo nên khả năng tăng độ chính xác của tính toán khi triệt tiêu tính không xác định trong các tham số

Phân tích nghiệm hệ (2.19) chứng tỏ (xem hình 2.8) rằng trên đoạn hội tụ các miền phát triển gợn sóng và các sóng cát nhỏ tạo nên các cực đại địa phương Độ dài tương ứng với các cực đại đó mô tả bởi công thức (3.1) với hệ số = 1,2 Các gợn sóng ba chiều như vậy khá phổ biến ở lòng sông Terek dưới cửa sông Sundji Chúng cũng nhận thấy ở lòng sông Niger nhưng không tạo thành ở đó các mảng lớn Các tài liệu thực tế chứng tỏ rằng bước gợn sóng ba chiều khoảng 2 lần lớn hơn bước gợn sóng hai chiều

(3.5) Các hệ số àvà λ quan hệ với h p và bằng hệ thức

Số liệu khảo sát hiện trường và thực nghiệm chứng tỏ sự biến đổi ít của

hệ số biến đổi độ cao gợn sóng, giá trị trung bình của nó

1/2(

p h

cm

C vh ≈0,5 (xem hình 3.3 b) Khi đó đường cong phân bố độ cao gợn sóng, và cũng như độ dài được xác định bằng một tham số –

độ cao trung bình của gợn sóng

Xấp xỉ tuyến tính trong lời giải phương trình thuỷ lực bằng

Hình 3.4 Quan hệ chiều dài gợn sóng thực tế Lp và chiều dài tính theo các

công thức : a– (3.1); b– (3.3)

Hình 3.5 Phụ thuộc độ cao h của gợn sóng và đụn cát vào các nhân tố xác

định – độ sâu H, vận tốc dòng chảy U và vận tốc không xói lở UH

phương pháp xáo trộn bé không cho khả năng thu được biểu thức cho độ cao gợn sóng Các cách tiếp cận phi tuyến trong lý thuyết này còn chưa được soạn thảo đầy đủ Tuy nhiên một số lượng lớn các số thiệu thực nghiệm và khảo sát của Ialin, Karakhan [139], V K Debonski, L D Kogan, N A Mikhailova [22] cho phép giả thiết xấp xỉ sau về phụ thuộc của độ cao gợn sóng vào các đặc trưng thuỷ lực:

p

U

u U b exp gH

u U a H

h

Đối với gợn sóng sông Lêna các hệ số a và b tương ứngbằng

1,6 và 0,5 (Hình 3.5) Tính chất ngẫu nhiên của phân bố độ cao

và chiều dài gợn sóng chi phối quan hệ xác suất giữa chúng với khoảng biến động lớn các giá trị độ cong của gợn sóng (Hình 3.6)

L

h /

Hình 3.6 Quan hệ giữa độ cao h và chiều dài L của gợn sóng (a) và đụn cát

(b) trên sông Lêna

Một tham số quan trọng là độ cong trung bình của mái dưới

gợn sóng Đối với thượng nguồn sông Obi giá trị này

không vượt quá 0,4 (góc nghiêng của mái 20

H

h /

0), còn giá trị mod là 0,1 – 0,15 (góc nghiêng của mái từ 6 – 90

) Đây là các giá trị trung bình của mái nghiêng dưới với lát cắt mái nghiêng elip, ở

