Hệ thống dòng chảy - lòng dẫn là cơ sở cho thảo luận này.
Đối với một đoạn lòng dẫn trong một thời khoảng trung bình
đặc trưng không chịu sự thay đổi đơn hướng, sự hao hụt năng l−ợng ε0 có thể biểu diễn qua các tham số ngoại của hệ thống - lưu lượng nước Q và góc nghiêng mặt nước l:
o =ρgQI
ε (4.1)
Mặt khác, sự tiêu ao năng l−ợng có thể biểu diễn qua các tham số nội của hệ thống. Theo tiên đề của A. N. Komogorov tiêu hao năng l−ợng riêng ε =k(u'3)/λ với u' - vận tốc bình ợng rối; λ - tỷ lệ tuyến tính đặc tr−ng của hệ; k - hệ số. Tiên đề này đ−a ra từ lý phương trung bình được xácđịnh theo năng lư
thuyết đồng dạng hoàn toàn tương ứng với thể hiện ở dạng thành phần tiêu tán của ph−ơng trình thuỷ lực:
U F g 3
o ρ
=
ε C2o H (4.2)
với U - vận tốc trung bình của dòng chảy, H - độ sâu trung bình, F - diện tích mặt cắt ướt, ρ và g - mật độ nước và gia tốc rơi tự do.
Hệ số kháng C0 lại chính là một hàm phức tạp của các nhân tốc ngoại sinh của quá trình lòng sông và hình thái lòng dÉn.
(H/D;H/h ;L /h ;L /L ;b/H )
f
Co= Γ Γ Γ H B ...
Từ công thức (4.1) và (4.2) ta nhận đ−ợc:
Giá trị Q và I0 đ−ợc cho the F. HP U C QI 1 3
2o
o = o các điều kiện trong hệ thống mực cao hơn hệ thống dòng chảy - lòng sông.
dẫn với Q và I0 không đổi có thể gặp trong các sự kết hợp
đa dạng. Xuất phát từ số liệu của công trình [116] hệ thống dòng chảy - lòng sông có tối thiểu là 8 bậc tự do: chiều rộng lòng
hÊt tíi bê gÇn nhÊt ba; độ sâu cực đại Hm; độ uốn khúc (độ phân nhánh) P; độ cao
sóng c rí mái d−ới són
t số bậc địa hình lòn
Chúng hầu nh− không thay đổi theo tỷ lệ trung bình thời gian vài chục năm. Đồng thời các tham số hình thái học của lòng
dẫn b; độ sâu H; khoảng cách từ đường sâu n
át hr; chiều dài sóng cát Lr; vị t g cát LH. Vì
trong lòng sông th−ờng tồn tại mộ g dẫn, nên số bậc tự do (đặc tr−ng hình thái lòng sông và dạng lòng dẫn) tăng thêm nhiều. Điều này phù hợp với số l−ợng vô hạn các trạng thái cân bằng của hệ thống. Các tính toán cơ bản chứng tỏ rằng nếu chỉ biết các giá trị Q và I0 thì dạng hình thái của lòng dẫn là không xác định. Trên hình 4.7 chỉ ra miền tồn tại các dạng lòng sông (trong toạ độ độ cong và độ rộng tương đối b/H)
với Q = 100 m3/s, I0 = 0,0003, hệ số nhám n = 0,02 và các vận tốc dòng chảy trong khoảng 0,6 - 2,5 m/s. Tại miền này phân bố chủ yếu các dạng hình thái lòng sông : thẳng, cong và phân nhánh [85].
