DỊNG CHẢY RẮN
Dịng nước với bất kỳ qui mô nào đều thực hiện một công mà giá trị của nó phụ thuộc vào lượng nước chảy và độ cao nước chảy trên đoạn đó. Một phần năng lượng đó được chi vào việc bào mịn và xói lở trên sườn dốc, bờ và đáy sơng ngịi, vận chuyển sản phẩm theo dòng chảy. Sản phẩm vật chất rắn và chất hòa tan mang theo dòng nước được gọi là dịng chảy rắn.
Có hai loại xói mịn cơ bản là xói sâu và xói ngang. Xói sâu đặc trưng cho vùng thượng lưu và xói ngang đặc trưng cho vùng trung, hạ lưu sơng ngịi.
Khảo sát quá trình hình thành phù sa sơng ngịi chỉ ra rằng, vùng cung cấp phù sa chủ yếu của sơng ngịi là vật chất từ bề mặt lưu vực và mạng lưới sông suối nhỏ đầu nguồn. Phần lớn các vật chất bị bào mịn lắng đọng và tích tụ tại các chỗ trũng trên lưu vực và chân sườn, cửa suối, một phần vật chất hạt mịn tham gia vào lịng sơng dưới dạng phù sa lơ lửng. Một phần phù sa khi đã xâm nhập vào sông bị giữ lại ở các cơng trình v.v.. nên các đo đạc tại các trạm thủy văn không tiến hành được.
Một lượng phù sa trong sơng do sự bào mịn đáy và hai bờ trong q trình chuyển động của dịng nước gây nên bởi chuyển động rối và di chuyển theo dòng nước dưới hai dạng: lơ lửng và di đáy gọi là phù sa lơ lửng và phù sa di đáy. Phù sa lơ lửng trong sông chiếm đại bộ phận. Ở miền đồng bằng, phù sa đáy chỉ
chiếm khoảng 10% phù sa lơ lửng, miền núi từ 10-20 % hoặc hơn nữa.
Khi nghiên cứu và tính tốn dịng chảy rắn chủ yếu quan tâm đến phù sa lơ lửng.
Phù sa lơ lửng bao gồm cả các muối hịa tan và các hợp chất hố học khác trơi theo dịng nước. Do vậy phù sa (dịng chảy rắn) tựu trung gồm ba thành phần chính: 1) phù sa lơ lửng; 2) phù sa đáy; 3) vật chất hịa tan.
Thơng tin về dịng chảy rắn và phương pháp tính tốn chúng khơng kém phần quan trọng so với các
đặc trưng dòng chảy khác. Các đặc trưng về cường độ bào mòn từ sườn dốc và lòng suối rất cần thiết cho
các qui hoạch xây dựng. Khi thiết kế và vận hành hồ chứa người ta quan tâm nhiều đến lượng và điều kiện lắng đọng vật chất trong sơng. Số liệu này cịn phục vụ cho giao thông đường thủy và các cơng trình đơ thị khác.
Thơng thường các thơng tin về dịng chảy rắn ít hơn so với thơng tin về dòng chảy nước kể cả về số lượng lẫn chất lượng do hệ thống quan trắc và chất lượng dụng cụ đo chưa đảm bảo độ tin cậy cao.
Khi giải quyết một số bài toán thực tế thường dùng các phương pháp gián tiếp để tính tốn dịng chảy rắn là phương pháp tương tự hoặc bản đồ hoá. Giá trị trên bản đồ thường là đặc trưng độ đục nước sơng S0 hoặc mơ đun dịng phù sa lơ lửng MS0 được xác định theo công thức:
3 0 0 0 10 Q Q S = S (9.1) F Q M S S . 103 10 . 5 , 31 0 0 6 = (9.2) với S0 và MS0 - tương ứng là độ đục trung bình nhiều năm (g/m3) và mơ đun dịng chảy phù sa lơ lửng trung bình nhiều năm (T/km2.năm); QS0 và Q0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (kg/s) và nước (m3/s). F- diện tích lưu vực (km2).
Các nghiên cứu cho thấy các q trình hình thành dịng chảy rắn được qui định bởi nhiều yếu tố cần
được tính đến khi tính tốn lúc có cũng như khơng có quan trắc.
