2.5.1 Hình dạng lịng sơng trên mặt bằng
Trong các thung lũng khó xói, hình dạng lịng sơng trên mặt bằng hình thành do sự thích nghi của dịng nước với những chỗ uốn cong của địa hình - gọi là uốn khúc sơn văn, có tính tương đối ổn định, thường gặp ở vùng thượng lưu sông. Trong điều kiện đáy thung lũng dễ bị xâm thực, các khúc uốn hình thành do hệ quả tương tác dịng nước - lịng sơng, gọi là uốn khúc thuỷ văn, thường gặp trong vùng đồng bằng.
Nghiên cứu hình dạng lịng sơng trong các thung lũng đồng bằng dễ xói cho thấy chính dạng lịng sơng uốn khúc mới thuộc loại ổn định và mang tính đặc trưng. Tuy nhiên các khúc uốn cũng biến động tuân theo một số xu thế chính sau: 1- Chuyển dịch tự do xi dịng; 2- Chuyển dịch quanh những điểm uốn cố định trên mặt bằng; 3- Cắt dòng.
Sự chuyển dịch tự do của các khúc uốn xi dịng chỉ có thể xảy ra trong điều kiện đất đá
đồng nhất. Khi đó dịng nước chuyển động xói vào phần dưới của tất cả các đoạn lõm, làm
cho các khúc uốn dịch chuyển dần về xuôi. Trong điều kiện đáy thung lũng cấu tạo không đồng nhất, với những vị trí khó xói, thì chuyển dịch các khúc uốn bị cản trở, các khúc uốn sẽ
phát triển xoay quanh những điểm khó xói này.
Độ uốn khúc càng lớn, độ dốc và do đó khả năng tiêu thốt nước càng giảm. Sự giảm này
có thể đi tới giới hạn mà tại đó dịng nước khơng có khả năng xói mịn tiếp các bờ, làm cho các khúc uốn không phát triển thêm được, tạo ra những dạng mêanđrơ ổn định.
Hạ lưu các sơng có đồng bằng châu thổ lớn và đổ ra vùng biển có biên độ triều lớn cũng thường uốn khúc mạnh
Trong quá trình phát triển tự do, sẽ xuất hiện những đoạn sơng cong gấp khúc, bán kính cong rất nhỏ, điểm đầu và điểm cuối đoạn cong rất gần nhau trên mặt bằng. Khi lượng nước
mùa lũ lớn, tiêu thốt qua khúc uốn gặp khó khăn, nếu eo đất nhỏ giữa hai đầu khúc uốn dễ xói, dịng nước lũ sẽ cắt qua đó, tạo thành một đường nước chảy mới ngắn hơn và có độ dốc lớn hơn, thoát lũ nhanh hơn. Đồng thời do lưu tốc lớn, sức tải cát của dịng nước trong đoạn sơng mới tạo ra sẽ lớn, trong khi đó, cửa vào của đoạn sông mới nằm sát bờ lõm của đoạn
cong cũ nên nước vào là nước trên mặt mang ít phù sa, dẫn đến q trình xói lở trên đoạn
sông mới diễn ra rất mạnh, mặt cắt mở rộng nhanh. Ngược lại, trên đoạn cong cũ, vì độ dốc nhỏ, lưu tốc nhỏ, sức tải cát nhỏ, trong khi đó dịng vào mang nhiều bùn cát nên bị bồi mạnh, chỉ sau 3 - 4 năm phần đầu của đoạn sơng cong cũ sẽ bị lấp hồn tồn, phần cuối thường sẽ hình thành hồ.
Sự thay đổi cao độ mốc xâm thực cơ sở (nhân tạo hoặc tự nhiên) cũng là một nguyên nhân quan trọng dẫn tới thay đổi chế độ thuỷ lực trong sông, thay đổi tương tác dòng nước lịng sơng, dẫn đến những biến động bất thường hình dạng lịng sơng trên mặt bằng, nâng cao hoặc hạ thấp đáy sông, tạo ra các thềm sơng mới.