Đồng thời một số yếu tố chứng tỏ rằng dạng hình thái mỗi lòng sông cụ thể rất ổn định. Thí dụ, đoạn uốn khúc của sông Istuit ở trung lưu Uelse vào tháng 10 năm 1969 được nắn thẳng và chuyển thành kênh, tuy nhiên chỉ sau một năm đoạn sông lại phục hồi sự uốn. Trong lòng dẫn sông này từ năm 1800 đến 1920 lấy nước để sản xuất khoáng sản. Kết quả là lòng dẫn hẹp
đơn nhánh uốn khúc vào năm 1904 biến thành lòng dẫn rộng hơi cong với các cù lao và các nhánh trên bãi bồi. Nh−ng sau khi chấm dứt các tác động nhân sinh thì hình thái nguyên thuỷ của lòng dẫn lại đ−ợc phục hồi và đến năm 1978 lòng dẫn của sông
Các biến độc lập
lại hẹp và đơn nhánh (tuy vẫn còn hơi cong) [121]. Thậm chí tại sau đập thuỷ điện, không xét tới sự tái tạo địa hình lòng dẫn, dạng hình thái lòng dẫn đôi khi cũng không thay đổi. Ví dụ ở sau đập thuỷ điện Novosibia trên sông Obi trên đoạn 10 km xói sâu lòng dẫn trở thành đa nhánh, mặc dầu trên một số khu vực diễn ra sự phức tạp hoá các dạng đang tồn tại, còn trên một số khu vực khác - thành tạo mới các mép phân nhánh [95].
Cũng khá tập trung theo thời gian kích th−ớc các thành phần riêng rẽ của lòng sông và các dạng lòng dẫn, lấy trung bình cho các thời đoạn đặc tr−ng biến đổi nhiều năm của dòng chảy. Chỉ do thay đổi dòng chảy nước và phù sa rất lớn, hoặc là cảnh quan lưu vực, dạng hình thái học lòng sông một con sông cụ thể mới thay đổi rõ rệt.
Mâu thuẫn giữa số l−ợng vô hạn các mối liên kết các thành tố địa hình lòng sông với tính ổn định lớn của hình thái học lòng sông cụ thể, từ khía cạnh thứ nhất và tính tập trung kích th−ớc các tham số hình học chính của nó, từ khía cạnh
khác đ−ợc giải thích bởi sự hiện diện một l−ợng lớn các nhân tố tự nhiên mà chúng kiểm soát các tham số hình thái lòng sông, từ một phía và tính xác định địa lý chế độ lòng dẫn sông ngòi, từ phía khác.
Bảng 4.1. Các nhân tố quá trình lòng sông cần thiết để tính toán các thành tố hình thái lòng sông
Các biến phụ thuéc (Tõ sè thành tố hình thái lòng dẫn)
Công thức tính toán Từ số thành tố hình thái lòng dẫn
Từ số nhân tố quá
trình lòng sông
Lr (2.39)*;(2.40)*;
hr (2.49)*;(3.1)**; (3.6)**
b, H, P D, σ, ρs, ρw+, ®−êng quá trình,
P (4.95)*; (4.129)*;
H
D, σ, ρs, ρw+, ®−êng
m (4.69)*; (4.112)**
Lr
quá trình, H , T,
0
tính chất địa chất công trình, thảm b, H, hr,
B
toC, Q, I , S, các
thùc vËt
H công thức lưu lượng
n−íc
Nh− trên
b quan hệ thuỷ văn - địa
b, P, hr, Lr u vùc, chÕ mạo
Nh− trên + cảnh quan l−
độ thuỷ văn dòng chảy, lịch sử phát triÓn thung lòng
Chú giải: 1. D - đường kính trung bình của đất đáy phương đất đáy; ρs, ρw- - mật độ đất đáy và mật độ nước ;
lửng; HB - độ cao bờ; toC - nhiệt độ nước; T - thời gian phát ốn; 2. Ký u "*" - đánh số ình [90]; ký hiệu h số công thức trong sách nà
; σ - độ lệch quân S - nồng độ phù sa lơ
triÓn khóc u hiệ công thức trong công tr
y.