phần trên của lát cắt uốn cong nhỏ hơn giá trị trung bình còn

mái dưới – lớn hơn nhiều

Các gợn sóng được hình thành trong các máng thí nghiệm

với các độ sâu của dòng chảy tương đối nhỏ H/h p = 2…10,

thường có dạng tam giác với mái nghiêng dưới cong gần với độ

cong của góc mái nghiêng tự nhiên Hình dạng gợn sóng như

vậy không đặc trưng đối với các sông lớn, nơi giá trị H/h p

thường vượt quá 200 – 700

Dạng các đường cong phân bố đối với các tham số đo đạc

hình thái của các gợn sóng được chọn từ tiên đề về tính chất của

quá trình ngẫu nhiên, tính chất hình thành chúng Phân bố

gama với C const mô tả các quá trình nhiễu động, trong đó

bao gồm cả sự nhảy cóc các phù sa đáy Phân bố Veibull –

Gnhedenco xuất hiện như là phân bố giói hạn của cực đại Phân

bố độ cao gợn sóng cũng mô tả khá tốt bởi phân bố gama Rõ

ràng, có thể đạt đến sự trùng hợp tốt hơn của các đường cong lý

thuyết và thực nghiệm khi sử dụng các phân bố với 3 – 4 tham

số

v =

Sự thay đổi hình thái các gợn sóng với sự dịch chuyển về

phía dưới của nó theo lòng sông đã được nghiên cứu trên lũ

xuống năm 1985 tại Obi dưới đoạn nhập các sông Bii và

Katunhi Trong vùng nhờ các phao thả cách nhau từ 20 – 30 m,

có định các profile dọc chiều dài 70–100m Điều này cho phép

với độ chính xác đủ để chuyển từ mặt cắt dọc này sang mặt cắt

khác nhờ máy hồi âm đo từng giờ, 10 –12 lần một ngày Trên

các mặt cắt theo thời gian của băng hồi âm không khó khăn để

xác định vị trí các gợn sóng này hoặc kia theo trật tự thời gian Các đo đạc hiện trường chi tiết tương tự chứng tỏ rằng các giá trị trung bình của các tham số đo đạc hình thái gợn sóng

(chiều dài Lp; độ cao hp; bất đối xứng và độ cong )

và phương sai của chúng ít thay đổi theo thời gian với các đặc trưng thuỷ lực không đổi Đồng thời hình thái học nhân sinh của một số gợn sóng cụ thể thay đổi mạnh dưới ảnh hưởng của nước thải công cộng nhân tố ngẫu nhiên (Hình 3.7)

B

H / L

Hình 3.7 Sự thay đổi các hệ số tương quan r chuỗi độ dài (1), độ cao (2),

độ cong (3) và bất đối xứng (4) của cùng một gợn sóng trên sông Obi khi

tăng khoảng thời gian t giữa các điểm đo độ sâu

Các hệ số tương quan cặp chuỗi các tham số hình thái của

một gợn sóng trong các thời điểm khác nhau giảm nhanh với sự

tăng thời đoạn tách các chuỗi đó Đối với thời đoạn 2 giờ (1,5 chu

kỳ gợn sóng τ) các hệ số tương quan đối với độ cao và chiều dài

gợn sóng giảm đến 0,4, còn đối với độ cong và bất đối xứng – đến

0,3 Sự thay đổi lớn như vậy của hình thể dạng đáy cho sự xác

định vị trí các gợn sóng kém tin cậy qua các thời đoạn dài Sự

phân tích như vậy đòi hỏi việc lặp lại đo sâu đáy không ít hơn

một lần một giờ Đối với chu kỳ 6 giờ (4τ) các hệ số tương quan

đối với chuỗi độ uốn cong và bất đối xứng đi qua điểm 0, còn đối

với thời đoạn 8–9 giờ cũng đi qua điểm 0 cả các hệ số đối với

chuỗi độ cao và chiều dài Nói cách khác, cho một thời đoạn như

vậy đã xảy ra sự biến hình trọn vẹn các gợn sóng cụ thể khi bảo

toàn các đặc trưng hình học trung bình toàn bộ tổ hợp dạng đáy

Đường cong phân bố các tỷ số cặp độ cao nằm dưới gợn sóng

với độ cao nằm trên gợn sóng chứng tỏ rằng mọi cặp gợn sóng

phân ra hai nhóm (Hình 3.8a): 1) độ cao gần bằng nhau – tỷ số

trung bình 10; 2) cao độ gợn sóng khác nhau rõ rệt

Khi đó ở trong nhóm đầu tiên gồm các gợn sóng cực nhỏ, độ cao

nhau, chỉ ra sự hiện diện của sự ảnh hưởng qua lại của các gợn

sóng cạnh nhau Cặp các gợn sóng lớn thậm chí cùng xuất hiện

nhanh chóng bị phá vỡ Khi gợn sóng to nằm trên gợn sóng nhỏ

thì tăng độ bền vững của gợn sóng bé trong bóng của gợn sóng

lớn: đối với các gợn sóng nhỏ về tổng thể phương sai hiệu độ

cao một và chỉ một gợn sóng vào các thời điểm sát nhau (sau 1

giờ) là 0,00255, đối với các gợn sóng nhỏ nằm dưới gợn sóng to

=0,00117 (sự khác nhau của phương sai tuân thủ chỉ tiêu F

với độ tin cậy 95%) (xem hình 3.8b)