HÌNH 2.2.
SƠ Đồ CHUYểN DịCH Vị TRÍ LỊNG SƠNG THEO THờI GIAN
2.5.2 Hình dạng đáy sơng
Hình dạng đáy sơng thường khơng đều đặn và bằng phẳng mà bao gồm các lạch sâu và bãi cạn xen kẽ nhau kiểu bàn cờ. Trên đoạn sơng cong hình đạng này thể hiện rõ nét nhất với một lạch sâu ăn sát vào bờ lõm ở phần đầu của đoạn sông cong và một bãi cạn bên bờ lồi ở phần cuối của đoạn sơng cong, ngồi ra trên đoạn sơng cong cịn hình thành một bãi nơng
hình n ngựa vắt ngang sơng cắt qua đường sâu nhất.
Định luật Facgơ về mối tương quan giữa độ cong của đoạn sơng và hình dạng đáy sơng
phát biểu như sau:
Đường có độ sâu lớn nhất dọc sơng nép sát vào bờ lõm và đối diện với chúng là những
bãi bồi nông.
Phần sâu nhất của lạch sâu và phần nơng nhất của bãi vắt dịch xuống theo dịng so với những điểm có độ cong lớn nhất và nhỏ nhất gần bằng 1/4 chiều dài của lạch sâu cộng bãi vắt. Sự thay đổi độ sâu nhịp nhàng hình thành khi độ cong thay đổi nhịp nhàng, mọi sự thay
đổi độ cong đột ngột sẽ khiến độ sâu thay đổi đột ngột. Độ cong càng lớn, độ sâu của lạch càng lớn.
Đối với một độ cong cho sẵn, khi độ dài của đoạn sông tăng, độ sâu lúc đầu tăng rồi sau đó giảm và đối với mỗi đoạn sông tồn tại một giá trị độ dài đường cong trung bình nào đó
thích hợp nhất với các độ sâu.
Độ uốn khúc tăng dẫn đến giảm độ dốc, giảm thời gian chảy truyền, giảm mức ác liệt của
lũ và ngược lại. Trong điều kiện thung lũng đồng bằng, độ uốn khúc thuỷ văn tự nhiên thể hiện trạng thái cân bằng tương đối ổn định của tương tác dòng nước - lịng sơng.
Những cố gắng nhân tạo hướng tới thay đổi độ uốn khúc trên một đoạn sơng, thay đổi hình dạng bờ đáy có thể dẫn tới thay đổi tương tác bờ đáy tại chỗ và tạo ra phản ứng dây
chuyền tới tồn bộ q trình trên phần hạ lưu cơng trình, phá vỡ quy luật tự nhiên tồn tuyến, tạo ra bất thường dòng chảy lũ và biến hình sóng lũ ngồi khả năng dự đốn và phịng tránh, gây hệ quả nghiêm trọng. Đây là cơ sở khoa học cho công tác thiết kế chỉnh trị dịng sơng phục vụ giao thông vận tải cũng như chống xói lở bờ.
Trên nhiều đoạn sơng thẳng và rộng, nếu lịng sơng dễ xói hơn bờ thì q trình xói bồi đáy sơng có thể dẫn tới hình thành các bãi bên nằm so le nhau ở hai bên bờ, đối diện mỗi bãi
là lạch sâu, giữa hai lạch sâu cũng có một ghềnh cạn, đường chủ lưu là một đường uốn khúc. Về mùa kiệt, các bãi nổi lên, lịng sơng trở nên quanh co uốn khúc, chảy quanh các bãi bên. Theo Rôsinski, trong sông thẳng, bãi ở vị trí so le là khơng thể tránh khỏi; Do tác dụng qua lại giữa dòng nước và lịng sơng, khiến cho lịng sơng sinh ra biến hình hoặc có những bãi bên so le nhau để thích ứng với kết cấu của dịng nước. Những bãi bên này cũng di chuyển dần về hạ lưu trong khi bảo tồn về hình dạng và cấu trúc so le, gây bất lợi cho các hoạt động kinh tế cần
độ sâu ổn định ở vùng bờ.