"**" - đán
Trong kh hiện về mối liê hiên xác địn x−ớng trật bậc tự do hệ thống dòng c sau đây, tức là tính toán kích th−ớc các thành ph hình lòng sông (bảng 4.1)
uôn khổ các biểu học lòng sông và các nhân tố tự n
tự giảm số
n hệ hình thái h nó có thể đề ahỷ - lòng sông
ân cấu trúc địa
Hình 4.7. Miền tồn tại các dạng hình thái lòng sông
1- thẳng với băng sóng cát, 2- thẳng với đụn cát. 3- thẳng với cù lao, 4 - cong, 5 - cong - phân nhánh. 6 - nhiều nhánh, 7 - ranh giới các miền thay đổi hình thái
lòng sông
Không bàn tới sự tồn tại các quan hệ ng−ợc - tính phụ thuộc lẫn nhau của các biến trong số các đặc tr−ng hình thái lòng sông, trong mọi công thức tính toán đều có mặt các biến từ các nhân tố bên ngoài quá trình lòng sông. Từ số l−ợng thông tin về các nhân tố này cần phải tăng theo mức độ giảm bậc tự do của hệ thống và triệt tiêu tính không xác định về hình thái các thành tố địa hình lòng sông. L−ợng các nhân tố tự nhiên bên ngoài cần thiết để triệt tiêu tính không xác định của trạng
g
ng các quan hệ thuỷ văn - địa mạo thực n
thái hệ thống dòng chảy - lòng sông, tăng gần 3 lần nhanh hơn so với
iảm số bậc tự do (Hình 4.8).
Có thể thành lập nguyên lý hiệu chỉnh phân tích lòng dẫn, theo đó để đạt độ chính xác cần thiết của tính toán hình học lòng sông cần biết số l−ợng các nhân tố bên ngoài của quá
trình lòng sông t−ơng ứng. Khi có thông tin về 9 nhân tố quá
trình lòng sông, có thể tính kích thước các thành tố địa hình sóng cát. Để xác định các đặc tr−ng hình dạng mặt cắt −ớt của lòng sông và độ uốn của nó cần cỡ 20 nhân tố bên ngoài. Cho
đầy đủ đặc tr−ng địa mạo của lòng sông chỉ bằng lý thuyết hiện nay ch−a thể đáp ứng. Để xác định các tham số hình học quan trọng nhất của lòng sông - độ rộng b, đối với các điều kiện địa mạo cảnh quan cụ thể cần xây dự
ghiệm (làm tăng đột ngột số nhân tố tự nhiên thực tế
®i kÌm).
Hình 4.8. Hệ thức số bậc tự do N hệ thống dòng chảy - lòng sông và số các nhân tố tự nhiên bên ngoài đ∙ biết
Mối quan hệ giữa hình học các dạng lòng dẫn và các nhân tố xác định chúng, dẫn trong bẳng 4.1, về dạng liệt vào hạng tất định với quan hệ nghịch. Nhờ chúng khi có một bộ các nhân tố tự nhiên bên ngoài của quá trình lòng sông cần thiết đầy đủ có thể tính một tổ hợp duy nhất các đặc tr−ng hình thái lòng sông. Xuất phát từ khả năng này M. A. Velicanov [12] đã thành lập nguyên lý giới hạn các tổ hợp hình thái tự nhiên: các dạng lòng dẫn tương đối ổn định, và tất nhiên là đồng dạng nếu nó để ra các quá trình có khả năng khôi phục chúng. M. A. Velicanov giả thiết rằng nguyên lý này tạo nên cơ sở đối với sự phân loại
địa mạo lòng sông. N. I. Makaveev gắn nguyên lý giới hạn các tổ hợp tự nhiên đến một trong các quy luật chủ yếu của quá trình lòng sông nhưng có lưu ý rằng nảy sinh nhiều phương án hình dạng chính t−ơng ứng với các giai đoạn phát triển khác nhau của tổ hợp hình thái, cũng nh−
vào điều này rằn g sự hình thành
địa hình lòng dẫn có tính ngẫu nhiên. Nhièu nhân tố tự nhiên
h thái t−ơn
chi phối theo chu kỳ hoặc sự thay đổi có định hướng của các nhân tố tạo lòng. Có thể bổ sung
g thậm chí với cả chế độ dừn
có bản chất xác suất. Mỗi dạng lòng dẫn thuộc nhân cấu trúc mà nó mô tả bằng các kích thước đặc trưng và đường cong phân bố kích thước. Sự hiện diện đối với mỗi thành tố hình thái lòng dẫn t−ơng tự nh− đ−ờng cong phân bố làm cho các tổ hợp hình thái tự nhiên không đơn trị, kích thước các dạng lòng dẫn biến
động trong một phạm vi lớn. Tựu trung chỉ có thể đánh giá các tham số đường cong phân bố các đặc trưng hình thái lòng dẫn.
