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

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hình thái học, động lực học và ảnh h-ởng 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 tr-ng 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 nh- trên các bậc thang...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc địa hình lòng sông ( Biên dịch Nguyễn Thanh Sơn ) - Chương 3

tr×nh ®¬n gi¶n còng nh− phøc t¹p, ®Çy ®ñ. Kh«ng tÝnh ®Õn trong c¸c ph−¬ng tr×nh Saint – Vernant sãng bÒ mÆt tho¸ng dÉn ®Õn sù mÊt th«ng tin vÒ c¸c gîn sãng. TÝnh trän vÑn bÞ suy gi¶m Ch−¬ng 3 ngay c¶ tÝnh cÊu tróc cña phæ liªn tôc c¸c thµnh t¹o lßng s«ng vµ lµm cho viÖc lµm s¸ng tá c¸c líp riªng biÖt c¸c d¹ng lßng s«ng lµ kh«ng thÓ. H×nh th¸i häc, ®éng lùc häc vµ ¶nh h−ëng qua l¹i c¸c nguyªn tè cÊu tróc cña ®Þa h×nh lßng s«ng CÊu tróc bªn trong cña hÖ thèng dßng ch¶y – lßng s«ng , phøc t¹p vµ bËc thang cã chÝnh ®Æc tr−ng lµ gi÷a c¸c nguyªn tè cña ®Þa h×nh lßng s«ng tån t¹i chØ cã quan hÖ h×nh th¸i vµ thiÕu h¼n c¸c quan hÖ trùc tiÕp vµ nh©n qu¶. Mäi t¸c ®éng cña mét nguyªn tè tæ hîp d¹ng lßng s«ng ®Õn nguyªn tè kh¸c (trªn cïng mét bËc thang còng nh− trªn c¸c bËc thang kh¸c nhau) diÔn ra qua c¸c nguyªn tè cÊu tróc dßng ch¶y nh− lµ phÇn c¨n b¶n trong hÖ thèng dßng ch¶y – lßng s«ng. Cho nªn khi xem xÐt trong t−¬ng lai quan hÖ t−¬ng hç cña ho¹t ®éng kinh tÕ häc vµ ®éng lùc häc c¸c d¹ng lßng s«ng kh¸c nhau vµ tËp hîp cña chóng sÏ cã kiÓu lµ c¸c ¶nh h−ëng qua l¹i nµy bÞ trung b×nh ho¸, vµ thÕ nªn c¸c tÝnh chÊt cña nã víi cïng mét h×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc cña d¹ng ®Þa h×nh ®ang xÐt, vÒ tæng thÓ hoµn toµn kh«ng ®¬n trÞ do b¶n chÊt ngÉu nhiªn truyÒn t¸c ®éng cña cÊu tróc dßng ch¶y. Møc ®é kh«ng ®¬n trÞ nµy gi¶m víi sù t¨ng cèt lâi cÊu tróc dßng ch¶y vµ cÊu tróc ®Þa h×nh lßng s«ng. Kinh nghiÖm nhiÒu n¨m ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p h×nh th¸i häc ®Ó ph©n tÝch ®éng lùc ®Þa h×nh lßng s«ng kh¼ng ®Þnh ë møc ®é cao tÝnh cèt lâi ®ã. Tuy nhiªn trong mçi tr−êng hîp cô thÓ vÊn ®Ò nµy ®ßi hái sù xem xÐt kü l−ìng h¬n. 57 58
®−îc thùc hiÖn khi 3.1. Gîn sãng (sãng c¸t nhá nhÊt) L p < 2πHβ'3 Fr B. Ph. Snhisenco [91] gäi gîn sãng lµ c¸c d¹ng ®¸y víi b−íc sãng ®Æc tr−ng cì ®é s©u dßng ch¶y. Richads [129] ph©n ra c¸c víi β'3 = β 3 d¹ng t−¬ng tù d−íi tªn gäi lµ gîn sãng mega. Nh− vËy, gîn sãng B−íc sãng, mµ ®èi víi nã vËn tèc t¨ng biªn ®é x¸o trén cùc ®−îc hiÓu lµ c¸c sãng c¸t nhá nhÊt, kÝch th−íc cña nã phô thuéc ®¹i, ®−îc x¸c ®Þnh theo hÖ thøc vµo ®é s©u dßng ch¶y. dk1 Im(c)/(dk1 ) = 0 Kh¶o s¸t tÝnh kh«ng æn ®Þnh cña dßng ch¶y vµ lßng s«ng Cùc trÞ nµy quan s¸t ®−îc khi theo quan hÖ víi khuÊy ®éng ban ®Çu chøng tá r»ng thuéc ph¹m trï nµy bao gåm c¸c sãng c¸t hai chiÒu, kÝch th−íc cña L p = 2πHβ '3 Fr / 1 + αFr 2 . (3.1) chóng ®−îc x¸c ®Þnh bëi sù hiÖn diÖn søc kh¸ng ®¸y vµ sãng BiÓu thøc nµy chÝnh x¸c ho¸ c«ng thøc (2.9) nhËn ®−îc bëi trªn mÆt tho¸ng cña dßng ch¶y. XuÊt ph¸t tõ ®iÒu nµy cã thÓ A. E. Mikhinov [60] trªn c¬ së c¸c gi¶ thuyÕt gÇn ®óng. ®¬n gi¶n ho¸ hÖ ph−¬ng tr×nh (2.19) ®Ó nhËn ®−îc lêi gi¶i gi¶i tÝch cho ®é dµi cña gîn sãng. TÝnh hai chiÒu cña gîn sãng cho phÐp bá qua ®é cong cña ®−êng dßng vµ c¸c tham sè thuû lùc thµnh phÇn nagng. Khi ®ã, ta nhËn ®−îc hÖ: a1 A + c1 P = 0 ; a3 A + c3 P + d3 T = 0 ; a 4 A + d4 T = 0 , víi U1 i ; c1 = g − U12 Hβ 3 k12 ; a1 = α 1U1 − 2 g 2 C o H k1 a3 = H ; c3 = U1 − c ; d3 = −U1 + c ; a4 = M ; d4 = − c . H×nh 3.1. Gîn sãng hai chiÒu trong lßng s«ng Lªna t¹i tr¹m Mokhsogolokh. Sau khi lo¹i c¸c biÕn A, P, vµ T, sù ph©n chia c¸c vËn tèc tæ Gîn sãng lµ mét trong nh÷ng h¹ng phæ biÕn nhÊt cña c¸c hîp ra ph©n thùc vµ phÇn ¶o vµ bá qua c¸c sè h¹ng nhá thu d¹ng ®¸y. Kh¶o s¸t chóng tiÕn hµnh trªn s«ng Niger ë kho¶ng ®−îc quan hÖ ph−¬ng sai: ®é s©u H = 2,0 ... 20,0 m, vËn tèc dßng ch¶y U = 0,6 .... 1,7m/s, β 3U 12 H k12 − g 2 gU 12 Im(c ) = (αU ) ®−êng kÝnh h¹t trung b×nh D = 0,7 ... 0,8 mm; trªn s«ng Obi víi M 2 − gH + β 3U12 H 2 k12 2 C o H k1 H = 2,0 ... 5,0 m, vËn tèc dßng ch¶y U = 0,6 .... 1,0m/s, ®−êng 1 §iÒu kiÖn Im( c ) > 0 – t¨ng biªn ®é x¸o trén theo thêi gian – kÝnh h¹t trung b×nh D = 0,7 ...2,0 mm. Trªn s«ng Lªna H = 3,0 59 60
... 7,0 m, vËn tèc dßng ch¶y U = 0,8 .... 1,5m/s, ®−êng kÝnh h¹t Xö lý sè liÖu ®o ®¹c hiÖn tr−êng vµ c¸c sè liÖu thùc nghiÖm [124] chøng tá r»ng hÖ sè biÕn ®æi ®é dµi gîn sãng Cv = σ L / L p trung b×nh D = 0,25 mm Gîn sãng lµ d¹ng ®¸y hai chiÒu. Th©n cña chóng thuéc sèng thay ®æi trong mét giíi h¹n hÑp vµ trung b×nh kho¶ng 0,40 c¾t h−íng dßng ch¶y mét kho¶ng v−ît qu¸ b−íc gîn sãng däc (H×nh 3.3 a). dßng ch¶y. VÝ nh− trong lßng s«ng Lªna t¹i tr¹m Mokhsogolokh (H×nh 3.1), b−íc gîn sãng theo dßng ch¶y lµ 5 – 10 m, cßn ®−êng sèng tr¶i dµi tõ 200 – 300 m. Th−êng ®−êng sèng cña gîn sãng cong, h¬n thÕ b−íc cña khóc uèn nµy gÇn víi b−íc cña gîn sãng däc theo dßng ch¶y nhê nã mµ h×nh d¹ng mang d¸ng dÊp ba chiÒu. Nh−ng thËm chÝ trong c¶ tr−êng hîp nµy c¸c gîn sãng còng t¸ch b¹ch song song tõng d¶i víi nhau theo mÆt c¾t ngang. Trong mÆt c¾t däc gîn sãng ®Æc tr−ng bëi d¹ng elip víi c¸c m¸i dèc trªn vµ d−íi. M¸i nghiªng trªn th−êng dµi h¬n m¸i d−íi – trªn s«ng Obi kho¶ng 70% tr−êng hîp hÖ sè bÊt ®èi xøng cña gîn sãng (LB–LH)/L lµ d−¬ng. Khi ®ã bÊt ®èi xøng d−¬ng cña gîn sãng kh«ng lín, 30% c¸c gîn sãng nh− thÕ hÇu nh− lµ ®èi xøng – LB /LH = 1,0 ... 1,19, thªm 30% – LB /LH = 1,2 ... 1,59, chØ cßn gÇn 40% gîn sãng thùc sù bÊt ®èi xøng LB /LH > 1,6; Nh÷ng nÕu t¹i c¸c gîn sãng quan s¸t thÊy bÊt ®èi xøng ©m ( ®é dµi m¸i H×nh 3.2. To¸n ®å c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i gîn sãng th−îng nguån d−íi LH dµi h¬n) th× nã l¹i biÓu thÞ mét c¸ch râ rµng (LH /LB > s«ng Obi 1,6) ë mét nöa c¸c gîn sãng nh− vËy, cßn d¹ng gÇn víi ®èi xøng (LH /LB < 1,2). quan s¸t thÊy chØ cã 10% c¸c tr−êng hîp. a– 11.07.85 b·i v¾t Ust–Pesan−i; b– 13.07.85 nh¸nh R−baxkaia §−êng cong ph©n bè ®é dµi gîn sãng (H×nh 3.2) theo ®Ò Trong tr−êng hîp nµy ®−êng cong ph©n bè ®é dµi gîn sãng xuÊt cña Saire [124] th−êng m« t¶ bëi ph©n bè gama d¹ng: m« t¶ bëi hµm víi mét tham sè – chiÒu dµi trung b×nh gîn sãng β α α −1 L exp(− βL )dL . dp = (3.2) Γ(α ) KiÓm tra tÝnh øng dông cña c«ng thøc (3.1) ®Ó tÝnh to¸n L p HÖ sè α vµ β liªn quan tíi ®é dµi trung b×nh gîn sãng L p tiÕn hµnh theo sè liÖu gèc vµ kh¶o s¸t thùc nghiÖm. T−¬ng quan ®é dµi gîn sãng trung b×nh cña ®o ®¹c vµ tÝnh to¸n trong σ2 vµ ph−¬ng sai cña chuçi bëi hÖ thøc sau: L kho¶ng vËn tèc dßng ch¶y U = 0,1 .... 2,5m/s; ®é s©u H = 0,001 σ2 2 L = α /β , = α /β , Γ – hµm gama ... 20,0 m, vµ ®−êng kÝnh phÇn tö h¹t D = 0,2 .... 2,0mm – lÊy L 61 62
