39
Chương 2
SÔNG NGÒI VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC SÔNG
2.1 Tổng quan
Sông ngòi là mạng lưới địa hình trũng chứa nước chảy thường xuyên. Đa phần hệ thống
sông có lưu thông với biển. Sườn lục địa đổ vào Thái Bình Dương có các sông lớn như Amua,
Dương Tử, Hoàng Hà, Trường Giang, sườn đổ vào Đại Tây Dương và Bắc Băng Dương có
các sông lớn như Amazôn, Enhixây, Lêna. Phần đất liền, diện tích 29.000.000km2, không có
sông lưu thông với đại dương, bao gồm cả lưu vực Caxpiên, Aran, Baican, sa mạc Sahara,
Arabi, trung tâm châu Úc…, chỉ sinh ra lượng dòng chảy <2% tổng lượng dòng chảy lục địa.
Lượng nước sông rất nhỏ so với tổng lượng nước Trái Đất nói chung (0,0001%) và lượng
nước ngọt nói riêng (0,005%), chỉ có 1.700km3, chu kì phục hồi ngắn (bảng 1.2). Đây là
nguồn tài nguyên nước có giá trị sử dụng cao nhất vì nó phân bố rộng, khả năng tái tạo lớn,
thuận lợi cho áp dụng các giải pháp kỹ thuật.
Phần bề mặt hứng nước cấp cho sông gọi là lưu vực hay bồn thu nước, gồm có bồn thu
nước mặt và bồn thu nước dưới đất. Đường phân nước của một lưu vực là đường bao quanh
và ngăn cách nó với các lưu vực lân cận. Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm
trùng nhau sẽ tạo thành một lưu vực kín. Trong vùng núi cao, đường phân nước đi qua các
điểm cao nhất theo hướng dốc chung của địa hình. Trong vùng đồng bằng châu thổ, ranh giới
giữa hai lưu vực thường là một miền trũng, do quá trình hình thành châu thổ bắt đầu từ bờ
sông trong những thời kỳ nước lũ tràn bờ. Phù sa mùa lũ thường có thành phần cơ giới đa
dạng, các hạt lớn sẽ lắng ngay khi lũ tràn bờ, tạo thành một gờ cao dọc hai bờ. Các hạt còn lại
lắng dần trong quá trình nước lũ đi xa khỏi bờ, nghĩa là càng xa bờ, cơ hội được bồi lắng nâng
cao địa hình càng kém đi, vật chất bồi tụ càng mịn hơn.
Đường phân nước lưu vực có thể không trùng với các biên giới hành chính; Có trường
hợp, biên giới hành chính lại là một con sông. Trên thế giới hiện có trên 200 sông đa quốc
gia. Bình thường những con sông này là sợi dây thắt chặt tình hữu nghị giữa các dân tộc,
nhưng đôi khi nó trở thành nguyên nhân của các xung đột lợi ích, hay công cụ trong những
cuộc chiến.
Nơi bắt đầu của một con sông gọi là nguồn sông. Nó có thể là mạch nước ngầm, nhánh
sông cấp 1, hồ, hoặc nơi giao nhau của những dòng sông khác.
Sông ngòi phát triển thành mạng lưới, bắt đầu từ những rãnh nông, rãnh sâu, khe cạn
trong vùng gần đường phân nước, có thể có hoặc không có dòng chảy quanh năm (sông nhánh
cấp 1). Các nhánh sông cùng cấp gặp nhau tạo thành nhánh cấp cao hơn, có lưu lượng và độ
ổn định chế độ dòng chảy tăng dần.
Thường xuôi theo dòng chảy, lượng nước và kích thước dòng sông tăng lên, lòng sông
mở rộng, tốc độ trung bình và độ dốc giảm đi. Theo thời gian, các con sông dần san bằng
chướng ngại trên đường chảy, xói mòn địa hình cao và bồi lấp địa hình trũng, xâm thực giật
lùi về phía đầu nguồn và san phẳng dần hạ nguồn, làm cho sông dài hơn và trắc diện dọc trơn
tru hơn. Vì thế người ta gọi những dòng sông khúc khuỷu là sông trẻ, sông phẳng lặng là sông
40
già. Cách phân loại này chỉ có tính tương đối, vì có những dòng sông có thượng lưu rất trẻ và
hạ lưu già. Như sông Hồng, do vùng thượng du liên tục được nâng lên qua các kỳ tạo sơn và
cấu trúc địa chất khu vực thuộc loại khó xói.