Lý thuyết không ổn định tuyến tính của các xáo trộn nhỏ chỉ ra rằng (xem hình 2.8) trong khoảng biến động bước sóng giữa gợn sóng và các sóng cát lớn là một miền rộng các dạng đáy

ba chiều mà trong phạm vi của chúng không có một hay vài cực

đại thể hiện rõ Xác suất gần nhất chuyển bất kỳ trong số xáo

trộn của chúng về dạng đáy Phân tích phổ các chuỗi cao trình

đáy sông kéo dài (xem hình 1.4) chứng tỏ rằng hàm mật độ phổ

trong miền sóng cát nhỏ và trung bình có dạng "ồn trắng", với

các cực trị mật độ phổ riêng biệt Trên các profile đó tách ra các

dạng đáy trrong khỏng biến động lớn của chiều dài L1 =

10H…1000H

Mảng thống nhất của sóng cát vừa và nhỏ do khoảng biến

động chiều dài lớn của các dạng gộp vào nhóm thể hiện cấu tạo

bậc thang: các sóng cát nhỏ hơn có thể hình thành trên bề mặt

các sóng cát lớn hơn, về phần mình nó lại tạo nên các sóng cát

lớn hơn nữa v.v Sự phức tạp cấu tạo sóng cát theo mức độ tăng

kích thước của nó tạo nên sự khác biệt về chất trong hình thái

học và động lực học các sóng cát lớn hơn và nhỏ hơn Cho nên

nhất thiết cần các dạng trung gian phân bố trên các bậc khác

nhau của tổ hợp bậc thang, xem xét và làm rõ trong khuôn khổ

các nhân cấu trúc độc lập của các mức cấu trúc dạng vi mô

Danh mục được chấp nhận các sóng cát vừa và nhỏ các mực

bậc thang khác nhau hiện còn chưa được soạn thảo, mặc dù

chúng được nêu ra bởi nhiều nhà nghiên cứu khi làm việc trên

các đối tượng tự nhiên Hay phân loại nhất là các sóng cát theo

trật tự [104] bắt đầu từ việc đánh số các sóng cát nhỏ nhất N I

Alecxayevski [2,3] ký hiệu sóng cát các mức bậc thang khác

nhau bằng các chữ cái theo trật tự của tiếng Nga, khi đó chữa

cái "A" gắn cho các bãi vắt ngang – sóng cát lớn, còn các sóng

cát nhỏ hơn theo mức độ đơn giản và giảm chiều dài của chúng

là các chữ cái tiếp theo Tác giả [81, 88] đề nghị cho mỗi tổ hợp

sóng cát tên gọi: đụn cát – là các sóng cát nhỏ, bề mặt của nó

Đối với các sóng cát vừa và nhỏ cần chia ra hai giai đoạn phát triển chính: chủ động và thụ động Trong giai đoạn chủ

động sóng cát tạo thành và biến dạng bởi cấu trúc xoáy của dòng chảy, hình ảnh phản ánh chúng trong các đất đá bị bào mòn Trên giai đoạn thụ động sóng cát với chiều dài xác định biến dạng bởi trường vận tốc mà trong đó không thể tạo thành các cấu trúc xoáy và phản ánh sóng cát của chúng chiều dài này Các sóng cát thụ động thường biến dạng với sự dịch chuyển theo bề mặt của chúng các sóng cát chủ động hay thụ động nhiều hơn

Đụn cát biểu hiện rõ trong lòng sông Niger dưới cửa sông Benue Hình thái học và động lực học của chúng được nghiên cứu trong lũ – kiệt năm 1978–1979 [80,84] Trong thí dụ này ta xét các đặc trưng cơ bản của hình thái học và động lực học các sóng cát nhỏ này

Trong giai đoạn phát triển chủ động, đụn cát là một sóng cát ba chiều gần như song song trên bình đồ với tỷ lệ giữa độ dài và độ rộng L2/L1 ≈1,0 Theo mặt thẳng đửng cả chiều dọc lẫn chiều ngang các sườn của đụn cát lồi, hình dạng profile kiểu elip (xem hình 1.3) Tuy nhiên mái sườn dưới, thậm chí cả