trung b×nh, hÖ sè t−¬ng quan r = 0,66 (H×nh 3.4). Bá c¸c gi¸ trÞ thøc (3.1). C«ng thøc thùc nghiÖm ®¬n gi¶n h¬n: L p = 0 ,7 H chi phèi nh− lµ ®é chÝnh x¸c x¸c ®Þnh ®é dµi gîn sãng ®èi víi c¸c (3 . 3 ) ®iÒu kiÖn tù nhiªn còng nh− ®¹i l−îng biÕn β'3 x¸c ®Þnh bëi L p = 1,9 UH (3 . 4 ) ph©n bè vËn tèc thuû trùc cña vËn tèc thµnh phÇn dßng ch¶y. Gi¸ trÞ trung b×nh β'3 tÝnh ®−îc nhê c«ng thøc (3.1) theo sè liÖu còng cho c¸c kÕt qu¶ xÊp xØ. Tuy nhiªn c«ng thøc (3.1) cã ý ®é dµi thùc tÕ cña gîn sãng lµ 0,73 vµ kh«ng kh¸c mÊy víi gi¸ nghÜa lín ®èi víi viÖc t×m hiÓu c¬ chÕ h×nh thµnh gîn sãng vµ t¹o nªn kh¶ n¨ng t¨ng ®é chÝnh x¸c cña tÝnh to¸n khi triÖt tiªu tÝnh kh«ng x¸c ®Þnh trong c¸c tham sè. Ph©n tÝch nghiÖm hÖ (2.19) chøng tá (xem h×nh 2.8) r»ng trªn ®o¹n héi tô c¸c miÒn ph¸t triÓn gîn sãng vµ c¸c sãng c¸t nhá t¹o nªn c¸c cùc ®¹i ®Þa ph−¬ng. §é dµi t−¬ng øng víi c¸c cùc ®¹i ®ã m« t¶ bëi c«ng thøc (3.1) víi hÖ sè β'3 = 1,2 β'3 . C¸c gîn sãng ba chiÒu nh− vËy kh¸ phæ biÕn ë lßng s«ng Terek d−íi cöa s«ng Sundji. Chóng còng nhËn thÊy ë lßng s«ng Niger nh−ng kh«ng t¹o thµnh ë ®ã c¸c m¶ng lín. C¸c tµi liÖu thùc tÕ chøng tá r»ng b−íc gîn sãng ba chiÒu kho¶ng 2 lÇn lín h¬n b−íc gîn sãng hai chiÒu. §−êng cong ph©n bè ®é cao gîn sãng, theo gi¶ thuyÕt cña Vang vµ Tren [137] xÊp xØ ph©n bè Vªibul – Gnhedenco ( ) dp = µλh µ −1 exp − λh µ dh . (3.5) C¸c hÖ sè µ vµ λ quan hÖ víi h p vµ σ 2 h b»ng hÖ thøc σ h / h 2 = Γ(2 / µ + 1){[Γ(1 / µ + 1]2 − 10 }; h p = λ −1 / µ Γ(1 / µ + 1). Sè liÖu 2 p kh¶o s¸t hiÖn tr−êng vµ thùc nghiÖm chøng tá sù biÕn ®æi Ýt cña H×nh 3.3. Quan hÖ cña ®é dµi trung b×nh L (a) vµ ®é cao h (b) gîn sãng (1) hÖ sè biÕn ®æi ®é cao gîn sãng, gi¸ trÞ trung b×nh cña nã Cvh ≈ 0,5 cm (xem h×nh 3.3 b). Khi ®ã ®−êng cong ph©n bè ®é cao ®ôn c¸t (2) vµ ng−ìng ch¾n (3) víi ®é lÖch qu©n ph−¬ng trung b×nh cña ®é dµi vµ ®é cao c¸c d¹ng ®¸y trªn gîn sãng, vµ còng nh− ®é dµi ®−îc x¸c ®Þnh b»ng mét tham sè – ®é cao trung b×nh cña gîn sãng. gi¸ trÞ lý thuyÕt lµ 0,55. C¸c gi¸ trÞ β'3 rêi r¹c kh¸c víi trung XÊp xØ tuyÕn tÝnh trong lêi gi¶i ph−¬ng tr×nh thuû lùc b»ng b×nh 2 lÇn hoÆc h¬n. Sù ph©n t¸n lín c¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè β'3 dÉn tíi viÖc gi¶m m¹nh ®é chÝnh x¸c cña tÝnh to¸n theo c«ng 63 64
ph−¬ng ph¸p x¸o trén bÐ kh«ng cho kh¶ n¨ng thu ®−îc biÓu thøc cho ®é cao gîn sãng. C¸c c¸ch tiÕp cËn phi tuyÕn trong lý thuyÕt nµy cßn ch−a ®−îc so¹n th¶o ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn mét sè l−îng lín c¸c sè thiÖu thùc nghiÖm vµ kh¶o s¸t cña Ialin, Karakhan [139], V. K. Debonski, L. D. Kogan, N. A. Mikhailova [22] cho phÐp gi¶ thiÕt xÊp xØ sau vÒ phô thuéc cña ®é cao gîn sãng vµo c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc: ⎛ ⎞ U − uH U − uH hp exp⎜ − b ⎟. =a (3.6) ⎜ ⎟ H UH ⎝ ⎠ gH §èi víi gîn sãng s«ng Lªna c¸c hÖ sè a vµ b t−¬ng øngb»ng 1,6 vµ 0,5 (H×nh 3.5) TÝnh chÊt ngÉu nhiªn cña ph©n bè ®é cao vµ chiÒu dµi gîn sãng chi phèi quan hÖ x¸c suÊt gi÷a chóng víi kho¶ng biÕn ®éng lín c¸c gi¸ trÞ ®é cong cña gîn sãng h / L H×nh 3.4. Quan hÖ chiÒu dµi gîn sãng thùc tÕ Lp vµ chiÒu dµi tÝnh theo c¸c (H×nh 3.6) c«ng thøc : a– (3.1); b– (3.3) H×nh 3.6. Quan hÖ gi÷a ®é cao h vµ chiÒu dµi L cña gîn sãng (a) vµ ®ôn c¸t H×nh 3.5. Phô thuéc ®é cao h cña gîn sãng vµ ®ôn c¸t vµo c¸c nh©n tè x¸c (b) trªn s«ng Lªna ®Þnh – ®é s©u H, vËn tèc dßng ch¶y U vµ vËn tèc kh«ng xãi lë UH 65 66
Mét tham sè quan träng lµ ®é cong trung b×nh cña m¸i d−íi x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c gîn sãng nµy hoÆc kia theo trËt tù thêi gian. gîn sãng h p / L H . §èi víi th−îng nguån s«ng Obi gi¸ trÞ nµy C¸c ®o ®¹c hiÖn tr−êng chi tiÕt t−¬ng tù chøng tá r»ng c¸c kh«ng v−ît qu¸ 0,4 (gãc nghiªng cña m¸i 200), cßn gi¸ trÞ mod lµ gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i gîn sãng 0,1 – 0,15 (gãc nghiªng cña m¸i tõ 6 – 90). §©y lµ c¸c gi¸ trÞ (chiÒu dµi Lp; ®é cao hp; bÊt ®èi xøng L H / L B vµ ®é cong h p / L p ) trung b×nh cña m¸i nghiªng d−íi víi l¸t c¾t m¸i nghiªng elip, ë vµ ph−¬ng sai cña chóng Ýt thay ®æi theo thêi gian víi c¸c ®Æc phÇn trªn cña l¸t c¾t uèn cong nhá h¬n gi¸ trÞ trung b×nh cßn tr−ng thuû lùc kh«ng ®æi. §ång thêi h×nh th¸i häc nh©n sinh m¸i d−íi – lín h¬n nhiÒu. cña mét sè gîn sãng cô thÓ thay ®æi m¹nh d−íi ¶nh h−ëng cña C¸c gîn sãng ®−îc h×nh thµnh trong c¸c m¸ng thÝ nghiÖm n−íc th¶i c«ng céng nh©n tè ngÉu nhiªn (H×nh 3.7). víi c¸c ®é s©u cña dßng ch¶y t−¬ng ®èi nhá H/hp = 2…10, th−êng cã d¹ng tam gi¸c víi m¸i nghiªng d−íi cong gÇn víi ®é cong cña gãc m¸i nghiªng tù nhiªn. H×nh d¹ng gîn sãng nh− vËy kh«ng ®Æc tr−ng ®èi víi c¸c s«ng lín, n¬i gi¸ trÞ H/hp th−êng v−ît qu¸ 200 – 700. D¹ng c¸c ®−êng cong ph©n bè ®èi víi c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i cña c¸c gîn sãng ®−îc chän tõ tiªn ®Ò vÒ tÝnh chÊt cña qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn, tÝnh chÊt h×nh thµnh chóng. Ph©n bè gama víi Cv = const m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh nhiÔu ®éng, trong ®ã bao gåm c¶ sù nh¶y cãc c¸c phï sa ®¸y. Ph©n bè Veibull – Gnhedenco xuÊt hiÖn nh− lµ ph©n bè giãi h¹n cña cùc ®¹i. Ph©n bè ®é cao gîn sãng còng m« t¶ kh¸ tèt bëi ph©n bè gama. Râ rµng, cã thÓ ®¹t ®Õn sù trïng hîp tèt h¬n cña c¸c ®−êng cong lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm khi sö dông c¸c ph©n bè víi 3 – 4 tham sè. Sù thay ®æi h×nh th¸i c¸c gîn sãng víi sù dÞch chuyÓn vÒ phÝa d−íi cña nã theo lßng s«ng ®· ®−îc nghiªn cøu trªn lò xuèng n¨m 1985 t¹i Obi d−íi ®o¹n nhËp c¸c s«ng Bii vµ Katunhi. Trong vïng nhê c¸c phao th¶ c¸ch nhau tõ 20 – 30 m, cã ®Þnh c¸c profile däc chiÒu dµi 70–100m. §iÒu nµy cho phÐp H×nh 3.7. Sù thay ®æi c¸c hÖ sè t−¬ng quan r chuçi ®é dµi (1), ®é cao (2), víi ®é chÝnh x¸c ®ñ ®Ó chuyÓn tõ mÆt c¾t däc nµy sang mÆt c¾t ®é cong (3) vµ bÊt ®èi xøng (4) cña cïng mét gîn sãng trªn s«ng Obi khi kh¸c nhê m¸y håi ©m ®o tõng giê, 10 –12 lÇn mét ngµy. Trªn t¨ng kho¶ng thêi gian t gi÷a c¸c ®iÓm ®o ®é s©u c¸c mÆt c¾t theo thêi gian cña b¨ng håi ©m kh«ng khã kh¨n ®Ó 67 68