Mạng lưới sông thể hiện khá rõ nét những đặc điểm cấu tạo địa chất, điều kiện khí hậu và
tác động ngoại lực. Mạng lưới sông thường phát triển thành các dạng điển hình như dạng lông
chim, song song, nan quạt, cành cây, hình lưới... Mạng sông hình cành cây thường có rất
nhiều nhánh và sắp xếp thành dạng cành cây nhưng không thể hiện hướng thống trị nào.
Trong cách sắp xếp này, yếu tố ngoại lực có ý nghĩa quyết định. Tuy nhiên vẫn có thể thấy
mối liên hệ giữa kiểu mạng lưới này với những khu vực phát triển đá trầm tích có cấu trúc
nằm ngang, hoặc có độ nghiêng tương đối thoải và khả năng chống bào mòn tương đối đồng
đều (ví dụ như vùng đá kết tinh cổ). Mạng lưới sông dạng song song phát triển ở những khu
vực có nếp uốn hoặc đứt gãy kiến tạo nằm song song với nhau, trên các đồng bằng biển có độ
nghiêng chung, tại các khu vực có những loại đất đá cứng mềm khác nhau hoặc có thế nằm rất
dốc hay đảo ngược. Mạng sông hình lưới điển hình cho các đồng bằng châu thổ và những bãi
thủy triều. Mạng sông dạng tỏa tia hoặc hướng tâm thường chỉ gặp ở những khu vực có cấu
tạo địa chất kiểu khối nâng dạng vòm và chóp núi lửa hoặc mỏ muối.
Những con sông lớn có sự phân hoá rõ nét theo đặc điểm tự nhiên và điều kiện sử dụng
thành thượng, trung, hạ lưu và phần lưu vực tương ứng với chúng gọi là thượng, trung, hạ du.
Thượng lưu chảy trong vùng núi đá rắn khó xâm thực thường có dạng uốn khúc sơn văn
tương đối ổn định, với các khúc uốn nương theo đáy thung lũng núi, sông có độ dốc lớn, lòng
sông khúc khuỷu, nước chảy xiết, nhiều thác ghềnh. Trong vùng đất đá dễ xâm thực, mạng
lưới và lòng sông là sản phẩm của quá trình tương tác dòng nước lòng sông rõ nét, với những
vách thung lũng cắt sâu qua các bề mặt cao, hoặc các khúc uốn thuỷ văn có độ ổn định kém
hơn, dễ biến đổi, dịch chuyển ở đồng bằng. Hạ lưu sông chảy êm đềm, lòng sông mở rộng,
uốn khúc mạnh trong những đồng bằng bằng phẳng, vốn được bồi tụ, nâng cao nhờ vật chất
xâm thực bóc mòn từ vùng cao của địa hình trong suốt lịch sử dòng sông.
Bảng 2.1.
Đặc điểm một số sông lớn trên thế giới
Stt Tên sông Chiều dài
km
Diện tích
lưu vực
103 km2
Tổng dòng
chảy năm
km3
Lưu lượng
trung bình
m3/s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Amazon
Côngô
Hằng
Dương Tử
Braxmaputra
Enixây
Mitsisipi
Panama
Mê Công
Lêna
Nin
Hoàng Hà
6436
4.373
5.471
5.969
4.183
4.312
6.669
4.827
7.000
3.670
2.000
1.940
936
2.580
3.275
3.000
810
2.490
6.930
1.350
1.200
693
630
624
599
599
551
536
220.000
43.000
38.000
22.000
20.000
19.800
19.000
19.000
17.500
17.000
Bảng 2.1.
Một số đặc trưng hệ thống và lưu vực
Chiều dài sông (L) là khoảng cách từ nguồn đến cửa sông theo đường nước chảy.
