Loại dòng chảy
Nhìn chung chuyển động của nước trong sông thiên nhiên thuộc loại chảy rối, với các đặc trưng chuyển động biến đổi theo thời gian và không gian, nhưng giá trị tức thời của chúng vẫn thoả mãn phương trình thuỷ động lực học. Vào mùa kiệt, dòng chảy trong sông rất gần với dạng chuyển động ổn định, với các đặc trưng thuỷ lực của dòng (độ sâu, độ dốc, diện tích mặt cắt ngang, vận tốc) tại mỗi tuyến không thay đổi theo thời gian. Vào mùa lũ chuyển động của nước trong sông mang tính không ổn định, với các đặc trưng thuỷ lực của mỗi tuyến biến đổi theo thời gian. Sóng lũ trong sông thiên nhiên thuộc dạng sóng hoãn biến, chuyển dịch không
ổn định, biến đổi từ từ. Trong quá trình di chuyển theo chiều dài sông, do trán lũ có độ dốc lớn, chuyển động với vận tốc lớn hơn, nên chuyển dịch về xuôi nhanh hơn lưng lũ, làm con sóng dài ra, đồng thời do lượng nước chuyển dịch không đổi nên độ cao đỉnh sóng giảm dần, sóng lũ biến hình dài ra và bẹt đi. Điều này được minh hoạ rất rõ khi xem xét hình dạng của sóng xả nhân tạo trên sông.
Trong đoạn sông cong, dòng chảy trên mặt có xu thế tiến thẳng vào vùng bờ lõm dưới tác
động của lực li tâm, dòng phản hồi đi xuống vùng đáy và di chuyển về phía bờ lồi, hình thành một dòng chảy vòng khoét sâu, xói mòn bờ lõm và chuyển vận sản phẩm xói mòn sang phía bờ lồi lắng đọng tạo bãi bồi.
Trên đoạn sông thẳng cũng tồn tại các dòng chảy vòng. Một trong những lực tác động có thể sinh dòng chảy vòng trên sông là lực Côriôlit, tác động hướng vào phía phải của chuyển
động ở Bắc bán cầu và vào phía trái của chuyển động tại Nam bán cầu.
Theo Lêliapxki, trong đoạn sông thẳng có tồn tại hai loại dòng chảy vòng là dòng chảy phân tán ở đáy và dòng chảy tập trung ở đáy sông. Trong dòng chảy vòng phân tán ở đáy sông, dòng trên mặt hướng về phía đường sâu nhất và dòng đáy từ vùng nước sâu nhất hướng về hai bờ, hình thành hai dòng chảy vòng, kết hợp với dòng chảy thẳng, chúng hình thành những dạng chảy xoáy như cái mở nút chai nhưng theo chiều ngược nhau, tạo ra sự xói sâu phần giữa lòng sông và bồi hai vùng đáy gần bờ. Dòng chảy vòng phân tán ởđáy sông thẳng có thể gặp trong các sông thiên nhiên khi nước lũ lên, với thực tế là các vật nổi cuốn theo
dòng lũ thường tập trung vào giữa dòng, hoặc khi triều rút, nước ở giữa sông rút nhanh hơn. Những dòng chảy vòng kiểu này góp phần duy trì hình dạng đáy sông ổn định dạng parabôn, với phần sâu nhất nằm giữa hai vòng xoáy. Trong dòng chảy vòng tập trung ởđáy sông, dòng trên mặt hướng về hai bờ, gây xói vùng bờ, còn dòng đáy tập trung vào giữa sông, tạo bồi lắng. Hiện tượng này gặp trong sông thiên nhiên khi triều dâng, mặt nước giữa sông dâng cao hơn mặt nước hai bên bờ. Dòng chảy vòng tập trung ởđáy là một trong những nguyên nhân gây ra sự hình thành vùng bồi nông ở khoảng giữa dòng, giữa hai vòng xoáy. Ngoài ra, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với những thay đổi vềđộ rộng, độ sâu lòng chảy và tốc độ
nước còn tạo ra những dòng chảy có 4 vòng xoáy hoặc nhiều hơn nữa.
Nghiên cứu dòng chảy vòng trong sông thiên nhiên rất phức tạp do việc đo đạc thực địa gặp khó khăn, còn các vấn đề lý thuyết chưa được giải quyết triệt để.
Vận tốc dòng chảy
Vận tốc trung bình của dòng chảy tính bằng công thức Sêzi V = C.(Ri)1/2 (2.3)
trong đó: i- độ dốc; C - hệ số Sêzi, được xác định gần đúng bằng công thức Manning C = R1/6/n ; R- bán kính thuỷ lực; n- hệ số nhám, phụ thuộc loại lòng sông.
Đường phân bố vận tốc theo chiều rộng sông có dạng tương tự hình dạng mặt cắt ngang lòng sông, với giá trị cực đại đạt được tại vùng nước sâu nhất, bằng không tại mép nước. Trên
đoạn sông thẳng, vận tốc lớn nhất thường đạt được ở khoảng giữa dòng, còn trên đoạn sông cong vận tốc lớn nhất gặp ở vùng sát bờ lõm. Trong mỗi mặt cắt ngang ổn định, thường tìm thấy một thuỷ trực mà tại đó vận tốc trung bình thuỷ trực gần bằng vận tốc trung bình toàn mặt cắt (thuỷ trực đại biểu).
Trong mặt cắt ngang lõm đều, khi không có cản trở dòng chảy trên mặt nước, phân bố
vận tốc theo độ sâu có dạng hypecbôn với cực đại đạt được trên mặt nước và giá trị trung bình gần bằng vận tốc thực đo tại điểm 0,6 độ sâu. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với việc kiểm soát dòng chảy trong điều kiện cấp bách, khi không có thời gian và nhân lực đo vận tốc theo quy phạm đầy đủ. Vận tốc vùng đáy biến đổi nhanh và kém ổn định do tương tác đáy - nước, hoặc do xuất hiện dòng phân tầng ngược, còn vận tốc vùng mặt có thể không tuân theo quy luật hypecbôn trong những trường hợp phát sinh dòng ngược do gió, nước dâng... do vậy quy phạm đo vận tốc dòng chảy thường bố trí mật độđiểm đo tại các vùng này dày hơn.
Lưu lượng dòng chảy
Lưu lượng dòng chảy là lượng nước chuyển qua mặt cắt ngang hoạt động của dòng nước trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng dòng chảy được tính bằng công thức:
Q = Vtb . ω = Vtb . B. htb (2.5)
trong đó: ω - diện tích mặt cắt ngang hoạt động, Vtb- vận tốc trung bình dòng chảy; B- chiều rộng mặt cắt ngang; htb - độ sâu trung bình mặt cắt ngang
Giữa lượng dòng chảy (DC) tuyến trên và tuyến dưới của sông tồn tại quan hệ khá chặt chẽ, gọi là quan hệ tương ứng. Độ chặt chẽ của tương quan giảm theo sự tăng khoảng cách hai tuyến và mức biến hình sóng lũ. Quan hệ có dạng:
DCtuyến dưới = F (DCtuyến trên , đặc trưng đoạn sông) = F (DCtuyến trên , thời gian chảy truyền). (2.5)
Đây là cơ sở cho một trong những phương pháp cổđiển dự báo ngắn hạn dòng chảy trên sông mà ngày nay vẫn được áp dụng rộng rãi với độ chính xác cho phép và giảm theo sự tăng thời gian dự kiến của dự báo.