C¸c hÖ sè t−¬ng quan cÆp chuçi c¸c tham sè h×nh th¸i cña mét gîn sãng trong c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau gi¶m nhanh víi sù t¨ng thêi ®o¹n t¸ch c¸c chuçi ®ã. §èi víi thêi ®o¹n 2 giê (1,5 chu kú gîn sãng τ ) c¸c hÖ sè t−¬ng quan ®èi víi ®é cao vµ chiÒu dµi gîn sãng gi¶m ®Õn 0,4, cßn ®èi víi ®é cong vµ bÊt ®èi xøng – ®Õn 0,3. Sù thay ®æi lín nh− vËy cña h×nh thÓ d¹ng ®¸y cho sù x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c gîn sãng kÐm tin cËy qua c¸c thêi ®o¹n dµi. Sù ph©n tÝch nh− vËy ®ßi hái viÖc lÆp l¹i ®o s©u ®¸y kh«ng Ýt h¬n mét lÇn mét giê. §èi víi chu kú 6 giê ( 4τ ) c¸c hÖ sè t−¬ng quan ®èi víi chuçi ®é uèn cong vµ bÊt ®èi xøng ®i qua ®iÓm 0, cßn ®èi víi thêi ®o¹n 8–9 giê còng ®i qua ®iÓm 0 c¶ c¸c hÖ sè ®èi víi chuçi ®é cao vµ chiÒu dµi. Nãi c¸ch kh¸c, cho mét thêi ®o¹n nh− vËy ®· x¶y ra sù biÕn h×nh trän vÑn c¸c gîn sãng cô thÓ khi b¶o toµn c¸c ®Æc tr−ng h×nh häc trung b×nh toµn bé tæ hîp d¹ng ®¸y. §−êng cong ph©n bè c¸c tû sè cÆp ®é cao n»m d−íi gîn sãng víi ®é cao n»m trªn gîn sãng chøng tá r»ng mäi cÆp gîn sãng H×nh 3.8. §é lÆp l¹i p cña hÖ thøc ®é cao hai gîn sãng (a) vµ sù biÕn ®éng ph©n ra hai nhãm (H×nh 3.8a): 1) ®é cao gÇn b»ng nhau – tû sè theo thêi gian cña ®é cao (h
®¹i thÓ hiÖn râ. X¸c suÊt gÇn nhÊt chuyÓn bÊt kú trong sè x¸o CÇn ®Æc biÖt chó ý r»ng tæ hîp sãng c¸t bËc thang víi trén cña chóng vÒ d¹ng ®¸y. Ph©n tÝch phæ c¸c chuçi cao tr×nh kho¶ng b−íc sãng réng vµ cÊu t¹o phøc t¹p nhiÒu d¹ng ®¸y t¹o ®¸y s«ng kÐo dµi (xem h×nh 1.4) chøng tá r»ng hµm mËt ®é phæ thµnh trªn ®¸y s«ng ngßi víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y trong miÒn sãng c¸t nhá vµ trung b×nh cã d¹ng "ån tr¾ng", víi dõng. §Æc tr−ng cÊu t¹o cña nã nh− thÕ nh− lµ tÝnh phøc t¹p, bÞ c¸c cùc trÞ mËt ®é phæ riªng biÖt. Trªn c¸c profile ®ã t¸ch ra c¸c chi phèi kh«ng ph¶i lµ sù hiÖn diÖn c¸c d¹ng tù ®éng (mÆc dï d¹ng ®¸y trrong kháng biÕn ®éng lín cña chiÒu dµi L1 = chóng cã thÓ cã mÆt), mµ lµ kh¶ n¨ng tÝch tô sãng c¸t víi kÝch 10H…1000H. th−íc kh¸c nhau. M¶ng thèng nhÊt cña sãng c¸t võa vµ nhá do kho¶ng biÕn §èi víi c¸c sãng c¸t võa vµ nhá cÇn chia ra hai giai ®o¹n ®éng chiÒu dµi lín cña c¸c d¹ng gép vµo nhãm thÓ hiÖn cÊu t¹o ph¸t triÓn chÝnh: chñ ®éng vµ thô ®éng. Trong giai ®o¹n chñ bËc thang: c¸c sãng c¸t nhá h¬n cã thÓ h×nh thµnh trªn bÒ mÆt ®éng sãng c¸t t¹o thµnh vµ biÕn d¹ng bëi cÊu tróc xo¸y cña c¸c sãng c¸t lín h¬n, vÒ phÇn m×nh nã l¹i t¹o nªn c¸c sãng c¸t dßng ch¶y, h×nh ¶nh ph¶n ¸nh chóng trong c¸c ®Êt ®¸ bÞ bµo lín h¬n n÷a v.v.. Sù phøc t¹p cÊu t¹o sãng c¸t theo møc ®é t¨ng mßn. Trªn giai ®o¹n thô ®éng sãng c¸t víi chiÒu dµi x¸c ®Þnh kÝch th−íc cña nã t¹o nªn sù kh¸c biÖt vÒ chÊt trong h×nh th¸i biÕn d¹ng bëi tr−êng vËn tèc mµ trong ®ã kh«ng thÓ t¹o thµnh häc vµ ®éng lùc häc c¸c sãng c¸t lín h¬n vµ nhá h¬n. Cho nªn c¸c cÊu tróc xo¸y vµ ph¶n ¸nh sãng c¸t cña chóng chiÒu dµi nhÊt thiÕt cÇn c¸c d¹ng trung gian ph©n bè trªn c¸c bËc kh¸c nµy. C¸c sãng c¸t thô ®éng th−êng biÕn d¹ng víi sù dÞch chuyÓn nhau cña tæ hîp bËc thang, xem xÐt vµ lµm râ trong khu«n khæ theo bÒ mÆt cña chóng c¸c sãng c¸t chñ ®éng hay thô ®éng c¸c nh©n cÊu tróc ®éc lËp cña c¸c møc cÊu tróc d¹ng vi m«. nhiÒu h¬n. Danh môc ®−îc chÊp nhËn c¸c sãng c¸t võa vµ nhá c¸c mùc §ôn c¸t biÓu hiÖn râ trong lßng s«ng Niger d−íi cöa s«ng bËc thang kh¸c nhau hiÖn cßn ch−a ®−îc so¹n th¶o, mÆc dï Benue. H×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc cña chóng ®−îc nghiªn chóng ®−îc nªu ra bëi nhiÒu nhµ nghiªn cøu khi lµm viÖc trªn cøu trong lò – kiÖt n¨m 1978–1979 [80,84]. Trong thÝ dô nµy ta c¸c ®èi t−îng tù nhiªn. Hay ph©n lo¹i nhÊt lµ c¸c sãng c¸t theo xÐt c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña h×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc c¸c trËt tù [104] b¾t ®Çu tõ viÖc ®¸nh sè c¸c sãng c¸t nhá nhÊt. N. I. sãng c¸t nhá nµy. Alecxayevski [2,3] ký hiÖu sãng c¸t c¸c møc bËc thang kh¸c Trong giai ®o¹n ph¸t triÓn chñ ®éng, ®ôn c¸t lµ mét sãng nhau b»ng c¸c ch÷ c¸i theo trËt tù cña tiÕng Nga, khi ®ã ch÷a c¸t ba chiÒu gÇn nh− song song trªn b×nh ®å víi tû lÖ gi÷a ®é dµi vµ ®é réng L2 / L1 ≈ 1,0 . Theo mÆt th¼ng ®öng c¶ chiÒu däc c¸i "A" g¾n cho c¸c b·i v¾t ngang – sãng c¸t lín, cßn c¸c sãng c¸t nhá h¬n theo møc ®é ®¬n gi¶n vµ gi¶m chiÒu dµi cña chóng lÉn chiÒu ngang c¸c s−ên cña ®ôn c¸t låi, h×nh d¹ng profile lµ c¸c ch÷ c¸i tiÕp theo. T¸c gi¶ [81, 88] ®Ò nghÞ cho mçi tæ hîp kiÓu elip (xem h×nh 1.3). Tuy nhiªn m¸i s−ên d−íi, thËm chÝ c¶ sãng c¸t tªn gäi: ®ôn c¸t – lµ c¸c sãng c¸t nhá, bÒ mÆt cña nã ®ôn c¸t chñ ®éng ®«i khi còng th¼ng hoÆc lâm. Trong l¸t c¾t thèng trÞ bëi c¸c gîn r·nh; d¶i c¸t – lµ c¸c sãng c¸t nhá bÒ mÆt ngang c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng th−êng ®èi xøng. Trong l¸t c¾t däc thèng trÞ bëi ®ôn c¸t; b·i c¸t – lµ c¸c sãng c¸t võa trªn bÒ mÆt 83% ®ôn c¸t cã bÊt ®èi xøng d−¬ng, trong sè ®ã gÇn mét nöa – cña nã cã c¸c d¶i c¸t. lµ lín( L B / L H > 1,6 ), mét phÇn t− lµ nhá ( L B / L H < 1,2) . Trong sè 71 72
h¬n so víi gîn sãng – kho¶ng 78% tr−êng hîp hd / L H < 0,1 (60). c¸c ®ôn c¸t víi bÊt ®èi xøng ©m, mét phÇn t− cã bÊt ®èi xøng lín, vµ gÇn mét nöa – nhá. GÇn víi d¹ng ®èi xøng cã 46% toµn Kh¶o s¸t tr−êng vËn tèc theo thêi gian lò trªn c¸c ®ôn c¸t chñ bé ®ôn c¸t chñ ®éng trªn s«ng Niger [ −0,1 < ( L B − L H ) / L < 0,1] ®éng chøng tá r»ng (xem h×nh 2.2a) c¸c xo¸y kÕt hîp d−íi ch©n c¸c sãng c¸t nh− vËy kh«ng t¹o thµnh do ®é cong m¸i s−ên d−íi Ph©n bè c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng theo chiÒu dµi vµ ®é cao ®−îc nhá. Khi ®ã tr−êng vËn tèc thùc tÕ trªn c¸c sãng c¸t quan hÖ m« t¶ bëi chÝnh c¸c ®−êng cong ph©n bè (3.2) vµ (3.5) nh− ®èi víi gîn sãng. C¸c hÖ sè biÕn ®æi chiÒu dµi ( CVL = 0,4 ) vµ ®é cao víi vËn tèc chi phèi bëi ®Þa h×nh ®¸y, bëi mét quan hÖ ng−îc: hÖ sè t−¬ng quan ( r = −0,69 ) . §iÒu nµy chøng tá vÒ sù hiÖn diÖn cña ( C V h = 0,5 ) cña ®ôn c¸t gÇn víi h»ng sè (xem h×nh 3.3). ¸cc xo¸y t¹o sãng c¸t trªn c¸c sãng c¸t chñ ®éng. Lý thuyÕt kh«ng æn ®Þnh c¸c x¸o trén nhá trong xÊp xØ tuyÕn tÝnh kh«ng cho kh¶ n¨ng thu ®−îc c«ng thøc lý thuyÕt ®èi víi chiÒu dµi c¸c ®ôn x¸c suÊt. Ph©n tÝch tµi liÖu thùc nghiÖm theo chiÒu dµi c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng trªn c¸c s«ng Amazon, Niger, Terek (H×nh 3.9) chøng tá r»ng ®Ó tÝnh to¸n chiÒu dµi ®ôn c¸t ¸p dông ®−îc c«ng thøc d¹ng (3.1) L = β ' HFr . Tuy nhiªn hÖ sè β " lµ kh¸c nhau ®èi víi c¸c s«ng kh¸c nhau vµ cã xu h−íng t¨ng víi sù t¨ng kÝch th−íc s«ng. Do viÖc thµnh t¹o c¸c sãng c¸t võa vµ nhá kh«ng liªn quan ®Õn sãng trªn