Bán kính thuỷ lực (R) là tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang hoạt động và chu vi ướt của nó, đặc trưng cho
sức kháng mà chất lỏng chuyển động phải chịu do ma sát đáy.
Độ nhám (n) đặc trưng mức độ cản trở chuyển động, gây nên bởi sự không bằng phẳng của đáy. Độ nhám
tuyệt đối là chênh lệch độ gồ ghề so với đường cong đáy nhịp nhàng trung bình. Độ nhám tương đối là tỷ số
giữa độ nhám tuyệt đối và độ sâu trung bình.
41
Khi công của dòng nước ảnh hưởng nhiều nhất tới quá trình hình thành lòng sông Glutôkôp V.G. [1924] đề
xuất quan hệ hình thái - thuỷ lực dạng đơn giản nhất như sau:
α = B1/2H-1
trong đó: B- chiều rộng sông, H- độ sâu. Trung bình α = 2,75; Khi lòng sông dễ xói (cát mịn) α = 5,5. Từ
đây có thể thấy chiều rộng sông chảy trong thung lũng đồng bằng thường rất lớn so với độ sâu và tỷ lệ giữa
độ rộng, độ sâu là ổn định trong các vùng có điều kiện hình thành tương tác dòng nước lòng sông ổn định.
Độ uốn khúc lòng sông là tỷ số khoảng cách giữa nguồn và cửa sông tính theo đường nước chảy và
đường thẳng, đặc trưng mức độ phát triển lòng sông trên mặt bằng.
Mật độ lưới sông là tỷ số giữa độ dài toàn bộ lưới sông trên diện tích đã cho, đặc trưng cho mức độ phát
triển của hệ thống. Nghịch đảo giá trị mật độ lưới sông biểu thị khoảng cách trung bình giữa hai dòng nước.
Lượng nước mặt càng dồi dào thì tiềm năng phát triển mạng lưới sông càng lớn, mật độ lưới sông càng
lớn, dễ dàng hơn cho đối tượng dùng nước tiếp cận với nguồn cấp.
Diện tích lưu vực đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nước mưa của sông. Trong cùng một vùng khí hậu địa
lý, diện tích lưu vực càng lớn, lưu lượng nước trong sông càng lớn. Các sông lớn có lượng dòng chảy
nhiều, động năng lớn, nên có khả năng cắt xẻ sâu vào các tầng nước dưới đất, nhờ đó chế độ dòng chảy
ổn định hơn, mùa kiệt nhiều nước hơn.
Mặt cắt dọc sông là đường cong thể hiện sự thay đổi độ cao đáy và mặt nước sông từ nguồn đến cửa, đặc
trưng cho sự thay đổi độ dốc dọc sông, biểu thị độ sâu dòng nước và gián tiếp biểu thị động năng.
Đường cong cao đạc là đồ thị biểu diễn tỷ lệ phần trăm diện tích lưu vực phân bố không thấp hơn một cao
độ nhất định. Càng lên cao mưa càng tăng và nhiệt độ càng giảm khả năng sinh dòng chảy càng lớn, đồng
thời điều kiện chảy tập trung trên các vùng cao thường thuận lợi, nên phân bố diện tích theo độ cao có
ý nghĩa đáng kể trong nghiên cứu sự hình thành và kiểm soát lũ.
Địa hình ven thung lũng sông thường có dạng bậc thềm.. Chúng là dấu tích của các đồng
bằng châu thổ cổ ứng với những mốc xâm thực sâu nhất định (cao độ cửa sông). Mỗi lần mốc
xâm thực, hoặc cao độ châu thổ thay đổi nâng lên hay hạ xuống, dòng chảy lại tạo cho mình
một thềm sông mới. Đồng bằng châu thổ hiện đại gọi là thềm sông bậc 1. Một số thềm sông
cổ có thể tồn tại tương đối ổn định, rất dễ nhận thấy, nhưng một số thềm sông khác lại bị xâm
thực phá huỷ thành những ngọn đồi riêng lẻ, tạo thành dải đồi chạy song song với thung lũng
sông. Sông Hồng nói chung có ít nhất là 3 bậc thềm sông như thế ở các độ cao tương đối 25 -
30m, 60 - 75m và 100 - 125m, là minh chứng rõ rệt cho việc toàn vùng đang được nâng lên và
sức công phá mãnh liệt của dòng sông giàu nước này.