Điều này dẫn tới sự xuất hiện một h−ớng mới tích cực trong lý luận và thực tiễn quá trình lòng sông - nghiên cứu các quy luật thống kê tác động tương hỗ dòng chảy và lòng sông [65].
Làm rõ toàn bộ tổ hợp cấu trúc bậc thang các dạng lòng dẫn và tính toán các kích thước đặc trưng không dẫn tới việc xác
định dạng hình thái động lực của lòng dẫn. Để xác định dạng
lòng dẫn cần phải làm rõ bậc cấu trúc (nhân cấu trúc), nơi diễn ra sự ổn định thuỷ lực các dạng lòng dẫn sóng cát, mà chúng sẽ xác định dạng lòng sông. Các ví dụ đ−ợc dẫn ra chứng tỏ rằng sự chuyển từ dạng lòng dẫn sóng cát đến quá trình củng cố thành tạo bồi cho các hình dạng lòng sông có thể xảy ra trong một khoảng bậc tổ chức hình thang của địa hình lòng sông rộng lớn. Mực này trong bậc thang càng thấp hình thái lòng thành tạo càng phức tạp với cùng độ phức tạp đồng đều của cấu trúc
địa hình lòng sông và tỷ lệ kích thước các dạng lòng dẫn với độ rộng lòng sông, Cùng lúc đó có thể xảy ra sự phân hoá các dạng hình thái lòng dẫn, chi phối sự ổn định các dạng lòng dẫn của các mực bậc thang khác nhau. Ví dụ như sông Terec ở hạ lưu, sông V−tregda ở vùng cửa sông V−m, sông Niger ở châu thổ bị uốn khúc. Các khúc uốn lòng sông các sông đó về hìn
g tự nhau, và phạm vi quan hệ b−ớc nhảy của khúc uốn và chiều rộng lòng sông giống nhau. Tuy nhiên các khúc uốn hạ lưu sông Terec - đó là các dạng nguyên thuỷ của lòng dẫn, chúng đ−ợc thành tạo với sự lầy hoá dần các bãi bao bọc các tuyến vận chuyển dòng chảy sông ngòi. Các khúc uốn sông V−tregda đ−ợc hình thành bởi cây cỏ mọc lên và các đụn cát bao phủ bởi aluvi bãi bồi (các sóng cát cực lớn), còn các khúc uốn nhánh sông ở châu thổ sông Niger đ−ợc thành tạo do sự ổn định các dải cát lớn nhỏ hơn - sóng cát. Đảo trong châu thổ sông Enhixây và th−ợng nguồn sông Obi cũng t−ơng tự về hình thái, vì sự tạo dáng chúng và tỷ lệ chiều dài với chiều rộng đ−ợc xác
định bởi hình dạng lợi về thuỷ lực [118]. Nh−ng chúng lại thuộc các mực cấu trúc địa hình lòng sông khác nhau và tuân theo các mối quan hệ khác nhau của các đặc tr−ng hình thái và thuỷ lực lòng sông.
Nh− vậy, dạng hình thái động lực của lòng sông đ−ợc xác
định từ một phía là bởi cấu trúc thuỷ lực chi phối của địa hình
lòng dẫn sóng cát (có tính đến tính không đơn trị của tất cả sự chi phối này), còn mặt khác là bởi các điều kiện khí hậu cảnh quan trên lưu vực sông ngòi, chúng xác định khả năng ổn định các dạng lòng dẫn và cơ sở thành tạo các dạng lòng sông trên đó.