bÒ mÆt tho¸ng mµ x¸c ®Þnh bëi søc kh¸ng thuû lùc, nªn quan hÖ β " víi ph©n bè vËn tèc thuû trùc chØ cã thÓ lµ gi¸n tiÕp th«ng qua ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè gîn sãng ®Õn ®é nh¸m cña ®¸y. ¶nh h−ëng t−¬ng tù ®−îc Richards [129] chØ ra khi gi¶i thÝch sù h×nh thµnh c¸c gîn sãng. Th«ng th−êng β " = 30 … 40. Xö lý c¸c tµi liÖu thùc nghiÖm nh− thÕ chØ ra r»ng ®é cao trung b×nh c¸c ®ôn c¸t ®−îc m« t¶ bëi quan hÖ (3.6) (c¸c hÖ sè H×nh 3.9. Quan hÖ chiÒu dµi c¸c ®ôn c¸t trªn c¸c s«ng Amazon (1), Niger (2) 3,2 vµ 0,3) vµ Terek (3) víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y. Quan hÖ gi÷a ®é cao vµ chiÒu dµi cña c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng còng mang tÝnh ngÉu nhiªn, mod cña ®é cong c¸c ®ôn c¸t chñ Trªn ®−êng lò rót, theo møc ®é gi¶m ®é s©u vµ l−u l−îng ®éng lµ 0,04, thÊp h¬n nhiÒu so víi gîn sãng (xem h×nh 3.6) riªng cña dßng ch¶y diÔn ra sù biÕn d¹ng tr−êng vËn tèc trªn §é uèn m¸i nghiªng d−íi cña c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng thÊp c¸c ®ôn c¸t vµ thay ®æi d¹ng ®ôn c¸t. Tr−êng vËn tèc b¾t ®Çu 73 74
®−îc x¸c ®Þnh bëi ®Þa h×nh ®¸y: hÖ sè t−¬ng quan cña vËn tèc tròng cña ®ôn c¸t t¹o nªn c¸c xo¸y liªn kÕt víi dßng ch¶y s¸t dßng ch¶y thùc tÕ vµ ®Þa h×nh bÞ chi phèi lµ 0,8. Sù ph¸t triÓn ®¸y theo chiÒu ng−îc l¹i, duy tr× ®é cong cña m¸i s−ên d−íi. Sù ®ôn c¸t b−íc vµo giai ®o¹n thô ®éng, khi ®ã h×nh th¸i häc vµ h×nh thµnh c¸c xo¸y liªn kÕt lµm t¨ng sù ph©n ho¸ vËn tèc däc ®éng lùc häc chi phèi kh«ng ph¶i bëi cÊu tróc dßng ch¶y ph¶n ®ôn c¸t. Bá qua phÇn m¸i s−ên trªn, n¬i cã vËn tèc dßng ch¶y chiÕu bëi ®ôn c¸t mµ lµ tr−êng vËn tèc g©y nªn sù tån t¹i cña lín h¬n, vµ m¸i s−ên d−íi, n¬i c¸c qu¸ tr×nh träng lùc ®ãng vai c¸c sãng c¸t ®¸y. trß lín, dÞch chuyÓn vÒ d−íi theo chiÒu dßng ch¶y nhanh h¬n so víi phÇn ®¸y cña m¸i trªn, n»m trong vïng t¸c ®éng cña c¸c Trong lßng s«ng Niger theo tÝnh chÊt biÕn d¹ng c¸c ®ôn c¸t xo¸y liªn kÕt cña sãng c¸t trªn. §ôn c¸t dµi ra, ®ång thêi lµm thô ®éng chia ra hai miÒn: 1) miÒn biÕn d¹ng chËm vµ 2) miÒn gi¶m ®é cao cña chóng. biÕn d¹ng nhanh. VËn tèc vµ tÝnh chÊt biÕn d¹ng cña c¸c ®ôn c¸t thô ®éng Trªn miÒn biÕn d¹ng chËm khi l−u l−îng n−íc, ®é s©u vµ phÇn nhiÒu bÞ chi phèi bëi ®é cao vµ ®é cong ban ®Çu cña chóng. vËn tèc dßng ch¶y gi¶m ®¸ng kÓ, h×nh th¸i häc cña ®ôn c¸t – C¸c ®ôn c¸t cao vµ cong h¬n sím t¹o nªn d¹ng bÊt ®èi xøng chiÒu cao vµ chiÒu dµi cña tõng sãng c¸t riªng biÖt còng nh− c¸c h¬n. C¸c ®ôn c¸t thÊp vµ ph¼ng h¬n th−êng lµ ®èi xøng. Khi ®Æc tr−ng trung b×nh vµ c¸c ®−êng cong ph©n bè cña chóng v¾ng c¸c qu¸ tr×nh duy tr× h×nh d¹ng c¸c ®ôn c¸t nh− vËy nã thay ®æi chËm h¬n rÊt nhiÒu so víi giai ®o¹n ®ôn c¸t chñ ®éng. ®−îc lµ tr¬n vµ nhËp víi c¸c ®ôn c¸t cong. DiÔn ra sù nh©n ®«i MiÒn nµy chiÕm toµn bé c¸c ®¸y bïn s©u víi ®é s©u H > 7m. VÝ ®ét ngét chiÒu dµi ®ôn c¸t, ®· ®−îc N. S. Znamenski xem xÐt dô ®iÓn h×nh lµ l¸t c¾t trªn h×nh 3.10, n¬i mµ víi sù gi¶m ®é mét c¸ch chi tiÕt [28]. s©u tõ 16,5 – 8,7 vµ vËn tèc dßng ch¶y tõ 1,9 – 0,4 m/s b¶o toµn kh«ng chØ c¸c ®Æc tr−ng trung b×nh mµ cßn c¶ h×nh th¸i c¸c ®ôn §ång thêi víi sù mÊt tÝnh ®èi xøng vµ lµ t¹o nªn d¹ng ba riªng rÏ trong c¸c ®iÒu kiÖn tÝnh ®éng lùc cao cña chóng. C¸c chiÒu râ nÐt. C¸c ®ôn c¸t l©n cËn hoµ hîp víi nhau, sèng cña ®−êng cong ®¶m b¶o ®é cao, chiÒu dµi, ®é cong vµ bÊt ®èi xøng chóng liªn kÕt l¹i lµm mét thµnh sãng yÕu, ®−êng, nghiªng vÒ ®ôn c¸t trong miÒn nµy khi thay ®æi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc mét phÝa. §ôn c¸t trë nªn hai chiÒu. Theo møc h¹ thÊp mùc dßng ch¶y hÇu nh− kh«ng ®æi. n−íc trong qu¸ tr×nh trén cuèn hót hÇu hÕt c¸c ®ôn c¸t ba chiÒu lín. B−íc ®ôn c¸t hai chiÒu t¨ng tõ 1,5 – 2,0 b−íc ®ôn c¸t ba MiÒn biÕn d¹ng nhanh ph©n bè trªn c¸c b·i v¾t, gê vµ cï chiÒu vµo ®Çu kú biÕn d¹ng nhanh ®Õn 10 vµ cßn h¬n n÷a vÒ lao víi ®é s©u H < 5...6 m. Khi gi¶m l−u l−îng n−íc vµ ®é s©u cuèi kú (H×nh 3.11). dßng ch¶y sù biÕn d¹ng c¸c ®ôn c¸t thô ®éng diÔn ra nhanh h¬n so víi c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng. Sù chªnh lÖch lín vÒ vËn tèc C¸c r·nh kh«ng s©u t¹o nªn trªn lßng s«ng Niger c¸c miÒn dßng ch¶y trªn c¸c khu vùc kh¸c nhau cña ®ôn c¸t dÉn tíi sù biÕn d¹ng ®ôn c¸t kh«ng ®Òu. T¹i ®©y vµo ®Çu kú lò xuèng sù t¨ng vËn tèc dÞch chuyÓn sèng c¸t vµ ch©n sãng c¸t. Nã nhanh biÕn d¹ng diÔn ra chËm, vµ vµo cuèi kú – t¨ng nhanh. §èi víi chãng h×nh thµnh d¹ng h×nh chãp bÊt ®èi xøng truyÒn thèng víi miÒn nµy ®Æc tr−ng qu¸ tr×nh t¨ng ®é cao ®ôn c¸t vµo ®Çu kú gê cong låi phÝa m¸i trªn vµ vâng vÒ phÝa m¸i d−íi kho¶ng 30 – biÕn d¹ng nhanh cña chóng. C¸c ®ôn c¸t thô ®éng cao dÞch 350, gÇn víi gãc m¸i s−ên tù nhiªn ®èi víi c¸t trong n−íc. T¹i chuyÓn nhanh h¬n so víi ®ôn c¸t thÊp vµ tr−ît trªn c¸c m¸i 75 76
s−ên trªn cña chóng. V× thÕ viÖc bæ sung ®é cao sèng c¸c ®ôn ®ã Theo møc kÕt hîp vµ thµnh t¹o c¸c ®ôn c¸t thô ®éng hai t¨ng lªn. chiÒu trong thêi kú kiÖt trªn c¸c ®o¹n ®ång mùc n−íc trong s«ng Niger b¾t ®Çu t¹o nªn c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng ba chiÒu, kÝch th−íc cña chóng t−¬ng øng víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc cña dßng ch¶y. Khi ®ã c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng ®−îc h×nh thµnh míi nhanh chãng dÞch chuyÓn xuèng d−íi theo dßng ch¶y trë thµnh nh©n tè chÝnh cña dÞch chuyÓn c¸c ®ôn c¸t thô ®éng hai chiÒu (H×nh 3.12). M« t¶ sù thay ®æi ®ôn c¸t chi phèi d¹ng tæng quan cña quan hÖ gi÷a c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i vµ c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y cña chóng. Quan hÖ kiÓu nh− thÕ lµ gièng nhau ®èi víi ®ôn c¸t nhiÒu s«ng. ThÝ dô nh− nã ®· ®−îc m« t¶ bëi Allen [104] ®èi víi s«ng Vezer, B. Ph. Snhisenco [43] ®èi víi s«ng Polomet. C¸c cån c¸t ®−îc t¸ch ra vµ ®−îc nhiÒu ng−êi nghiªn cøu H×nh 3.10. BiÕn d¹ng ®ôn c¸t chËm trong r∙nh s©u lßng s«ng Niger t¹i tr¹m [2, 50]. Mét phÇn chóng lµ c¸c d¹ng xung ®ét cña ®Þa h×nh ®¸y Geregu trong thêi kú tõ ®Ønh lò (07.10.78) (a) ®Õn kú kiÖt (11.04.79) (b) lßng s«ng, ®«i khi nã chÝnh lµ c¬ së. §−êng cong ph©n bè ®é dµi cån c¸t th−êng ®−îc m« t¶ tèt b»ng ph©n bè gama, nh−ng th«ng tin ®Çy ®ñ vÒ ®é cao cña chóng hiÖn t¸c gi¶ còng ch−a ®−îc t−êng minh. ChiÒu dµi trung b×nh cña cån c¸t t¨ng theo sù t¨ng l−îng n−íc s«ng. Sè liÖu vÒ sù thay ®æi kÝch th−íc cña cån c¸t trªn ®o¹n s«ng Niger tõ tr¹m Geregu ®Õn tr¹m Adraokut khi thay ®æi l−îng n−íc s«ng trong vßng mét n¨m thuû v¨n nhËn ®−îc trong kÕt qu¶ ®o s©u nhiÒu lÇn trªn c¸c mÆt c¾t däc cè ®Þnh theo ®¸y r·nh kh«ng s©u. §Ó t¨ng møc ®é kh¸ch quan cña chuçi cao ®é ®¸y ng−êi ta tiÕn hµnh ph©n tÝch phæ. Trªn ®−êng cong mËt ®é phæ c¸c cao ®é ®¸y S( k1 ) , t¸ch ra miÒn cùc ®¹i thø nhÊt t−¬ng øng víi vòng. Nã ®−îc giíi h¹n bëi sè sãng t−¬ng øng víi hai cùc tiÓu cña hµm. ChiÒu dµi vòng ®−îc x¸c ®Þnh theo sè sãng km t−¬ng øng víi H×nh 3.11. BiÕn d¹ng nhanh ®ôn c¸t trªn s«ng Niger thµnh ph¶i ®¶o cùc ®¹i cña mËt ®é phæ S trong miÒn nµy. §é cao trung b×nh cña Adraokut trªn lò xuèng 77 78