đụn cát chủ động đôi khi cũng thẳng hoặc lõm Trong lát cắt ngang các đụn cát chủ động thường đối xứng Trong lát cắt dọc 83% đụn cát có bất đối xứng dương, trong số đó gần một nửa –

là lớn(L B/L H >1,6), một phần tư là nhỏ (L B/L H <1,2) Trong số

các đụn cát với bất đối xứng âm, một phần tư có bất đối xứng

lớn, và gần một nửa – nhỏ Gần với dạng đối xứng có 46% toàn

bộ đụn cát chủ động trên sông Niger [ư0,1<(L BưL H)/L<0,1]

Phân bố các đụn cát chủ động theo chiều dài và độ cao được

mô tả bởi chính các đường cong phân bố (3.2) và (3.5) như đối

với gợn sóng Các hệ số biến đổi chiều dài (C VL= 0,4) và độ cao

(C V h =0,5) của đụn cát gần với hằng số (xem hình 3.3)

Lý thuyết không ổn định các xáo trộn nhỏ trong xấp xỉ

tuyến tính không cho khả năng thu được công thức lý thuyết đối

với chiều dài các đụn xác suất Phân tích tài liệu thực nghiệm

theo chiều dài các đụn cát chủ động trên các sông Amazon,

Niger, Terek (Hình 3.9) chứng tỏ rằng để tính toán chiều dài

tạo các sóng cát vừa và nhỏ không liên quan đến sóng trên bề

mặt thoáng mà xác định bởi sức kháng thuỷ lực, nên quan hệ

"

β với phân bố vận tốc thuỷ trực chỉ có thể là gián tiếp thông

qua ảnh hưởng của các tham số gợn sóng đến độ nhám của đáy

ảnh hưởng tương tự được Richards [129] chỉ ra khi giải thích sự

hình thành các gợn sóng Thông thường β" = 30 … 40

Xử lý các tài liệu thực nghiệm như thế chỉ ra rằng độ cao

trung bình các đụn cát được mô tả bởi quan hệ (3.6) (các hệ số

3,2 và 0,3)

Quan hệ giữa độ cao và chiều dài của các đụn cát chủ động

cũng mang tính ngẫu nhiên, mod của độ cong các đụn cát chủ

động là 0,04, thấp hơn nhiều so với gợn sóng (xem hình 3.6)

Độ uốn mái nghiêng dưới của các đụn cát chủ động thấp

hơn so với gợn sóng – khoảng 78% trường hợp h d /L H <0,1 (6 ) Khảo sát trường vận tốc theo thời gian lũ trên các đụn cát chủ

động chứng tỏ rằng (xem hình 2.2a) các xoáy kết hợp dưới chân các sóng cát như vậy không tạo thành do độ cong mái sườn dưới nhỏ Khi đó trường vận tốc thực tế trên các sóng cát quan hệ với vận tốc chi phối bởi địa hình đáy, bởi một quan hệ ngược: hệ

số tương quan (r= ư 0 , 69 ) Điều này chứng tỏ về sự hiện diện của

ácc xoáy tạo sóng cát trên các sóng cát chủ động

Hình 3.9 Quan hệ chiều dài các đụn cát trên các sông Amazon (1), Niger (2)

và Terek (3) với các đặc trưng thuỷ lực dòng chảy

Trên đường lũ rút, theo mức độ giảm độ sâu và lưu lượng riêng của dòng chảy diễn ra sự biến dạng trường vận tốc trên các đụn cát và thay đổi dạng đụn cát Trường vận tốc bắt đầu