Đoạn sông thẳng có lịng sơng đơn nhất phần nhiều nằm trong thung lũng sông thẳng,
hẹp, hoặc trong thung lũng sông rộng nhưng bờ khó xói lở, thổ nhưỡng ven bờ phần lớn là đất thịt pha sét hoặc đất sét chịu được xói.
2.5.3 Chỉ tiêu ổn định lịng sơng
Chỉ tiêu ổn định lịng sơng theo chiều dọc của Makavêep
ϕh = d/(hI) (2.6)
trong đó: d- đường kính hạt lơ lửng (mm); h- độ sâu (m); I - độ dốc mặt nước (mm/m). Khi hệ số ổn định lớn, độ ổn định lớn. Khi hệ số ổn định nhỏ (< 0,2), độ ổn định lịng
sơng sẽ kém.
Hệ số ổn định lịng sơng theo chiều rộng của Antunin:
ϕB = B.I1/5. Q-1/2 (2.7)
trong đó: I - độ dốc mặt nước; B - độ rộng sơng ứng với lưu lượng tạo lịng (m); Q- lưu lượng tạo lòng (m3/s)
Hệ số ϕB thay đổi trong khoảng từ 0,5 - 1,7. Hệ số càng nhỏ thì độ ổn định của bờ sơng càng lớn.
Lưu lượng tạo lịng là lưu lượng có tác dụng rất lớn đến quá trình tạo lịng sơng cũng như diễn biến lịng sơng. Theo Makavêep, diễn biến lịng sơng có quan hệ chặt chẽ với chuyển
động của bùn cát. Mức chuyển cát càng lớn thì diễn biến lịng sơng càng mạnh. Lưu lượng
tương ứng với mức chuyển cát lớn nhất là lưu lượng tạo lòng. Theo Makavêep, lưu lượng
ứng với giá trị (Qm.P.I) lớn nhất sẽ là lưu lượng tạo lịng, trong đó: Q - lưu lượng nước, P - tần số xuất hiện của lưu lượng Q trong năm điển hình (năm có lượng ngậm cát bình quân năm bằng trung bình nhiều năm), I - độ dốc mặt nước ứng với mức lưu lượng Q.
Đa số các sông chưa chỉnh trị ở châu Âu có hai trị số cực đại của tích (Qm.P.I): Trị số đầu
ứng với mực nước lớn có tần suất 5 – 10% và tạo thành lưu lượng tạo lòng mùa lũ, trị số cực đại thứ 2 tương ứng mực nước có tần suất 25 – 50% tạo thành lưu lượng tạo lịng mùa kiệt.
Tính tốn thử nghiệm cho sông Hồng, đoạn Sơn Tây - cửa sơng Đuống cho thấy Q tạo lịng
thứ nhất bằng 11.200m3/s, Q tạo lòng thứ hai bằng 8.000m3/s.
2.5.4 Dòng chảy phù sa
Dòng chảy phù sa là dịng vật chất dạng hạt chuyển động trong sơng cùng với dòng nước. Nguồn cung cấp phù sa cho sơng là: 1- Xói mịn bề mặt và cuốn theo do dịng nước, gió; 2- Xói mịn bờ đáy.
Phù sa trong sông được phân thành hai loại theo đặc điểm chuyển động là phù sa lơ
lửng và phù sa đáy (di đẩy). Sự phân loại này chỉ có tính tương đối do trạng thái lơ lửng
của hạt vật chất phụ thuộc: 1- Đặc tính bản thân hạt (độ thô thuỷ lực); 2- Đặc điểm thuỷ lực khối nước. Độ thô thuỷ lực của hạt là tốc độ rơi đều của nó trong nước tĩnh, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, trọng lượng riêng của hạt, mật độ hạt cũng như độ nhớt và mật độ nước. Độ thơ thuỷ lực (w) được tính bằng cơng thức:
w = [d.(ρ - 1). β-1]1/n (2.9) trong đó: d- đường kính hạt; ρ- mật độ hạt; n,
β - tham số thực nghiệm:
Khi d <0,2 cm n=1,2 β = 0,007
Khi d >0,2 cm n = 2 β = 0,006
Khi thành phần thẳng đứng của vận tốc nước lớn hơn hoặc bằng độ thơ thuỷ lực của hạt thì nó sẽ ở trạng thái lơ lửng.