cån c¸t h 3 ®−îc tÝnh theo phÇn tr¨m ph−¬ng sai cña chuçi g¾n víi miÒn ®ã: h3 = ∫ S( k1 )dk1 . ChiÒu dµi cån ghi ®−îc khi lò lªn hÇu nh− kh«ng thay ®æi víi sù gi¶m l−u l−îng vµ mùc n−íc. §é cao cån c¸t t¨ng dÇn khi lò lªn vµ ë ®Ønh lò, cßn trong thêi gian lò xuèng hÇu nh− kh«ng ®æi vµ chØ ë cuèi lò xuèng vµ vµo thêi kú kiÖt, khi mµ ®é s©u trung b×nh trong r·nh nhá h¬n 0,4 m, cån c¸t b¾t ®Çu ch¶y. Trong thêi gian ®ã d¹ng cån c¸t chÞu sù thay ®æi ®¸ng kÓ: tõ mét sãng c¸t ®èi xøng víi m¸i nghiªng låi ph¼ng chóng trë nªn bÊt ®èi xøng m¹nh. M¸i s−ên trªn ch¶y ra trë nªn hÇu nh− n»m ngang, chiÒu dµi cña nã gÇn víi b−íc cån c¸t. §é cong m¸i s−ên d−íi cña cån c¸t cã gãc m¸i nghiªng tù nhiªn 33 – 350. VËn tèc dÞch chuyÓn cña cån xuèng d−íi theo chiÒu dßng ch¶y kh¸ lín: trªn ®Ønh lò nã lµ 4,5 m/ngµy ®ªm, lóc lò xuèng – 2,3 m/ ngµy ®ªm, cßn mïa kiÖt – 0,3 m/ngµy ®ªm. Xem xÐt ®ång thêi c¸c quan hÖ cña ®é cao trung b×nh cña c¸c gîn sãng vµ sãng c¸t ®é phøc t¹p kh¸c nhau víi c¸c nh©n tè thuû lùc x¸c ®Þnh (xem h×nh 3.5) chøng tá r»ng ®èi víi mäi d¹ng ®¸y ®Æc tr−ng sù hiÖn diÖn cña hai nh¸nh quan hÖ ®ã. Kh¶o s¸t H×nh 3.12. Sù dÞch chuyÓn c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng ba chiÒu (1–19) trªn bÒ nh¸nh t¨ng ®é cao t−¬ng ®èi h / H (hay ®é cong h/ L ) cña c¸c mÆt c¸c ®ôn c¸t thô ®éng hai chiÒu (I, II) trªn s«ng Niger mïa kiÖt n¨m 1979 d¹ng ®¸y víi sù t¨ng cña vËn tèc dßng ch¶y t−¬ng ®èi U − u H Quü ®¹o kh«ng gian vµ thêi gian cña chuyÓn ®éng lßng s«ng gi÷a c¸c ®ôn c¸t hai vµ sau khi ®¹t tíi cùc ®¹i nh¸nh gi¶m ®é cao t−¬ng ®èi (®é chiÒu (1) vµ ba chiÒu (2) cong), tøc lµ sù bµo mßn c¸c d¹ng ®¸y víi sù t¨ng tiÕp tôc U − u H . Tuy nhiªn sù bµo mßn gîn c¸t b¾t ®Çu víi vËn tèc dßng C¸c ®iÒu kiÖn t−¬ng tù còng h×nh thµnh ë lßng s«ng Terec ch¶y bÐ h¬n so víi sù bµo mßn sãng c¸t nhá vµ võa vµ sãng c¸t phÝa d−íi cöa s«ng Sunji trong thêi kú lò. T¹i ®©y ®· h×nh cµng lín th× vËn tèc cÇn ®Ó bµo mßn chóng cµng lín. KÕt qu¶ thµnh mét tæ hîp phøc t¹p c¸c d¹ng ®¸y gåm gîn sãng, ®ôn c¸t cho kh¶ n¨ng c¸c ®iÒu kiÖn thuû lùc khi trªn c¸c ®ôn c¸t kh«ng vµ cån c¸t. Nh−ng trong ®iÒu kiÖn vËn tèc dßng ch¶y lín (2,5 – t¸ch (hoÆc thÓ hiÖn yÕu) c¸c gîn sãng trªn bÒ mÆt cån c¸t sÏ 3,0 m/s) vµ tÝnh linh ®éng cña ®Êt ®¸y cao (®−êng kÝnh trung kh«ng cã c¸c ®ôn c¸t v.v.. ViÖc ®¸nh sè c¸c sãng c¸t nhá vµ võa b×nh cña h¹t 0,3 – 0,4 mm) tæ hîp nµy kh«ng æn ®Þnh vµ th−ëng nªu trªn dùa trªn vÞ trÝ cña chóng trong chuçi bËc thang, bá xuyªn thay ®æi. mét vµ chØ mét sãng c¸t lín trong c¸c thêi ®iÓm qua sù thèng nhÊt vÒ dÊu hiÖu ®Þnh d¹ng. kh¸c nhau víi vËn tèc vµ ®é s©u dßng ch¶y Ýt thay ®æi cã thÓ cã 79 80
c¸c s−ên ph¼ng kh«ng phøc t¹p vµ cã thÓ m« h×nh ho¸ bëi c¸c Sù kÕt hîp cña c¸c gîn sãng vµ sãng c¸t víi ®é cao, ®é cong sãng c¸t bÐ h¬n vµ chÝnh nã cã thÓ cã c¸c m¸i ph¼ng vµ ®−îc vµ xu h−íng ph¸t triÓn kh¸c nhau vµo c¸c pha kh¸c nhau cña phñ bëi c¸c gîn sãng (H×nh 3.13). Trong tr−êng hîp nµy viÖc chÕ ®é thuû v¨n dÉn ®Õn mét bøc tranh phøc t¹p cña sù thay ®¸nh sè c¸c d¹ng ®¸y ®−îc x¸c ®Þnh trong chÝnh thêi kú h×nh ®æi c¸c kh¸ng trë thuû lùc chung cña lßng s«ng trong tiÕn tr×nh thµnh cña chóng, khi mµ chóng ®−îc cÊu t¹o phøc t¹p h¬n. §èi thay ®æi c¸c ®iÒu kiÖn thuû v¨n. Trªn s«ng Niger hÖ sè kh¸ng 2 λ ( λ = 2 g / Cv ) gi¶m khi t¨ng sè R©ynol Re vµo cuèi kú d©ng víi thêi kú cÊu tróc sãng c¸t ®¬n gi¶n h¬n viÖc ký hiÖu sè cña chóng lµm chÝnh x¸c theo cÊu t¹o ®èi víi c¸c d¹ng phøc t¹p mùc n−íc trong lò vµ ®¹t tíi gi¸ trÞ cùc tiÓu t¹i ®Ønh lò (H×nh quan hÖ víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc cña dßng ch¶y. 3.14). Khi ®ã tÊt c¶ c¸c sãng c¸t võa vµ nhá cã profile däc ®èi xøng víi m¸i s−ên d−íi ph¼ng, n¬i kh«ng t¹o thµnh c¸c xo¸y liªn kÕt. Chóng kh«ng t¹o nªn c¸c h×nh d¹ng kh¸ng trë chØ lµm t¨ng mét Ýt kh¸ng trë theo chiÒu dµi. §é cong lín nhÊt ®Æc thï cho thêi gian nµy ë c¸c gîn sãng, h/ L ®¹t 0,08. D−íi ch©n cña chóng t¹o nªn c¸c xo¸y liªn kÕt bøt ra khái vïng ®¸y vµ næi trªn bÒ mÆt dßng ch¶y, t¹o nªn ë ®©y c¸c xo¸y trßn ®−êng kÝnh 4 – 5 m, th−êng ®i víi dßng ch¶y ng−îc chiÒu. Cã thÓ, søc kh¸ng thuû lùc ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®é nh¸m cña c¸c gîn sãng. Søc kh¸ng ®¹t cùc ®¹i vµo cuèi kú, chuyÓn ho¸ chËm thµnh ®ôn c¸t víi c¸c gi¸ trÞ Re : 8 – 9.106 khi mµ λ kho¶ng 0,2. Vµo cuèi kú lò xuèng vµ vµo kú kiÖt, søc kh¸ng lßng dÉn gi¶m xuèng. §iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch bëi sù gi¶m vai trß cña gîn sãng trong viÖc h×nh thµnh søc kh¸ng lßng dÉn. Khi ®ã ®é cao gîn sãng trë nªn thÊp h¬n, sãng c¸t d−íi ch©n c¸c lòng ®Çy bïn biÕn mÊt. §ãng gãp chÝnh trong søc kh¸ng cña lßng dÉn lµ do c¸c d¶i vµ cån c¸t hai chiÒu cong, bÊt ®èi xøng mang l¹i, d−íi lòng cña nã xuÊt hiÖn c¸c xo¸y liªn kÕt. Tuy nhiªn, ®é dµi vïng xo¸y trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi lßng dÉn trong thêi gian ®ã Ýt h¬n so víi thêi kú ph¸t triÓn gîn sãng, cßn khi gi¶m mùc n−íc víi sù liªn kÕt c¸c sãng c¸t nã l¹i cßn gi¶m n÷a. HÖ sè kh¸ng trë vµo thêi kú kiÖt lµ λ = 0,002. H×nh 3.13. Sù thay ®æi tÝnh phøc t¹p cña tæ hîp cån c¸t – ®ôn c¸t dÞch N. S. Znamenskaia khi ph©n tÝch c¸c chØ tiªu ph©n chia gîn chuyÓn trªn s«ng Terec (tr¹m thuû v¨n Parabots) víi vËn tèc dßng ch¶y 1,7 sãng vµ ®ôn c¸t [29], ®· ®i tíi kÕt luËn r»ng c¸c h×nh d¹ng lßng m/s vµ ®é s©u 6,3 m 81 82