được xác định bởi địa hình đáy: hệ số tương quan của vận tốc

dòng chảy thực tế và địa hình bị chi phối là 0,8 Sự phát triển

đụn cát bước vào giai đoạn thụ động, khi đó hình thái học và

động lực học chi phối không phải bởi cấu trúc dòng chảy phản

chiếu bởi đụn cát mà là trường vận tốc gây nên sự tồn tại của

các sóng cát đáy

Trong lòng sông Niger theo tính chất biến dạng các đụn cát

thụ động chia ra hai miền: 1) miền biến dạng chậm và 2) miền

biến dạng nhanh

Trên miền biến dạng chậm khi lưu lượng nước, độ sâu và

vận tốc dòng chảy giảm đáng kể, hình thái học của đụn cát –

chiều cao và chiều dài của từng sóng cát riêng biệt cũng như các

đặc trưng trung bình và các đường cong phân bố của chúng

thay đổi chậm hơn rất nhiều so với giai đoạn đụn cát chủ động

Miền này chiếm toàn bộ các đáy bùn sâu với độ sâu H > 7m Ví

dụ điển hình là lát cắt trên hình 3.10, nơi mà với sự giảm độ

sâu từ 16,5 – 8,7 và vận tốc dòng chảy từ 1,9 – 0,4 m/s bảo toàn

không chỉ các đặc trưng trung bình mà còn cả hình thái các đụn

riêng rẽ trong các điều kiện tính động lực cao của chúng Các

đường cong đảm bảo độ cao, chiều dài, độ cong và bất đối xứng

đụn cát trong miền này khi thay đổi các đặc trưng thuỷ lực

dòng chảy hầu như không đổi

Miền biến dạng nhanh phân bố trên các bãi vắt, gờ và cù

lao với độ sâu H < 5 6 m Khi giảm lưu lượng nước và độ sâu

dòng chảy sự biến dạng các đụn cát thụ động diễn ra nhanh

hơn so với các đụn cát chủ động Sự chênh lệch lớn về vận tốc

dòng chảy trên các khu vực khác nhau của đụn cát dẫn tới sự

tăng vận tốc dịch chuyển sống cát và chân sóng cát Nó nhanh

chóng hình thành dạng hình chóp bất đối xứng truyền thống với

gờ cong lồi phía mái trên và võng về phía mái dưới khoảng 30 –

350

, gần với góc mái sườn tự nhiên đối với cát trong nước Tại

trũng của đụn cát tạo nên các xoáy liên kết với dòng chảy sát

đáy theo chiều ngược lại, duy trì độ cong của mái sườn dưới Sự hình thành các xoáy liên kết làm tăng sự phân hoá vận tốc dọc

đụn cát Bỏ qua phần mái sườn trên, nơi có vận tốc dòng chảy lớn hơn, và mái sườn dưới, nơi các quá trình trọng lực đóng vai trò lớn, dịch chuyển về dưới theo chiều dòng chảy nhanh hơn so với phần đáy của mái trên, nằm trong vùng tác động của các xoáy liên kết của sóng cát trên Đụn cát dài ra, đồng thời làm giảm độ cao của chúng

Vận tốc và tính chất biến dạng của các đụn cát thụ động phần nhiều bị chi phối bởi độ cao và độ cong ban đầu của chúng Các đụn cát cao và cong hơn sớm tạo nên dạng bất đối xứng hơn Các đụn cát thấp và phẳng hơn thường là đối xứng Khi vắng các quá trình duy trì hình dạng các đụn cát như vậy nó

được là trơn và nhập với các đụn cát cong Diễn ra sự nhân đôi

đột ngột chiều dài đụn cát, đã được N S Znamenski xem xét một cách chi tiết [28]

Đồng thời với sự mất tính đối xứng và là tạo nên dạng ba chiều rõ nét Các đụn cát lân cận hoà hợp với nhau, sống của chúng liên kết lại làm một thành sóng yếu, đường, nghiêng về một phía Đụn cát trở nên hai chiều Theo mức hạ thấp mực nước trong quá trình trộn cuốn hút hầu hết các đụn cát ba chiều lớn Bước đụn cát hai chiều tăng từ 1,5 – 2,0 bước đụn cát ba chiều vào đầu kỳ biến dạng nhanh đến 10 và còn hơn nữa về cuối kỳ (Hình 3.11)

Các rãnh không sâu tạo nên trên lòng sông Niger các miền biến dạng đụn cát không đều Tại đây vào đầu kỳ lũ xuống sự biến dạng diễn ra chậm, và vào cuối kỳ – tăng nhanh Đối với miền này đặc trưng quá trình tăng độ cao đụn cát vào đầu kỳ biến dạng nhanh của chúng Các đụn cát thụ động cao dịch chuyển nhanh hơn so với đụn cát thấp và trượt trên các mái