Cửa sông là nơi kết thúc một dòng sông. Nó có thể là một con sông, sông ngầm, hồ, biển,
đại dương. Sông có thể phân làm nhiều nhánh trước khi ra tới biển, và do đó có nhiều cửa
sông. Trong trường hợp đó cửa chính của sông là cửa tiêu thoát lượng nước lớn nhất. Một số
sông không có cửa theo đúng nghĩa của nó, ví dụ như dòng sông cụt trong vùng khô hạn, tự
kết thúc trên đường chảy, hoặc những con sông có tên dân gian khác nhau, nhưng thực sự chỉ
là những phần kế tiếp của một dòng lưu thông chung nào đó. Tại những vùng nền đất kém bền
vững, cửa sông có thể không ổn định, mà dịch chuyển trên một vùng rộng lớn tùy thuộc vào
đặc điểm lũ của từng năm. Theo quy ước, cao độ mặt nước cửa sông được gọi là mốc xâm
thực sâu của sông. Cửa sông đổ ra biển phân hoá thành 3 loại, khác biệt về mặt hình thái,
động lực và mức độ tổ hợp các yếu tố tác động như triều, sóng và nước sông.
Cửa sông tam giác châu mở rộng ra biển, có hoạt động của sông chiếm ưu thế do dòng
chảy và phù sa dồi dào, có quá trình bồi lắng phức tạp, hình thành nhiều bãi bồi (sông
Missisipi, sông Hồng), đặc biệt có sự hình thành các doi tích tụ ở hai bên bờ sông kéo dài về
phía biển. Vật liệu cấu tạo các doi tích tụ này thường mang nhiều tính chất của aluvi do chưa
bị các quá trình biển tác động. Phù sa sông đưa ra biển bồi lại ở gần cửa, hình thành vùng biển
nông trước cửa sông, gọi là gờ biển. Các tam giác châu có thể có tốc độ tiến ra biển rất nhanh,
như châu thổ sông Mitsisipi 120m/năm, sông Hồng 100m/năm. Nhưng do đa phần phù sa
tham gia vào quá trình lấn biển nên vùng châu thổ phía trong thường thấp hơn vùng rìa, không
thuận lợi cho tiêu thoát nước trong mùa mưa lũ.
42
Cửa sông hình phễu là do sông ít phù sa, kết hợp với tác động trội của các quá trình triều
và dòng biển, sụt chìm địa động lực hiện đại thiếu đền bù bồi tích hình thành (sông Bạch
Đằng, Sài Gòn). Cửa sông loại này thường có các đảo tích tụ kéo dài song song hướng dòng
mặt, bãi triều lầy bị chia cắt mạnh bởi hệ thống lạch triều, luồng sâu và bãi nông nằm kéo dài.
Một số tác giả gọi hệ thống liên hoàn cửa sông - đầm phá là cửa sông dạng khuyết áo.
Cửa sông loại này có đặc điểm nửa khép kín hẹp, tác nhân hình thành chủ đạo là hoạt động
của sóng, phần trong cửa sông mở rộng, có thể có đảo cát hay bãi ngầm, phía ngoài là các cồn
cát dạng lưỡi liềm nằm chắn vuông góc dòng chảy, hình thành những đầm phá hẹp, dài. Sườn
bên ngoài các cồn cát này tiếp cận ngay với vùng biển khá sâu, tiềm ẩn nguy cơ dễ bị phá vỡ
khi chịu tác động mạnh của dòng lũ.