s«ng nµy thuéc vµo mét líp, mét mùc cÊu tróc. Sè liÖu cña dÞch chuyÕn d−íi d¹ng c¸c d¹ng ®¸y. chóng t«i chøng minh r»ng c¸c nÐt t−¬ng ®ång, ch¾c ch¾n lµ cã tån t¹i. C¸c ®ôn c¸t nhá nhÊt theo kÝch th−íc cïng cì víi c¸c gîn sãng , sù phô thuéc cña sè ®o gîn sãng vµ ®ôn c¸t vµo c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc cã cïng mét cÊu tróc. Tuy nhiªn sù kh¸c biÖt cña chóng, tõ quan ®iÓm cña t¸c gi¶, kh¸ râ rµng: 1) c¸c gîn sãng chñ ®éng cã thÓ lµ hai chiÒu lÉn ba chiÒu; c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng chØ cã ba chiÒu; 2) trªn to¸n ®å I m ( c ) = f ( k1 , k2 ) sãng c¸t vµ ®ôn c¸t chiÕm c¸c miÒn kh¸c nhau; 3) mèi phô thuéc cña hÖ sè kh¸ng thuû lùc vµo sè R©ynol ®èi víi gîn sãng vµ ®ôn c¸t cã c¸c d¹ng kh¸c nhau. Cho nªn, xuÊt ph¸t tõ c¸c nguyªn t¾c ®ång d¹ng, cÇn kh¼ng ®Þnh gîn sãng vµ ®ôn c¸t (còng nh− c¸c sãng c¸t trung b×nh) ph¶i thuéc c¸c mùc cÊu tróc kh¸c nhau. H×nh th¸i häc c¸c d¹ng ®ôn c¸t cã kÝch th−íc lín h¬n th−êng ¶nh h−ëng m¹nh ®Õn h×nh th¸i häc c¸c d¹ng nhá h¬n ph©n bè trªn chóng. Trªn c¸c gîn sãng, n»m trªn c¸c ®ôn c¸t, ë s«ng Niger ë phÇn gÇn th©n ®ôn ®−îc ®Æc tr−ng bëi chiÒu dµi vµ chiÒu cao lín h¬n so víi ë phÇn vâng. TÝnh biÕn ®æi kÝch th−íc c¸c gîn sãng trªn ®ôn c¸t khi ®ã còng lín h¬n so víi sù biÕn ®éng vËn tèc vµ ®é s©u dßng ch¶y. §Æc biÖt, ¶nh h−ëng kh¸ lín lªn kÝch th−íc cña c¸c d¹ng ®¸y nhá lµ c¸c sãng c¸t víi m¸i s−ên d−íi cong mµ d−íi nã t¹o nªn c¸c xo¸y liªn kÕt. Trong miÒn vËn tèc nhá vµ ng−îc diÔn ra sù trÇm l¾ng c¸c phï sa máng vµ gîn sãng kh«ng ®−îc thµnh t¹o. §ång thêi c¸c d¹ng ®¸y nhá cã kÝch th−íc trung b×nh hÇu nh− kh«ng cã liªn quan víi kÝch th−íc c¸c sãng c¸t lín h¬n mµ H×nh 3.14. Mèi phô thuéc cña hÖ sè søc kh¸ng λ vµo sè Raynol trong lßng chóng n»m trªn ®ã. c¸c quan hÖ nh− vËy ®èi víi c¸c d¹ng ®¸y dÉn s«ng Niger (tõ Adjaokut) trªn c¸c pha kh¸c nhau cña chÕ ®é thuû v¨n c¸c s«ng Niger, Oka, Enhix©y ®−îc ®Æc tr−ng bëi c¸c hÖ sè t−¬ng quan – 0,3 ....0,3, hiÕm khi v−ît qu¸ 0,5 (b¶ng 3.1) (Trªn c¸c trôc täa ®é, gi¸ trÞ lµm gi¶m 5 lÇn) TÝnh phøc t¹p cña cÊu t¹o tæ hîp sãng c¸t g©y ¶nh h−ëng 1 – pha d©ng sãng lò, 2 – ®Ønh sãng, – lò xuèng, 4 – kiÖt lín ®Õn ®éng lùc cña nã, ph¶n ¸nh qua l−u l−îng phï sa ®¸y, 83 84
Ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n dßng phï sa ®¸y theo biÕn h×nh (c¶i tæ h×nh d¹ng) ®¸y s«ng ®· ®−îc biÕt ®Õn tõ cuèi thÕ kû XIX. B. B¶ng 3.1 Ma trËn hÖ sè t−¬ng quan chiÒu dµi/chiÒu cao cña c¸c d¹ng V. Poliacov sö dông ®èi víi sù biÕn h×nh trong hÖ thèng l¹ch lßng dÉn lín víi c¸c chiÒu dµi/chiÒu cao trung b×nh cña c¸c d¹ng lßng dÉn s©u – b·i v¾t [66]. G. V. Lopatin [49] vµo n¨m 1934, khi kh¶o bÐ h¬n n»m trªn chóng. s¸t trªn s«ng Vonga, Luga vµ Kemka ®· tÝnh l−u l−îng phï sa DS Cì 1 2 3 4 5 6 7 8 ®¸y qs theo sè liÖu chiÒu cao h vµ vËn tèc x¸o trén cr cña th©n S«ng Niger sãng c¸t ®¸y: q s = (1 − p )σ hc r KU 1 1,0/– 0,5/– –0,2/– –0,1/– –0,1/– –0,2/– –/– –/– , (3.7) víi σ – hÖ sè h×nh d¹ng sãng c¸t ( ≈ 0 ,5 − 0 ,6 ), p – ®é rçng cña NN 2 1,0/– 0,5/– 0,6/– 0,1/– –0,3/– –0,2/– –/– –/– trÇm tÝch ®¸y. Theo møc ®é nh¹y cña m¸y håi ©m trong thùc tÕ 3 ô 1,0/ – –0,2/– 0, 6 / – 0,6/– –0,3/– –0,2/– –/– –/– kh¶o s¸t c«ng thøc (3.7) trë nªn ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c SC 4 1,0/– –0,1/– 0, 1 / – 0,6/– 0,6/– –0,2/– –/– –/– v¨n b¶n khoa häc vµ thiÕt kÕ. BC 5 1,0/– –0,1/– –0,3/– 0,3/– 0,6/– –/– –/– –/– ¸p dông c«ng thøc (3.7) dùa trªn gi¶ thiÕt r»ng l−u l−îng phï sa ®¸y b»ng l−u l−îng phï sa dÞch chuyÓn d−íi d¹ng sãng DC 6 1,0/– –0,2/– –0,2/– –0,2/– –0,2/– –/ – 0,2/– 0,2/– c¸t tøc lµ c¸c phÇn tö phï sa ®−îc bµo mßn tõ m¸i s−ên trªn §ôn 7 –/– –/– –/– –/– –/– 0,2/– 1,0/– 0,3/– cña sãng c¸t tÝch tô vµo m¸i s−ên d−íi cña nã. Khi sö dông ®Ó Gîn 8 –/– –/– –/– –/– –/– 0,2/– 0,3/– 1,0/– tÝnh to¸n c¸c tµi liÖu vÒ h×nh th¸i vµ ®éng lùc cña c¸c sãng c¸t S«ng Enhix©y lín h¬n mµ trªn ®ã cã sù dÞch chuyÓn cña c¸c sãng c¸t bÐ, gi¶ thiÕt r»ng vËt chÊt cÊu t¹o c¸c sãng c¸t bÐ ë m¸i trªn cña sãng DC 6 –/– –/– –/– –/– –/– 1.0/1,0 0, 4 / 0 , 7 0,5/–0,4 c¸t lín h¬n còng hoµn toµn ®−îc tÝch tô t¹i m¸i d−íi cña nã. §ôn 7 –/– –/– –/– –/– –/– 0,4/0,7 1. 0 / 1 , 0 0,5/0,4 Sù l−îc bá nh− vËy ®ång nghÜa víi khi nghiªn cøu chuyÓn Gîn 8 –/– –/– –/– –/– –/– 0,5/–0,4 0, 5 / 0 , 4 1.0/1,0 ®éng cña sãng c¸t trong giai ®o¹n ph¸t triÓn thô ®éng víi m¸i S«ng Oka d−íi cong, gÇn víi gãc m¸i tù nhiªn trong n−íc, n¬i mµ sù dÞch 3 ô –/– –/– 1.0/1,0 –/– 0,72/0,0 0,43/–0,1 0,09/0,0 –/ – chuyÓn cña c¸c phÇn tö phï sa diÔn ra chñ yÕu d−íi t¸c ®éng cña träng lùc. NÕu nh− ë c¸c d¹ng ®¸y mäi kiÓu trong tæ hîp bËc BC 5 –/– –/– 0,72/0,0 –/– 1.0/1,0 0,68/0,4 0,35/–0,05 –/– thang theo ®éng lùc häc vµ h×nh th¸i häc c¸c m¸i d−íi cong ®−îc DC 6 –/– –/– 0,43/–0,1 –/– 0,68/0,4 1.0/1,0 0,43/0,33 –/– h×nh thµnh th× kÕt qu¶ tÝnh to¸n l−u l−îng phï sa ®¸y kh«ng §ôn 7 –/– –/– 0,09/0,1 –/– 0,35/–0,05 0,43/0,33 1.0/1,0 –/– phô thuéc vµo sù lùa chän kÓi h×nh d¹ng ®¸y, VËy nªn vµo thêi Ký hiÖu: DS - D¹ng s«ng; KU - Khóc uèn; NN - Nót ph©n nh¸nh; kú kiÖt trong lßng s«ng Niger c¸c gîn sãng vµ ®ôn c¸t ba chiÒu SC- Sãng c¸t; BC - Bß c¸t; DC - D¶i c¸t dÞch chuyÓn theo bÒ mÆt c¸c ®ôn c¸t hai chiÒu vµ vËt liÖu cña nã hoµn toµn l¾ng trªn m¸i d−íi cña ®ôn c¸t hai chiÒu, thóc ®Èy 85 86
sù dÞch chuyÓn chËm thô ®éng xu«i theo dßng s«ng (xem h×nh trong mét ph¹m vi lín, cã thÓ b»ng kh«ng vµ thËm chÝ ©m (dÞch 3.12). L−u l−îng phï sa, dÞch chuyÓn d−íi d¹ng ®ôn c¸t c¸c kiÓu chuyÓn lªn phÝa th−îng l−u) phô thuéc vµo hÖ thøc cña l−u h×nh th¸i kh¸c nhau lµ b»ng nhau: nã chiÕm kho¶ng 1,45.10–5 l−îng phï sa ®¸y ë d¹ng nµy hay d¹ng kia trªn c¸c m¸i trªn vµ m3/s trªn 1 mÐt front c¶ ®èi víi ®ôn c¸t ba chiÒu lÉn ®ôn c¸t hai d−íi cña sãng c¸t. Cã thÓ cã mét hÖ sè tuú ý cña vËn tèc dÞch chiÒu. §èi víi tr−êng hîp nµy ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n vËn tèc chuyÓn c¸c d¹ng ®¸y c¸c h¹ng kh¸c nhau trong ®ã sù dÞch dÞch chuyÓn c¸c d¹ng lín hoµn toµn ®óng theo sè liÖu vÒ h×nh chuyÓn phÇn sèng cña c¸c sãng c¸t lín nhanh h¬n so víi c¸c th¸i vµ ®éng lùc cña c¸c d¹ng nhá ®· ®−îc N. S. Znamenskaia sãng c¸t nhá n»m trªn nã do sù tÝch tô phï sa ë m¸i d−íi c¸c [26] vµ Z. § Kopalianhi [45] ®Ò xuÊt. sãng c¸t lín, do sù vËn chuyÓn theo m¸i d−íi cña c¸c sãng c¸t nhá. Khi ®ã chiÒu dµi c¸c sãng c¸t lín h¬n ®−îc t¨ng lªn víi c¸c Tuy nhiªn, thËm chÝ vµo thêi kú kiÖt kh«ng ph¶i tÊt c¶ mäi ®Æc tr−ng thuû lùc cña dßng ch¶y kh«ng ®æi. Còng cã thÓ cã t×nh d¹ng ®¸y cña ®Þa h×nh lßng s«ng ®Òu ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é cong huèng ng−îc l¹i, trong ®ã do sù vËn chuyÓn phï sa t¨ng c−êng cña m¸i d−íi, ®ñ ®Ó chøa l¾ng ®äng cña mäi phÇn tö phï sa r¬i trªn m¸i d−íi cña sãng c¸t chiÒu dµi cña nã gi¶m ®i. Quan s¸t vµo ®ã. Cßn trong mïa lò vµ lôt, khi mµ khèi l−îng phï sa ®¸y thÊy c¶ sù ph©n ho¸ vËn tèc dÞch chuyÓn c¸c d¹ng ®¸y cã ®é chñ yÕu ®−îc mang ®i, c¸c sãng c¸t ®¸y th−êng ®èi xøng, ®é cong kh¸c nhau tõ c¸c ®iÒu kiÖn