9.1. CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY RẮN
Các yếu tố chủ yếu hình thành dịng chảy rắn xác định cường độ và qui mơ xói mịn trên bề mặt lưu vực bao gồm: 1) cường độ và qui mơ dịng chảy mặt; 2) độ dốc của sườn và đáy sông; 3) trạng thái bề mặt lưu vực và mức độ thảm thực vật; 4) hoạt động kinh tế nhân sinh. Một nhóm thể hiện năng lực cơng phá của dịng chảy, nhóm kia là sức đề kháng của mặt đệm. Phơng chung của sự phát triển xói mịn và hình
thành dịng chảy rắn là các điều kiện khí hậu (địa đới) và phụ thuộc vào thảm thực vật, tính chất đất đá và các địa hình nhỏ. Trong số các điều kiện khí hậu thì cường độ mưa đóng vai trị quan trọng, sau đó là chế
độ nhiệt và gió, độ ẩm của đất đai.
Cường độ xói mịn bề mặt lưu vực thể hiện rõ nhất vào mùa mưa lũ khi tính chất của mưa (cường độ, qui mô) quyết định vật chất ban đầu tách ra khỏi bề mặt lưu vực và sau đó là các yếu tố mặt đệm.
Mưa rào → tác động cơ học vật lý lớn → vật chất bóc khỏi bề mặt lưu vực nhiều → lượng xói mịn tăng. Mưa dầm thì ngược lại.
Độ dốc lớn → vận tốc dịng chảy mạnh → năng lượng tải vật chất lớn → phù sa mang vào sơng ngịi
nhiều hơn, độ dốc nhỏ thì ngược lại.
Thảm thực vật dày → ma sát lớn bề mặt lưu vực → lượng vật chất cuốn khỏi lưu vực giảm và ngược lại.
Kết cấu đất đá bền vững → xói mịn bề mặt nhỏ → vật chất ít bị bào mịn → phù sa giảm. Khi có hoạt
động kinh tế nhân sinh trên bề mặt lưu vực cấu trúc đất đai bị phá vỡ→ xói mịn tăng→ phù sa tăng.
Diện tích lưu vực lớn → vật chất nhiều→ phù sa lớn và ngược lại. 9.2. TÍNH TỐN DỊNG CHẢY PHÙ SA
Các đặc trưng chung của dòng chảy rắn và các chi tiết của nó được xác định phụ thuộc vào đối tượng thiết kế.
Khi có quan trắc hệ thống khơng ít hơn 15-20 năm, các tham số dịng chảy năm của phù sa lơ lửng
được tính theo tài liệu đo đạc thủy văn. Để đánh giá sơ bộ độ tin cậy của tài liệu gốc và tính hiệu quả của
thời kỳ quan trắc, người ta thường phân tích quan hệ đồ thị của lưu lượng phù sa trung bình năm QSn và lưu lượng nước năm Qn. Chuỗi được coi là có hiệu quả nếu các điểm tương thích phân bố tương đối đều và phù hợp với thay đổi lưu lượng nước trong tầm giá trị của chúng với suất đảm bảo từ 5-95% (hoặc 75%) và độ lệch của một vài điểm riêng biệt không vượt quá ±20-25% so với đường trung bình. Đối với sơng ngịi có chế độ nước phức tạp với các điểm phân tán, cần có chuỗi độ dài lớn hơn mới có thể có một quan hệ chặt chẽ được. Quan hệ loại này xây dựng riêng cho mùa lũ và mùa kiệt theo số liệu lưu lượng trung bình tháng của phù sa và nước.
Nếu chuỗi là hiệu quả thì tham số dịng chảy năm của phù sa: lưu lượng phù sa trung bình nhiều năm, hệ số biến đổi và bất đối xứng của chúng được xác định theo phương pháp đồ giải - giải tích hoặc phương pháp momen với việc xây dựng các đường cong đảm bảo thực nghiệm và lý thuyết.
Với thời kỳ quan trắc dịng phù sa khơng hiệu quả khi mà lượng nước thời kỳ đó sai khác với trị số trung bình nhiều năm trong giới hạn ± 20%, chuẩn dịng chảy phù sa xấp xỉ được tính theo cơng thức:
tb S tb S Q Q Q Q 0 0= (9.3)
132
với Q0 và QS0 - tương ứng chuẩn lưu lượng và phù sa; Qtb và QStb - lưu lượng nước và phù sa trung bình cho thời kỳ đồng quan trắc (n năm). Giá trị các hệ số biến đổi của lưu lượng phù sa lơ lửng Cv trong trường hợp này được xác định theo các quan hệ địa phương hoặc tương tự, còn Cs lấy bằng 2Cv.