Cửa sông có quá trình triều chiếm ưu thế thuận lợi nhất cho phát triển rừng ngập mặn, do
có năng lượng sóng yếu, trầm tích hạt mịn trên bãi triều lầy và nước mặn thường xuyên xâm
nhập. Cửa sông có quá trình sông chiếm ưu thế chỉ đáp ứng được hai điều kiện đầu về trầm
tích và năng lượng sóng, nên rừng ngập mặn chỉ có rất ít ở các rìa cửa sông giáp biển. Cửa
sông có sóng chiếm ưu thế thì tác động của sóng mạnh nên rừng ngập mặn không nhiều, phân
bố ở rìa các đầm phá. Trên thế giới, rừng ngập mặn chỉ phát triển ở dải bờ nhiệt đới.
2.2 Chế độ nước sông
Chế độ nước là tập hợp các thông tin có hệ thống về mức độ biến động của các đặc trưng
mực nước, lưu lượng, nhiệt độ... theo thời gian. Nghiên cứu chế độ nước cho phép xác định
khả năng tiếp cận sử dụng cũng như những bất lợi gây nên bởi các yếu tố hình thành khác
nhau.
Mực nước sông biến động thường xuyên theo thời gian dưới tác động của hàng loạt yếu
tố sau:
Thay đổi lượng nước sông do mưa, nước ngầm, cấp xả nhân tạo, sự cố công trình....
Thay đổi hình dạng, kích thước mặt cắt hoạt động của sông do nâng hạ đáy sông, xói lở
bờ, chướng ngại trong dòng chảy gây nên bởi thực vật, công trình nhân tạo.
Ảnh hưởng của gió, thuỷ triều, biến động chế độ nước sông nhập lưu hoặc phân lưu.
Mỗi yếu tố trên lại là kết quả của tổ hợp hàng loạt các yếu tố tự nhiên và nhân tạo khác
nhau, có đặc tính biến động mang tính ngẫu nhiên hoặc chu kì. Sự thay đổi mực nước sông do
tuần hoàn tự nhiên mang tính chu kì và ổn định hơn cả. Thuỷ triều gây nên sự biến động mực
nước với biên độ tới vài mét, theo chế độ nhật triều hoặc bán nhật triều, nên một mặt nó làm
cho nước mặn xâm nhập sâu vào đất liền, tạo ra một vùng nước lợ cửa sông có đặc tính thuỷ
văn và sinh thái hoàn toàn khác biệt với các vùng còn lại, mặt khác nó cản trở sự tiêu thoát
nước ngọt của sông ra biển, làm tăng tính tai biến của lũ lụt.
Lưu lượng nước sông có quan hệ gần tuyến tính với mực nước sông trong cùng tuyến, với
mức tuyến tính và độ ổn định tuỳ thuộc vào độ ổn định của lòng sông và đặc điểm quá trình lũ
trong sông. Đồ thị quan hệ mực nước - lưu lượng tại một tuyến sông có dạng gần tuyến tính
(vòng dây hẹp), tương đối ổn định và là một công cụ quan trọng trong việc tính toán lưu
lượng nước, dự báo dòng chảy.
Lưu lượng (mực nước) sông tuyến trên có quan hệ tương ứng với lưu lượng (mực nước)
sông tuyến dưới. Đồ thị quan hệ này khá ổn định theo thời gian khi các đặc trưng hình thái
lưu vực và hệ thống ổn định. Đồ thị được sử dụng rộng rãi trong công tác dự báo thuỷ văn
43
ngắn hạn. Đối với lưu lượng nước cũng xây dựng được các đường quá trình, đường tần suất
và đường cong duy trì với ý nghĩa sử dụng tương tự như đối với mực nước.