dÞch chuyÓn kh¸c nhau theo bÒ cong m¸i d−íi nhá h¬n nhiÒu gãc m¸i tù nhiªn cña c¸t trong mÆt cña chóng cña c¸c sãng c¸t vµ c¸c phÇn tö phï sa nhá h¬n. n−íc. Trong tr−êng hîp nµy, mét vµi phÇn tr¨m phï sa ®¸y ThÕ nªn trªn th−îng nguån s«ng Obi c¸c gîn sãng víi ®é cong ®−îc chuyÓn ho¸ d−íi vâng cña gîn sãng cu·ng nh− c¸c gîn m¸i d−íi 0,15–0,25 dÞch chuyÓn xu«i dßng nhanh h¬n kho¶ng 2 sãng mét phÇn chuyÓn qua m¸i d−íi cña ®ôn c¸t, vµ ®ôn c¸t vÒ – 2,5 lÇn, so víi gîn sãng víi ®é cong m¸i d−íi 0,05– 0,15 víi m¸i d−íi cña cån c¸t. Trong c¸c ®iÒu kiÖn nh− vËy c¸c tÝnh to¸n cïng c¸c ®iÒu kiÖn thuû lùc. theo c«ng thøc (3.7) cho c¸c −íc l−îng thÊp h¬n nhiÕu¬ víi l−u l−îng phï sa thùc, kÕt qu¶ cµng thiªn bÐ th× c¸c d¹ng ®¸y lín tõ Khi x¸c ®Þnh l−u l−îng phï sa theo c¸c tham sè h×nh d¹ng tæ hîp bËc thang ®· ®−îc sö dông nhiÒu ®Ó tÝnh to¸n. §èi víi ®¸y trong thêi kú ph¸t triÓn chñ ®éng cña chóng cÇn ph¶i tÝnh s«ng Niger vµo mïa lò n¨m 1978 l−u l−îng phï sa ®¸y, tÝnh ®Õn vÞ trÝ cña c¸c h×nh d¹ng ®ã trong chuçi bËc thang. NÕu cã theo c¸c ®ôn c¸t lµ 5,5.10–5 m3/s, theo c¸c cån c¸t 1,17.10–5 m3/s. ®−îc th«ng tin vÒ vËn tèc dÞch chuyÓn vµ ®é cao cña gîn sãng, Trªn s«ng Lªna, t¹i tr¹m Mokhsogollokh vµo lóc lò rót n¨m c¸c ®ôn c¸t kh«ng cã gîn sãng hay c¸c sãng c¸t ®¬n gi¶n lín h¬n 1986, l−u l−îng phï sa theo gîn sãng lµ 39,5.10–5 m3/s, heo c¸c th× cÇn tÝnh bæ sung mçi l−u l−îng phï sa ®¸y, chuyÓn ho¸ c¸c ®ôn c¸t lµ 9,54.10–5 m3/s theo mét mÐt chiÒu réng lßng dÉn. sãng c¸t ®ã qua m¸i d−íi: q s1 = (1 − p)σ 1 h1 c r1 + qTp1 (3.8) Ph©n tÝch hiÖn t−îng nµy chøng tá r»ng ®éng lùc cña tæ hîp cÊu tróc bËc thang c¸c d¹ng ®¸y lßng dÉn phÇn nhiÒu phô thuéc Khi sö dông c¸c sãng c¸t lín, tÝch tô bëi c¸c sãng c¸t nhá, vµo sù chuyÓn ho¸ c¸c phÇn tö phï sa trong ®¸y gi÷a c¸c gîn nh− N. I. Alecx©yevski l−u ý, cÇn tÝnh to¸n l−u l−îng phï sa sãng, sù dÞch chuyÓn c¸c gîn sãng trong ®¸y gi÷a c¸c ®ôn c¸t vµ ®¸y nh− lµ tæng l−u l−îng phï sa ®−îc mang trong d¹ng tÊt c¶ v.v.. VËn tèc dÞch chuyÓn th©n c¸c d¹ng ®¸y cã thÓ dao ®éng c¸c sãng c¸t cña tæ hîp bËc thang. Ngoµi ra còng cÇn tÝnh ®Õn vÞ 87 88
HÖ sè chuyÓn ho¸ dßng phï sa ®¸y KTp cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc trÝ cña c¸c sãng c¸t nhá h¬n trªn c¸c sãng c¸t lín h¬n, vµ còng cÇn ®¸nh gi¸ l−u l−îng phï sa ®¸y qua viÖc chuyÓn ho¸ sãng c¸t theo vËn tèc thay ®æi h×nh th¸i mét vµ chØ mét sãng c¸t dÞch theo m¸i d−íi chuyÓn xu«i theo lßng s«ng. NÕu xuÊt ph¸t tõ gi¶ thiÕt r»ng qsN = (1 − p)σ N hN crN + qTpN = (1 − p)σ N hN crN + thêi gian biÕn mÊt ®Çy ®ñ h×nh th¸i häc ban ®Çu bëi sãng c¸t [ ]Tp + [(1 − p)σ N −2 hN −2 cr(N−2) ]Tp +...+ (3.9) + (1 − p)σ N −1 hN −1 cr( N−1) tTp (xem h×nh 3.7) t−¬ng øng víi thêi gian thay thÕ hoµn toµn phï sa trong sãng c¸t th× KTp= τ/tTp víiτ – chu kú dÞch chuyÓn + [(1 − p)σ1h1cr1 ]Tp + qTp sãng c¸t suèt toµn bé chiÒu dµi. Thêi gian biÕn h×nh hoµn toµn 1 sãng c¸t tTp cã thÓ ®¸nh gi¸ theo sù dÞch chuyÓn hÖ sè t−¬ng L−u l−îng phï sa ®i qua vË chuyÓn theo m¸i d−íi cña c¸c quan c¸c chuçi c¸c nguyªn tè h×nh th¸i mét v¸ chØ mét sãng c¸t d¹ng ®¸y vµ kh«ng tham gia vµo sù dÞch chuyÓn cña chóng qTp trong c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau qua gèc 0. hÇu nh− kh«ng cho phÐp trùc tiÕp ®o ®¹c trong ®iÒu kiÖn hiÖn tr−êng. Trong c¸c pháng thÝ nghiÖm qTp cã thÓ ®o ®−îc theo hiÖu Trong xÊp xØ ®Çu tiªn, mèi quan hÖ cña hÖ sè chuyÓn ho¸ vµo ®é cong trung b×nh cña m¸i d−íi sãng c¸t tgα ®−îc m« t¶ c¸c thÓ tÝch phï sa tÝch luü trong bÓ l¾ng vµ vËn chuyÓn d−íi bëi c«ng thøc K TP = exp( −0,64 tg 2α ) , nã cho phÐp tÝnh to¸n vËn d¹ng sãng c¸t. Theo sè liÖu cña 96 thÝ nghiÖm [132], n¬i mµ l−u l−îng phï sa ®o ®−îc theo sù lÊp ®Çy bÓ l¾ng qthùc vµ qtÝnh theo tèc x¸o trén c¸c d¹ng ®¸y c¸c kiÓu kh¸c nhau theo l−u l−îng tÝnh to¸n cña c«ng thøc (3.7) th× 57% c¸c tr−êng hîp qthùc > qtÝnh, phï sa ®¸y d−íi d¹ng phÇn tö qs vµ c¸c tham sè ®Þa m¹o cña ¸cc tøc lµ cã sù chuyÓn ho¸ phï sa. Khi ®ã qthùc v−ît qtÝnh trong 50% d¹ng ®¸y nhá h¬n. NÕu sö dông ®Ó tÝnh to¸n l−u l−îng c¸c phï sa ®¸y cã cÊp h¹t kh¸c nhau c«ng thøc d¹ng q s = aU n , vµ ®Ó c¸c tr−êng hîp víi c¸t cã ®−êng kÝnh 0,93 m« h×nh hãa, khi c¸c phÇn tö phï sa kh«ng l¬ löng vµ di chuyÓn trong tr¹ng th¸i di tÝnh to¸n vËn tèc ch¶y víi ®é s©u dßng s«ng kh«ng ®æi ®Èy. trong c¸c thÝ nghiÖm hÖ sè chuyÓn ho¸ phï sa KTp = (qthùc – U = q/ H víi q – l−u l−îng n−íc riªng , th× vËn tèc dÞch chuyÓn qtÝnh)/ qthùc ®¹t 0,85 [132]. Sù chuyÓn ho¸ c¸c phÇn tö phï sa víi gîn sãng vµ sãng c¸t kh«ng tÝch tô trªn nã c¸c d¹ng ®¸y nhá ®¸y gîn sãng diÔn ra trong 29% c¸c thÝ nghiÖm, sù chuyÓn ho¸ h¬n, cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc: c¸c phÇn tö phï sa vµ gîn sãng d−íi ®¸y c¸c ®ôn c¸t – trong Un c r1 = na ; 65% c¸c thÝ nghiÖm. (3.10) H Theo sè liÖu quan tr¾c hiÖn tr−êng cã kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ vËn tèc dÞch chuyÓn ®ôn c¸t víi gîn sãng (hoÆc cån c¸t víi ®ôn gi¸n tiÕp qTp. NÕu nh− trong dßng s«ng ph¸t triÓn chñ yÕu c¸c c¸t) theo c«ng thøc: sãng c¸t gå ghÒ, bÒ m¹t cña nã ®−îc phñ bëi c¸c gîn sãng nh−ng Un Un c r 2 = n(n + 1)a(1 − p)σ1 h1 + naK Tp1 ; c¸c sãng c¸t riªng biÖt ®¹t ®−îc ®é cong tíi h¹n cña s−ên d−íi, (3.11) H + h1 H2 gÇn víi gãc cña m¸i tù nhiªn, th× c¸c sãng c¸t nµy cã thÓ xem vËn tèc dÞch chuyÓn cån c¸t víi ®ôn c¸t vµ gîn sãng theo c«ng nh− lµ c¸c bÓ l¾ng ®Þa ph−¬ng ®Ó chuyÓn ho¸ phï sa. Khi ®ã K Tp = ( FH − F p ) / FH ë ®©y FH vµ FP – diÖn tÝch ®¾p phï sa ë m¸i thøc: d−íi sãng c¸t lâm vµ diÖn tÝch bãc phï sa ë m¸i trªn cña nã. 89 90
