Cấu trúc địa hình lòng sông ( Biên dịch Nguyễn Thanh Sơn ) - Chương 3 pptx

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 b

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

dp=àλ àư 1expưλ à

(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

sườn trên của chúng Vì thế việc bổ sung độ cao sống các đụn đó

tăng lên

Hình 3.10 Biến dạng đụn cát chậm trong r∙nh sâu lòng sông Niger tại trạm

Geregu trong thời kỳ từ đỉnh lũ (07.10.78) (a) đến kỳ kiệt (11.04.79) (b)

Hình 3.11 Biến dạng nhanh đụn cát trên sông Niger thành phải đảo

Adraokut trên lũ xuống

Theo mức kết hợp và thành tạo các đụn cát thụ động hai chiều trong thời kỳ kiệt trên các đoạn đồng mực nước trong sông Niger bắt đầu tạo nên các đụn cát chủ động ba chiều, kích thước của chúng tương ứng với các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy Khi đó các đụn cát chủ động được hình thành mới nhanh chóng dịch chuyển xuống dưới theo dòng chảy trở thành nhân tố chính của dịch chuyển các đụn cát thụ động hai chiều (Hình 3.12) Mô tả sự thay đổi đụn cát chi phối dạng tổng quan của quan hệ giữa các tham số đo đạc hình thái và các đặc trưng thuỷ lực dòng chảy của chúng Quan hệ kiểu như thế là giống nhau đối với đụn cát nhiều sông Thí dụ như nó đã được mô tả bởi Allen [104] đối với sông Vezer, B Ph Snhisenco [43] đối với sông Polomet

Các cồn cát được tách ra và được nhiều người nghiên cứu [2, 50] Một phần chúng là các dạng xung đột của địa hình đáy lòng sông, đôi khi nó chính là cơ sở

Đường cong phân bố độ dài cồn cát thường được mô tả tốt bằng phân bố gama, nhưng thông tin đầy đủ về độ cao của chúng hiện tác giả cũng chưa được tường minh Chiều dài trung bình của cồn cát tăng theo sự tăng lượng nước sông Số liệu về

sự thay đổi kích thước của cồn cát trên đoạn sông Niger từ trạm Geregu đến trạm Adraokut khi thay đổi lượng nước sông trong vòng một năm thuỷ văn nhận được trong kết quả đo sâu nhiều lần trên các mặt cắt dọc cố định theo đáy rãnh không sâu

Để tăng mức độ khách quan của chuỗi cao độ đáy người ta tiến hành phân tích phổ Trên đường cong mật độ phổ các cao độ đáy

) k (

S , tách ra miền cực đại thứ nhất tương ứng với vũng Nó

được giới hạn bởi số sóng tương ứng với hai cực tiểu của hàm Chiều dài vũng được xác định theo số sóng tương ứng với

cực đại của mật độ phổ S trong miền này Độ cao trung bình của

1

m k

cồn cát h3 được tính theo phần trăm phương sai của chuỗi gắn

với miền đó: h3 = ∫S ( k1) dk1 Chiều dài cồn ghi được khi lũ lên

hầu như không thay đổi với sự giảm lưu lượng và mực nước Độ

cao cồn cát tăng dần khi lũ lên và ở đỉnh lũ, còn trong thời gian

lũ xuống hầu như không đổi và chỉ ở cuối lũ xuống và vào thời

kỳ kiệt, khi mà độ sâu trung bình trong rãnh nhỏ hơn 0,4 m,

cồn cát bắt đầu chảy Trong thời gian đó dạng cồn cát chịu sự

thay đổi đáng kể: từ một sóng cát đối xứng với mái nghiêng lồi

phẳng chúng trở nên bất đối xứng mạnh Mái sườn trên chảy ra

trở nên hầu như nằm ngang, chiều dài của nó gần với bước cồn

cát Độ cong mái sườn dưới của cồn cát có góc mái nghiêng tự

nhiên 33 – 350

Vận tốc dịch chuyển của cồn xuống dưới theo chiều dòng chảy khá lớn: trên đỉnh lũ nó là 4,5 m/ngày đêm, lúc

lũ xuống – 2,3 m/ ngày đêm, còn mùa kiệt – 0,3 m/ngày đêm

Xem xét đồng thời các quan hệ của độ cao trung bình của

các gợn sóng và sóng cát độ phức tạp khác nhau với các nhân tố

thuỷ lực xác định (xem hình 3.5) chứng tỏ rằng đối với mọi dạng

đáy đặc trưng sự hiện diện của hai nhánh quan hệ đó Khảo sát

nhánh tăng độ cao tương đối h / H (hay độ cong h / L) của các

dạng đáy với sự tăng của vận tốc dòng chảy tương đối

và sau khi đạt tới cực đại nhánh giảm độ cao tương đối (độ

cong), tức là sự bào mòn các dạng đáy với sự tăng tiếp tục

Tuy nhiên sự bào mòn gợn cát bắt đầu với vận tốc dòng

chảy bé hơn so với sự bào mòn sóng cát nhỏ và vừa và sóng cát

càng lớn thì vận tốc cần để bào mòn chúng càng lớn Kết quả

cho khả năng các điều kiện thuỷ lực khi trên các đụn cát không

tách (hoặc thể hiện yếu) các gợn sóng trên bề mặt cồn cát sẽ

không có các đụn cát v.v Việc đánh số các sóng cát nhỏ và vừa

nêu trên dựa trên vị trí của chúng trong chuỗi bậc thang, bỏ

qua sự thống nhất về dấu hiệu định dạng

H u

và cồn cát Nhưng trong điều kiện vận tốc dòng chảy lớn (2,5 – 3,0 m/s) và tính linh động của đất đáy cao (đường kính trung bình của hạt 0,3 – 0,4 mm) tổ hợp này không ổn định và thưởng xuyên thay đổi một và chỉ một sóng cát lớn trong các thời điểm khác nhau với vận tốc và độ sâu dòng chảy ít thay đổi có thể có