Đặc điểm và mức độ biến động của tài nguyên nước được biểu diễn bằng những đồ thị
sau: 1- Đường quá trình mực nước (lưu lượng), biểu diễn sự biến đổi mực nước (lưu lượng)
theo thời gian, với trục tung là mực nước (lưu lượng), trục hoành là ngày trong năm; 2-
Đường cong duy trì mực nước (lưu lượng), biểu diễn phần trăm số ngày trong năm duy trì
được mực nước (lưu lượng) không thấp hơn mức nước nghiên cứu, với trục tung là khoảng
biến động mực nước (lưu lượng) ngày, trục hoành là phần trăm số ngày mực nước (lưu lượng)
trong sông không thấp hơn mực nước đang xem xét; 3- Đường tần suất mực nước (lưu lượng),
biểu thị xác suất xuất hiện các giá trị mực nước (lưu lượng) trong chuỗi những giá trị dòng
chảy ngẫu nhiên như mực nước (lưu lượng) trung bình, cực trị…
Chế độ mực nước, lưu lượng trong sông phân hoá theo mùa rõ nét. Phân phối dòng chảy
theo mùa mang tính cực đoan rõ nét: mùa lũ, thường kéo dài 3 - 5 tháng, có lượng dòng chảy
chiếm trên dưới 2/3 tổng lượng dòng chảy năm. Phần còn lại đã ít ỏi, lại cũng được phân phối
không đều cho các tháng trong mùa kiệt. Chênh lệch mực nước cực trị giữa hai mùa (tính
bằng mét) xuất hiện ở mức hai con số, trong khi đó chênh lệch lưu lượng nước cực trị là rất
lớn, lưu lượng cực đại gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần lưu lượng cực tiểu. Đây là một bất
lợi lớn cho các đối tượng dùng nước.
Mức độ cực đoan trong phân phối nước theo mùa phụ thuộc vào hai loại nhân tố là khí
hậu và điều kiện hình thành dòng chảy. Mọi tác động làm tăng tốc độ dòng chảy trên sườn
dốc (như tăng độ dốc, độ dài sườn dốc, giảm độ che phủ sườn dốc) và giảm lượng nước thấm
trên sườn dốc đều dẫn tới làm tăng dòng chảy trong mùa lũ và tăng mức độ ác liệt của từng
trận lũ. Chi tiết hệ quả của các hiện tượng nước cực đoan đã được trình bày trong các phần
trước.
Chế độ lưu lượng phù sa và chất hoà tan trong sông có mức độ đồng pha tương đối với
lưu lượng nước. Lượng phù sa trong sông phụ thuộc vào hai loại nhân tố cơ bản là:
Khả năng mang của dòng nước trên sườn dốc và trong lưới sông, phụ thuộc vào lưu
lượng và tốc độ.
Khả năng cấp phù sa cho sông từ sườn dốc và bờ đáy.
Phần lớn lượng phù sa trong sông tập trung vào thời kỳ nước lũ, khi nguồn nước mặt
cung cấp cho sông dồi dào. Thượng lưu thường vừa là vùng sinh thuỷ lớn, vừa có độ dốc lớn,
nên quá trình phá huỷ sinh phù sa và chuyển tải đi xa có xu thế trội hơn quá trình lắng đọng,
do đó dòng chảy thường có lượng phù sa lớn, với thành phần bao gồm cả các hạt kích thước
lớn và nhỏ. Vùng hạ lưu độ dốc nhỏ, nước chảy hiền hoà, quá trình lắng đọng phù sa có xu thế
trội hơn, nên lượng phù sa thường ít hơn và thành phần chủ yếu là các hạt kích thước không lớn,
dễ lơ lửng.
Phù sa sông là nguồn cấp nguyên liệu cho quá trình lắng đọng thành tạo, nâng cao các
vùng đồng bằng, là nguồn dinh dưỡng quý cho cây trồng và có ý nghĩa tích cực đối với sự
thành tạo đất thổ nhưỡng. Tuy nhiên phù sa lớn là một bất lợi cho sử dụng trong sinh hoạt,
gây bồi lắng hệ thống thuỷ nông, là cơ sở cho sự thành tạo bãi bồi, đảo trong sông, cửa sông
tam giác châu và lục địa lấn biển. Nơi sông đổ vào biển hình thành vùng chuyển tiếp với tốc
độ dòng giảm và thay đổi mạnh theo mức thuỷ triều, xáo trộn nước sông - biển diễn ra mạnh
mẽ, tạo cơ chế thuận lợi cho sự lắng đọng phù sa, hình thành cửa sông mở rộng và có nhiều
chi lưu. Sông càng ít phù sa, dạng tam giác châu biểu hiện càng yếu. Triều lên xuống và các
dòng biển gây khó khăn cho quá trình này và khi vai trò của các quá trình biển trội hơn sẽ dẫn