Phù sa lơ lửng lại phân thành hai loại là: 1- Chất tạo lịng, chiếm đa số; 2- Chất khơng tạo lịng, kích thước nhỏ (<0,005 mm), ln ln ở trạng thái lơ lửng mà khơng phụ thuộc đặc tính thuỷ lực của nước. Theo độ sâu các hạt nhỏ phân bố tương đối đồng đều trong khi phân bố hạt lớn tăng dần khi đi xuống sâu. Vận tốc dòng chảy càng lớn thì phân bố phù sa lơ lửng theo độ sâu càng đều. Xuôi dọc sông lưu lượng phù sa tăng nhưng độ thô thuỷ lực và độ đục giảm do giảm vận tốc và hạt bị mài mịn trong q trình chuyển động.
Phù sa đáy chuyển dịch theo ba cách trượt, lăn và nhảy cóc tuỳ theo đặc điểm bề mặt đáy, hình dạng, kích thước và trọng lực hạt, tốc độ nước vùng sát đáy, tuân theo quy luật Eri: trọng lượng hạt lăn tỷ lệ với luỹ thừa bậc sáu của tốc độ. Giả sử tỷ lệ tốc độ dịng chảy sơng giữa vùng hạ lưu và thượng lưu là 1:4 thì tỷ lệ trọng lượng các hạt chuyển dịch tại hai đoạn sông này là 1: 4096, do đó phù sa sơng đồng bằng thường là cát nhỏ, trong khi phù sa sông miền núi có cả cuội, sỏi, đá tảng.
Sức tải cát của dịng là lượng phù sa mà dịng nước có thể mang được ứng với mỗi trạng thái động lực (vận tốc) cụ thể. Vận tốc thay đổi khả năng tải cát của dòng cũng thay đổi. Khi lượng phù sa thực tế lớn hơn sức tải cát thì sẽ xảy ra bồi lắng phần vượt trội. Còn khi sức tải cát lớn hơn lượng phù sa thực tế trong sơng thì năng lượng dư sẽ bị hướng vào cơng phá bờ
đáy gây xói mịn và bổ sung phù sa để tạo cân bằng. Có rất nhiều cơng thức lý thuyết, bán
kinh nghiệm và kinh nghiệm để tính sức tải cát của dịng nước. Tuy nhiên các cơng thức cho những kết quả tính tốn khơng giống nhau và chưa sát với giá trị thực đo.
Chế độ phù sa trong năm phụ thuộc đặc điểm nguồn cung cấp phù sa, chế độ mưa và chế
độ nước sông. Mùa kiệt độ đục và lưu lượng bùn cát đều nhỏ và ít biến động. Ở Việt Nam độ đục các sông nhỏ 10 - 50g/m3, sông lớn 50 - 200g/ m3. Đầu mùa lũ độ đục và lưu lượng phù sa đều tăng mạnh, đường q trình phù sa có dạng răng cưa nhiều đỉnh, phù hợp với đường q trình nước. Trên các sơng nhỏ miền núi, đỉnh đường quá trình phù sa thường xuất hiện cùng hoặc sau đỉnh lũ; Trên các sông lớn đồng bằng - xuất hiện trước.
Phù sa sơng ngịi là lượng vật chất có giá trị dinh dưỡng cao và nguồn cung cấp cho các quá trình bồi lắng hình thành một số dạng địa hình. Kích thước phù sa lơ lửng thích hợp nhất ˜ 0,15mm, lớn hơn sẽ gây bồi lắng kênh, nhỏ hơn gây màng bít lỗ rỗng của đất.
Chương 3
TÀI NGUYÊN NƯỚC HỒ VÀ HỒ CHỨA