Các điều kiện khí hậu cảnh quan đ−ợc xác định bởi thành phần thảm thực vật c− trú trên các bãi, quan hệ chu kỳ linh động cực
đại của lớp phù sa hoạt động trên bãi và mùa gia tăng thảm thực vật, độ đục của nước trong sông vào thời kỳ ngập bãi, tính chất chuỗi động lực tiến hoá của thực vật bãi, dung l−ợng và
động lực địa hình bãi. Do sự khác biệt của các điều kiện này vận tốc tăng trưởng chiều dày aluvi bãi thay đổi từ 1,0 - 1,5 m cho 1000 năm ở hạ lưu sông Terec và Amua -Dary. Trong châu thổ sông Enhixây, Taza, Iana trên cơ sở so sánh các trắc đạc giữa thế kỷ XIX - đầu thế kỷ XX với hiện tại làm rõ các cù lao, trên
đó không có thảm thực vật khoảng 130 năm. Đồng thời ở hạ lưu các
các nhân tố tạo lòng trong phạm vi một vùng cản
ợp cụ thể các nhân tố tự nhiên và kinh tế theo các
sông phía nam, nh− Terec, thời kỳ chuyển hoá hoàn toàn cù lao về đảo không v−ợt quá 20 năm và thực vật di trú diễn ra vào những năm đầu tiên sau khi ng−ng trệ sự chuyển hoá cù lao trong sông. Một l−ợng lớn sự kết hợp các điều kiện địa lý tự nhiên và thuỷ lực thành tạo địa hình lòng sông làm co hẹp mạnh miền áp dụng nguyên lý giới hạn các tổ hợp hình thái tự nhiên. Về điều này chứng tỏ tính so sánh kém của các quan hệ hình thái thuỷ lực rút ra đ−ợc bởi các tác giả khác nhau trên cơ
sở đo đạc thuỷ văn và hình thái diện hẹp. Đó là nguyên nhân khách quan của sự thiếu cơ sở lý luận của phân loại dạng vĩ mô
(hình dạng lòng dẫn) mà N. S. Znamenskaia đã ghi nhận trong hàng loạt vấn đề lý thuyết quá trình lòng sông khác ch−a đ−ợc giải quyết [28].
Tính chi phối thuỷ lực và khí hậu - cảnh quan các dạng địa hình lòng sông giải thích sự tồn tại hai phân loại cấu trúc bậc thang song hành của địa hình lòng sông (hình 4.9): phân loại
hình thái động học hiệu chỉnh và bổ sung của N. E.
Kondrachev (siêu nhỏ - nhỏ - vừa - lớn và siêu lớn) và R. S.
Tralov [97] (dạng sóng cát - dạng lòng sông) từ một phía, và phân loại thuỷ lực các dạng sóng cát, từ phía khác. Tỷ lệ xâm nhập vào hai phân loại này đ−ợc xác định bởi các nhân tố khí hậu - cảnh quan bằng tình trạng các dạng lòng dẫn trong bậc thang bị chi phối bởi các đặc tr−ng thuỷ lực của dòng chảy bậc cấu trúc của địa hình lòng dẫn. Sự kết hợp các nhóm nhân tố ít quan hệ dẫn đến sự đa dạng lớn lòng dẫn sông ngòi theo động lực và hình thái.
Trong các điều kiện này một trong các vị trí chủ đạo là các phương pháp địa lý nghiên cứu dạng địa hình. Các soạn thảo cảu N. I. Makaveev [52], R.S. Tralov [95] chứng minh rằng sự kết hợp cụ thể
h quan, một vùng địa chất - địa mạo, một lưu vực sông ngòi và các bộ phận của chúng, một lát cắt đã cho của lòng dẫn sông ngòi dẫn tới tiến hành việc thực hiện đầy đủ một dạng hình thái động lực xác định và tính chất của một chế độ lòng dẫn sông ngòi. Trên nền chung các nhân tố của lãnh thổ có thể là các quy luật hình thái lòng dẫn và tính chất biến hình lòng sông của vùng chung nhất, sự kết hợp các nhân tố tự nhiên đ−a ra các đặc thù của quá trình lòng sông.
Trong giai đoạn hiện nay sự phát triển các hướng địa lý của lý thuyết quá trình lòng sông và các thành phần ứng dụng của nó đã làm sự sáng tỏ các đặc điểm chính và các dạng biểu hiện của quá trình lòng sông (hình thái học và động lực học lòng sông) với cáckết h
vùng của đất nước, các lãnh thổ lớn, trên các lưu vực sông lớn và trên các con sông riêng biệt. Để giải quyết các vấn đề này cần phải [47]:
1) soạn thảo mô hình động lực cấu trúc của lòng sông, dựa