Un (xem h×nh 3.13). T−¬ng øng vËn tèc dÞch chuyÓn cån c¸t biÕn c r 3 = n(n + 1)(n + 2 )a(1 − p) σ1 h1σ 2 h2 2 + 3 ®éng tõ 70.10–5 m/s trong thêi kú xuÊt hiÖn ®ôn c¸t ®Õn 160.10–5 H n trong thêi kú bµo mßn chóng. C¸c th¨ng gi¸ng t−¬ng tù cña vËn + n(n + 1)a(1 − p)σ 2 h2 K Tp1 U + (3.12) (H + h1 )2 tèc c¸c sãng c¸t phøc t¹p ®· ®−a ra c¸c ®¸nh gi¸ bÊt ®¬n trÞ cña l−u l−îng phï sa thËm chÝ víi sö dông c«ng thøc d¹ng (3.10) – Un Un + n(n + 1)a(1 − p)σ1 h1 K Tp2 + naK Tp2 (3.12), nÕu nh− c¸c ®o s©u lÆp l¹i ®Ó tÝnh to¸n sù biÕn ®æi h×nh ( H + h2 )2 H + h2 + h1 th¸i sãng c¸t ®−îc thùc hiÖn th−êng xuyªn. KiÓm tra c¸c c«ng thøc (3.10) – (3.12) vµ ®¸nh gi¸ c¸c tham sè a vµ n ®−îc thùc hiÖn trªn c¬ së h¬n 40 ®o ®¹c h×nh th¸i c¸c sãng c¸t , vËn tèc dÞch chuyÓn cña chóng vµ c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng s«ng trªn c¸c s«ng Lªna (tr¹m Mokhogollokh), Niger (tr¹m Adjaokut), Obi (-nguån – s«ng Anui). Víi n = 4 vµ a = 3,7.10–4 nhËn ®−îc sù trïng hîp tho¶ m·n cña vËn tèc dÞch chuyÓn tÝnh to¸n vµ thùc tÕ c¸c d¹ng ®¸y c¸c kiÓu kh¸c nhau. NÕu kh«ng tÝnh ®Õn trong c¸c tÝnh to¸n cÊu tróc bËc thang cña ®Þa h×nh ®¸y lßng dÉn vµ chuyÓn ho¸ phï sa, sù kh«ng phï hîp cña c¸c gi¸ trÞ tÝnh to¸n vµ thùc ®o t¨ng lªn (h×nh 3.15). §Æc ®iÓm râ nhÊt cña ®éng lùc c¸c tæ hîp phøc t¹p cña ®¹i h×nh ®¸y lµ kh¶ n¨ng thay ®æi vËn tèc dÞch chuyÓn c¸c sãng c¸t lín chØ do sù thay ®æi ngÉu nhiªn h×nh th¸i c¸c sãng c¸t nhá víi ®Æc tr−ng thuû lùc cña dßng s«ng kh«ng ®æi. VËy nªn theo c«ng thøc (3.11), sù t¨ng chiÒu cao vµ ®é cong c¸c gîn sãng dÉn tíi sù gi¶m nhanh gi¸ trÞ thµnh viªn thø hai trong c«ng thøc vµ gi¶m ®¸ng kÓ vËn tèc dÞch chuyÓn ®ôn c¸t. Sù gi¶m ®é cao vµ ®é H×nh 3.15. Quan hÖ cña vËn tèc dÞch chuyÓn ®o ®¹c vµ tÝnh to¸n cña gîn cong c¸c gîn sãng dÉn tíi sù t¨ng vËn tèc dÞch chuyÓn ®ôn c¸t, sãng (1), ®ôn c¸t (2) vµ cån c¸t (3) víi viÖc tÝnh (a) vµ kh«ng tÝnh (b) ®é vµ víi viÖc bµo mßn toµn bé gîn sãng vËn tèc dÞch chuyÓn ®ôn phøc t¹p cña tæ hîp sãng c¸t. c¸t cÇn tÝnh to¸n theo c«ng thøc (3.10). §é cao vµ chiÒu dµi cña d¹ng ®¸y cô thÓ víi ®é s©u vµ vËn tèc dßng s«ng kh«ng ®æi biÕn 3.3. C¸c sãng c¸t lín ®éng trong mét ph¹m vi rÊt réng c¶ vÒ kh«ng gian lÉn thêi gian. thÝ dô nh− trªn s«ng Terek ë t¹m Parabotrs trong thêi C¸c sãng c¸t lín cã kÝch th−íc cì chiÒu réng cña dßng s«ng. gian lò mïa hÌ n¨m 1982 trong vßng mét ngµy víi vËn tèc dßng Mùc cÊu tróc nµy ®−îc t¹o nªn nh− lµ c¸c d¹ng sãng c¸t phøc vµ ®é s©u kh«ng ®æi ®é cao ®ôn trªn cån c¸t thay ®æi tõ 0 – 1,2 91 92
t¹p cÊu t¹o bëi aluvi lßng s«ng – c¸c sãng c¸t d¶i, cån, cï lao hÖ ph−¬ng tr×nh (2.11) trong miÒn cùc trÞ ®Þa ph−¬ng cña vËn còng nh− c¸c d¹ng sãng c¸t phñ bëi aluvi b·i båi. tèc t¨ng tr−ëng biªn ®é x¸o trén cao tr×nh ®¸y, ®−îc x¸c ®Þnh bëi chiÒu dµi vµ chiÒu réng cña sãng c¸t x¸c suÊt lín nhÊt. Gi¶i C¸c ®iÒu kiÖn h×nh ph−¬ng tr×nh (2.25) trong ®íi vËn tèc dßng s«ng U = 0 ,5...3,0 thµnh ®Þa h×nh lßng m/s, ®é s©u H = 0 ,5...50 m, ®−êng kÝnh ®Êt ®¸y 0,1–100 mm, hÖ s«ng ®Þa ph−¬ng vµ sè trong c«ng thøc I. L. Rozovski 1/β 1–20 chØ ra (h×nh 3.16) khu vùc g©y ¶nh h−ëng r»ng chiÒu dµi cùc ®¹i cña sãng c¸t lín t¨ng cïng sù t¨ng ®é s©u ®Õn h×nh th¸i häc vµ dßng s«ng vµ gi¶m víi sù t¨ng vËn tèc dßng s«ng vµ ®é nh¸m ®éng lùc häc c¸c sãng cña nã. ChiÒu réng c¸c sãng c¸t lín ®−îc x¸c ®Þnh b»ng hÖ thøc c¸t lín, ®Õn tÝnh phøc c−êng ®é hoµn l−u nagng vµ ®é nh¸m dßng s«ng . §å thÞ nh− t¹p cña cÊu t¹o cña trªn h×nh 3.16 cã thÓ xÊp xØ b»ng c¸c c«ng thøc: chóng, ®Õn tû lÖ cña c¸c L1 = 0 ,21C o HFr −1,1 víi 0 ,07 < Fr ≤ 0 ,5 ; 2 d¹ng ®¸y lín vµ nhá. (3.13) exp(− 3,1Fr ) víi 0 ,5 < Fr ≤ 0 ,9 ; C¸ch tiÖm cËn thùc 2 L1 = 2 ,1C o H nghiÖm nghiªn cøu c¸c (β/ g)Co2 − 1 L1 / L2 = (3.14) sãng c¸t lín dÉn tíi sù ph©n lo¹i h×nh th¸i häc vµ h×nh th¸i ®éng lùc häc rÊt phøc t¹p [90], chóng g©y nªn phiÒn phøc kh«ng kÐm khi chuyÓn sang ®èi t−îng thiªn nhiªn kh¸c. CÇn thiÕt ph¸t triÓn lý thuyÕt thµnh t¹o c¸c sãng c¸t lín, t×m kiÕm c¬ së lý luËn cña quan hÖ c¸c tham sè h×nh H×nh 3.17. H×nh th¸i häc lßng s«ng víi c¸c tû sè kh¸c nhau cña chiÒu réng th¸i chÝnh cña chóng d¹ng lßng s«ng L2 vµ chiÒu réng lßng dÉn b víi c¸c ®Æc tr−ng thuû H×nh 3.16. Phô thuéc chiÒu dµi sãng c¸t lín lùc cña dßng s«ng. 1-. b/ L2 = 0 ,5 ; 2. b/ L2 = 1,0 ; 3. b/ L2 = 1,5 ; 4. b/ L2 = 2 ,0 Trong xÊp xØ ®Çu tiªn bµi to¸n nµy ®−îc gi¶i b»ng kh¶o s¸t sè Sù ph©n bè c¸c d¹ng trong lßng dÉn phô thuéc vµo tû sè 93 94
chiÒu réng cña sãng c¸t lín thèng trÞ L2 vµ chiÒu réng lßng dÉn ph¸t triÓn chñ ®éng cña c¸c sãng c¸t lín ®−îc thùc hiÖn chØ b: K φ = b/ L2 , nÕu nh− K φ ≤ 0 ,5 th× trong lßng dÉn t¹o nªn c¸c trong thêi gian lò lín. Trong c¸c thêi kú ®ã h×nh thµnh kÝch th−íc ®Æc tr−ng c¸c thµnh t¹o tÝch tô nµy – chiÒu dµi vµ chiÒu d¹ng ®¸y phô ph©n bè däc theo bê theo trËt tù c¸c « cê. Cïng réng. ChiÒu cao c¸c sãng c¸t lín t¨ng víi sù t¨ng cña l−u l−îng víi viÖc t¨ng K φ trong phÇn gèc cña d¹ng ®¸y phô t¹o nªn c¸c n−íc còng nh− lµ c¸c sãng c¸t võa vµ nhá. dßng nh¸nh phô, cßn víi K φ = 1,0 kÕt thóc viÖc t¸i t¹o lßng dÉn Tuy nhiªn sau khi n©ng cao bëi vËn tèc dßng s«ng c¸c gi¸ víi c¸c l−íi cï lao. Trong kho¶ng 1,0 < K φ < 1,5 l−íi cï lao kÕt trÞ ng−ìng sù bµo mßn c¶ c¸c sãng c¸t lín b¾t ®Çu . Lisl [122] hîp víi c¸c d¹ng ®¸y phô g¾n víi c¸c bê v.v.. (h×nh 3.17). Do c¸c m« t¶ mét trËn lò lín trªn c¸c con s«ng nhá cña Caliphornia, sãng c¸t lín ®−îc ®Æc tr−ng b»ng phæ hai chiÒu liªn tôc víi c¸c khi c¸c b·i v¾t bÞ bµo mßn, c¸c lòng s©u bÞ phñ bëi phï sa. d¹ng quy m« kh¸c nhau nªn viÖc tËp trung ho¸ c¸c d¹ng bÞ ChiÒu réng lßng dÉn t¨ng lªn, biªn ®é c¸c sãng c¸t lín gi¶m ®ét phøc t¹p (h×nh 3.18) ngét. Theo møc ®é rót xuèng cña lò d¹ng ®Þa h×nh ®Çu tiªn ®−îc x¸c lËp. ChØ tiªu tr¹ng th¸i chñ ®éng cña sãng c¸t lín lµ h×nh d¹ng mÆt tho¸ng dßng s«ng trªn chóng. NÕu nh− sãng dµi trªn bÒ mÆt dßng s«ng n»m ®èi pha víi sãng dµi cao tr×nh ®¸y s«ng vµ ®iÒu nµy chØ ra sù dÞch chuyÓn chñ ®éng cña c¸c sãng c¸t lín do sù bµo mån trong c¸c l¹ch vµ tÝch tô trªn c¸c b·i v¾t. T×nh huèng nµy ®· nhËn ®−îc ë lßng s«ng Niger mïa thu n¨m 1957 vµo thêi kú lò víi l−u l−îng n−íc cùc ®¹i 37000 m3/s. trong thêi kú diÔn ra trËn lò thÊp h¬n n¨m 1978, víi l−u l−îng n−íc cùc ®¹i 20000 m3/s mÆt tho¸ng cña dßng s«ng lµ hÇu nh− b»ng ph¼ng, gãc nghiªng ®ång ®Òu c¶ ë l¹ch vµ c¶ ë b·i. Sù dÞch chuyÓn chñ ®éng cña sãng c¸t lín kh«ng quan tr¾c ®−îc. H×nh 3.18. H×nh th¸i häc c¸c sãng c¸t lín tÝnh to¸n víi viÖc tÝnh ®Õn phæ Nh− vËy, ®éng lùc häc sãng c¸t lín phÇn nhiÒu ®−îc x¸c biªn ®é liªn tôc cña cao tr×nh ®¸y ®Þnh bëi chÕ ®é thuû v¨n cña s«ng ngßi. Trong lßng dÉn h¹ l−u 1. cï lao vµ d¹ng ®¸y phô; 2– ®¸y l¹ch (c¸c ®−êng ®ång møc qua ®¬n vÞ ®é s©u Niger c¸c d¹ng ®¸y phô ®−îc h×nh thµnh ë c¸c chç gi·n côc bé t−¬ng ®èi) 3. bê lßng dÉn cña lßng dÉn, th−êng lµ ë phÝa c¸c bê. Trong nh÷ng n¨m nhiÒu n−íc ë ®©y diÔn ra sù bøt ph¸ dßng khái bê, t¹o nªn mét vïng C¸c sãng c¸t lín cã thÓ tån t¹i ë t¹ng th¸i chñ ®éng hoÆc n−íc yªn tÜnh hoÆc thËm chÝ lµ vïng ch¶y ng−îc. DiÔn ra sù tÝch thô ®éng. Víi sù ph¸t triÓn chñ ®éng sãng c¸t lín dÞch chuyÓn tô phï sa vµ t¹o nªn d¹ng ®¸y phô . Trong thêi kú nhiÒu n−íc nh− lµ mét thÓ thèng nhÊt vµ thÓ hiÖn sù ph¶n chiÕu trong ®¸y trong chu kú n−íc nhiÒu n¨m cña s«ng ngßi c¸c d¹ng ®¸y phô xãi lë cña dßng s«ng t¹o nªn cÊu tróc xo¸y cña nã. Tr¹ng th¸i 95 96