Với các chuỗi quan trắc phù sa ngắn (ít hơn 15-20 năm) và có quan hệ lưu lượng phù sa và lưu lượng nước năm và quan hệ thể hiện rõ biên độ dao động lượng nước, tính tốn các tham số dòng chảy phù sa năm được thực hiện bằng phương pháp đồ giải bởi quan hệ QSn=f(Qn). Theo các quan hệ của lưu lượng
nước và phù sa, khi biết lưu lượng nước trung bình nhiều năm tính được lưu lượng phù sa nhiều năm. Các phương pháp thống kê để xác định các tham số tính tốn của phù sa theo tài liệu quan trắc QS0
được coi là đủ nếu sai số độ lệch quân phương tương đối σQS0 ≤ 10 ÷ 15%. Tính σQS0 theo cơng thức ở phần
trên và nếu QS0 được xác định bằng phương pháp đồ giải thì giá trị σQS0 được tính như sau:
, 1 2 ln 2 2 0 100 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + = n Q N Q S N n vp Q r n C σ σ σ (9.4) với N- số năm quan trắc dòng chảy nước; n - số năm đồng quan trắc dòng chảy nước và phù sa; Cvpln - hệ số biến đổi phù sa lơ lửng cho n năm; r - hệ số tương quan giữa đại lượng dòng chảy nước và phù sa năm;
σQN và σQn - độ lệch quân phương dòng chảy năm cho thời đoạn n và tổng số N năm.
Tính biến đổi của dịng chảy phù sa năm được tính với lắng đọng lịng hồ với chuỗi ít hơn 50 năm
hoặc biết lượng phù sa với các thời đoạn lượng nước khác nhau. Khi đó sử dụng chuỗi quan trắc hoặc tính tốn lưu lượng nước và phù sa với sắp xếp theo thứ tự giảm dần và chọn dòng chảy phù sa xác suất bé đối với việc nhóm các năm có tần suất khác nhau.
Sự phân bố dòng chảy phù sa trong năm với chuỗi quan trắc khơng ít hơn 8-10 năm được xác định bằng cách tính các lưu lượng phù sa tháng trung bình cho các năm đặc trưng: dịng chảy phù sa trung bình, lớn nhất và nhỏ nhất. Theo tài liệu các năm đó xác định các giá trị lưu lượng phù sa cho từng mùa.
Phân bố các giá trị độ đục nước trung bình ngày cho dưới dạng bảng, chứa số ngày có độ đục khơng vượt quá các giá trị sau: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 10 000 và 50 000 g/m3.
Khi không đầy đủ tài liệu quan trắc để tính tốn trực tiếp hoặc thiếu trọn vẹn mọi đặc trưng và tham số của dịng chảy rắn người ta xác định theo sơng tương tự. Việc lựa chọn sông tương tự dựa trên việc phân tích và so sánh các yếu tố chủ đạo xác định sự hình thành dịng chảy phù sa hai sơng. Các lưu vực cần có các giá trị độ dốc, thổ nhưỡng, độ che phủ, cày xới ao hồ và đầm lầy gần nhau. Kích thước diện tích lưu vực không chênh nhau quá 3-5 lần. Độ cao lưu vực không chênh nhau quá 500 mét. Cũng nên tính đến cả sự điều tiết dịng chảy do hồ chứa và các vũng vịnh... Tính tốn bằng phương pháp sơng tương tự có độ tin cậy nếu trên cả hai sông tiến hành khảo sát sơ bộ một năm quan trắc đồng bộ các đo đạc thủy văn. Đặc
trưng chính của dịng chảy rắn là chuẩn dịng chảy phù sa lơ lửng năm của sông chưa nghiên cứu thường xác định theo bản đồ độ đục sơng ngịi và bằng phương pháp nội suy giữa các lưu vực đã nghiên cứu với giá trị đưa về trung tâm lưu vực:
60 0 0 10 F M S S Q = (9.5) với QS0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (chuẩn) kg/s; S0 - độ đục trung bình nhiều năm của nước (chuẩn) g/m3; M0 - mơ đun dịng chảy trung bình nhiều năm của nước tại tuyến tính tốn l/skm2;
F - diện tích lưu vực tính tốn, km2.
Bản thân độ đục trên bản đồ mang tính địa đới và kéo theo nó là dịng chảy rắn. Khi nội suy cần tuân thủ các nguyên tắc về các yếu tố ảnh hưởng. Trong thực tế sử dụng bản đồ độ đục được xây dựng cho
Độ đục các sông nhỏ thường cao hơn sơng có tài liệu xây dựng trên bản đồ cho nên dùng bản đồ cần đưa
thêm một hệ số hiệu chỉnh, xác định theo công thức: 0
0M KcS
S = (9.6) với S0 - độ đục trung bình nhiều năm của nước sông trong vùng địa đới xác định theo bản đồ; Kc - hệ số chuyển đổi.
