Cấu trúc địa hình lòng sông ( Biên dịch Nguyễn Thanh Sơn ) - Chương 1 pps

`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

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

x

z

∂

∂

và

y

z

∂

∂

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

z

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

và đồng thời xấp xỉ với tính linh động trung

bình

k

m

t

z

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

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

Theo công thức:

∑ư

=

ư

1

1

1 N

F N

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

hệ thống không trùng nhất giữa các phân nhóm

Nếu tiến hành sự phân nhóm theo tập hợp m tham số thì sử dụng quan hệ F – tổng quát [70]

1

1

+

ư + +

+

+

ư

ư +

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

giá trị:

( )' 2 ≥ 0

≈

ư S u

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