Hệ số biến đổi dòng chảy năm của phù sa lơ lửng các sông chưa nghiên cứu cũng xác định theo
phương pháp sơng tương tự nhưng cần tính đến các quan hệ địa phương.
Hệ số bất đối xứng các sông chưa nghiên cứu thường được lấy bằng hai lần giá trị hệ số biến đổi. Phù sa đáy thường chiếm không đáng kể so với phù sa lơ lửng và thường không vượt quá 20% ở vùng đồng
bằng; 30-35% ở vùng núi.
9.3. TÍNH TỐN LẮNG ĐỌNG HỒ CHỨA
Khi tính tốn lắng đọng hồ chứa và thời gian phục vụ cần có mọi tham số phù sa lơ lửng và phù sa đáy do sơng ngịi mang đến, xác định lượng vật chất do xói ngang mang đến từ bờ hồ chứa và các nhân tố lắng
đọng khác.
Lượng phù sa từ bờ xác định bằng các đặc trưng trắc địa bản đồ đoạn thung lũng sơng có hồ chứa, đất
đá, vận tốc và hướng gió, sóng trong hồ.
Cần làm rõ thành phần và lượng phù sa trầm tích ở đáy hồ để tính chế độ sơng ngịi phía dưới đập, do khơng đủ phù sa đáy nên xảy ra xói mịn mạnh v.v..
Để đánh giá phân bố phù sa trong lòng hồ cần có các thơng tin về các giá trị và phân bố vận tốc dòng
chảy trong hồ với các hạt phù sa lơ lửng có độ lớn thủy lực cho trước.
Với điều tiết nhiều năm và hệ số điều tiết lớn thực hiện cả những tính tốn độ khống hoá của nước với thang thành phần hoá học.
Để đánh giá gần đúng thời đoạn trung bình lắng đọng của hồ với trầm tích phù sa đều theo các chu kỳ
khác nhau sử dụng công thức: ) 1 ( −δ = s n W W T (9.7) với T - thời đoạn lắng đọng trung bình của hồ (năm); Wn - thể tích chết của hồ; Ws - thể tích phù sa tổng trung bình nhiều năm; δ - phần chuyển đi của phù sa khỏi hồ chứa (%).
Giá trị Ws được tính theo cơng thức:
β 3 10 . 5 , 31 . 0 s Q Ws= (9.8)
β- mật độ trung bình của trầm tích đáy T/m3. 9.4. LŨ BÙN ĐÁ
Lũ bùn đá là dòng hỗn hợp nước và đất đá (60%) mạnh, ngắn với sức phá huỷ ghê gớm trên các lưu vực sông nhỏ miền núi. Lũ bùn đá xuất hiện khi có dịng chảy mặt mạnh do mưa lớn, vỡ hồ chứa trên các sườn đầy vật chất bị phong hoá.
Các yếu tố thuận lợi để xuất hiện lũ bùn đá là:
134
2. Sự xuất hiện trên các sườn, thung lũng và đáy sông một lượng lớn các vật chất rắn, bở rời - sản phẩm của xói mịn.
3. Xuất hiện mưa đột ngột với cường độ lớn nhưng lượng ít.
Thực vậy lũ bùn đá hay xuất hiện tại các lưu vực vùng núi vùng sa mạc hay bán sa mạc từ các lưu vực nhỏ có mưa lớn.
Cường độ xói mịn mạnh mẽ trên các lưu vực có lũ bùn đá là nhờ các yếu tố khí hậu, địa mạo lưu vực và các sườn. Khi xảy ra lũ quét, một khối lượng lớn vật chất nằm trong trạng thái mất cân bằng cho nên chỉ cần một tác động nhỏ (mưa lớn) là kéo theo một chuyển động lớn của khối vật chất đó xuống phía dưới và cuốn theo các vật chất mới trên quĩ đạo chuyển động và hình thành lũ bùn đá.
Lũ bùn đá có thể chứa tới 600 -1000 kg phù sa trên 1 m3 nước trong khi sơng ngịi có độ đục cao chỉ có 150 kg/m3.
Thể tích bùn đá do một con lũ mang theo có thể tính theo cơng thức:
, ) ( 1000g t F F WS =ωS = (9.9) với Ws - thể tích phù sa m3; ωs - thể tích riêng lượng vật chất đưa ra m3/km2; hàm trọng sốg (t) - lớp bùn đá