Hình thái học , động lực học và ảnh hưởng qua lại các nguyên tố cấu trúc của địa hình lòng sông

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 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. Ch−¬ng 3 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 3.1. Gîn sãng (sãng c¸t nhá nhÊt) 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 d¹ng t−¬ng tù d−íi tªn gäi lµ gîn sãng mega. Nh− vËy, gîn sãng ®−îc hiÓu lµ c¸c sãng c¸t nhá nhÊt, kÝch th−íc cña nã phô thuéc vµo ®é s©u dßng ch¶y. Kh¶o s¸t tÝnh kh«ng æn ®Þnh cña dßng ch¶y vµ lßng s«ng 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 chóng ®−îc x¸c ®Þnh bëi sù hiÖn diÖn søc kh¸ng ®¸y vµ sãng trªn mÆt tho¸ng cña dßng ch¶y. XuÊt ph¸t tõ ®iÒu nµy cã thÓ ®¬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: 011 =+ PcAa ; 0333 =++ TdPcAa ; 044 =+ TdAa , víi i kHC U gUa o 1 2 1 111 2−α= ; 213211 kHUgc β−= ; Ha =3 ; cUc −= 13 ; cUd +−= 13 ; ; . Ma =4 cd −=4 Sau khi lo¹i c¸c biÕn A, P, vµ T, sù ph©n chia c¸c vËn tèc tæ hîp ra ph©n thùc vµ phÇn ¶o vµ bá qua c¸c sè h¹ng nhá thu ®−îc quan hÖ ph−¬ng sai: ( ) ( ) 12 2 1 2 1 22 13 2 1 2 1 2 13 2 kHC Ug M kHUHgU gkHU cIm oβ+−α −β= §iÒu kiÖn 0>)cIm( – t¨ng biªn ®é x¸o trén theo thêi gian – ®−îc thùc hiÖn khi FrHL 'p 32 βπ< víi 33 β=β' B−íc sãng, mµ ®èi víi nã vËn tèc t¨ng biªn ®é x¸o trén cùc ®¹i, ®−îc x¸c ®Þnh theo hÖ thøc ( ) ( ) 011 =dk/cImdk Cùc trÞ nµy quan s¸t ®−îc khi 2 3 12 Fr/FrHL ' p α+βπ= . (3.1) BiÓu thøc nµy chÝnh x¸c ho¸ c«ng thøc (2.9) nhËn ®−îc bëi A. E. Mikhinov [60] trªn c¬ së c¸c gi¶ thuyÕt gÇn ®óng. H×nh 3.1. Gîn sãng hai chiÒu trong lßng s«ng Lªna t¹i tr¹m Mokhsogolokh. Gîn sãng lµ mét trong nh÷ng h¹ng phæ biÕn nhÊt cña c¸c d¹ng ®¸y. Kh¶o s¸t chóng tiÕn hµnh trªn s«ng Niger ë kho¶ng ®é s©u H = 2,0 ... 20,0 m, vËn tèc dßng ch¶y U = 0,6 .... 1,7m/s, ®−êng kÝnh h¹t trung b×nh D = 0,7 ... 0,8 mm; trªn s«ng Obi víi H = 2,0 ... 5,0 m, vËn tèc dßng ch¶y U = 0,6 .... 1,0m/s, ®−êng 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 trung b×nh D = 0,25 mm Gîn sãng lµ d¹ng ®¸y hai chiÒu. Th©n cña chóng thuéc sèng c¾t h−íng dßng ch¶y mét kho¶ng v−ît qu¸ b−íc gîn sãng däc 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 d−íi LH dµi h¬n) th× nã l¹i biÓu thÞ mét c¸ch râ rµng (LH /LB > 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. §−êng cong ph©n bè ®é dµi gîn sãng (H×nh 3.2) theo ®Ò xuÊt cña Saire [124] th−êng m« t¶ bëi ph©n bè gama d¹ng: ( ) ( )dLLexpLdp β−αΓ β= −α α 1 . (3.2) HÖ sè α vµ β liªn quan tíi ®é dµi trung b×nh gîn sãng pL vµ ph−¬ng sai cña chuçi bëi hÖ thøc sau: 2Lσ Γβα=σβα= ,/,/L L 22 – hµm gama 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 pLv L/C σ= thay ®æi trong mét giíi h¹n hÑp vµ trung b×nh kho¶ng 0,40 (H×nh 3.3 a). H×nh 3.2. To¸n ®å c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i gîn sãng th−îng nguån s«ng Obi a– 11.07.85 b·i v¾t Ust–Pesan−i; b– 13.07.85 nh¸nh R−baxkaia Trong tr−êng hîp nµy ®−êng cong ph©n bè ®é dµi gîn sãng m« t¶ bëi hµm víi mét tham sè – chiÒu dµi trung b×nh gîn sãng KiÓm tra tÝnh øng dông cña c«ng thøc (3.1) ®Ó tÝnh to¸n pL 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 kho¶ng vËn tèc dßng ch¶y U = 0,1 .... 2,5m/s; ®é s©u H = 0,001 ... 20,0 m, vµ ®−êng kÝnh phÇn tö h¹t D = 0,2 .... 2,0mm – lÊy 61 62 trung b×nh, hÖ sè t−¬ng quan r = 0,66 (H×nh 3.4). Bá c¸c gi¸ trÞ chi phèi nh− lµ ®é chÝnh x¸c x¸c ®Þnh ®é dµi gîn sãng ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn tù nhiªn còng nh− ®¹i l−îng biÕn x¸c ®Þnh bëi ph©n bè vËn tèc thuû trùc cña vËn tèc thµnh phÇn dßng ch¶y. Gi¸ trÞ trung b×nh tÝnh ®−îc nhê c«ng thøc (3.1) theo sè liÖu ®é dµi thùc tÕ cña gîn sãng lµ 0,73 vµ kh«ng kh¸c mÊy víi gi¸ 3'β 3'β H×nh 3.3. Quan hÖ cña ®é dµi trung b×nh L (a) vµ ®é cao h (b) gîn sãng (1) ®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 gi¸ trÞ lý thuyÕt lµ 0,55. C¸c gi¸ trÞ rêi r¹c kh¸c víi trung b×nh 2 lÇn hoÆc h¬n. Sù ph©n t¸n lín c¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè dÉn tíi viÖc gi¶m m¹nh ®é chÝnh x¸c cña tÝnh to¸n theo c«ng thøc (3.1). C«ng thøc thùc nghiÖm ®¬n gi¶n h¬n: 3'β 3'β H,Lp 70= (3.3) UH,Lp 91= (3.4) còng cho c¸c kÕt qu¶ xÊp xØ. Tuy nhiªn c«ng thøc (3.1) cã ý 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 = 1,2 . 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. 3'β 3'β §−êng cong ph©n bè ®é cao gîn sãng, theo gi¶ thuyÕt cña Vang vµ Tren [137] xÊp xØ ph©n bè Vªibul – Gnhedenco ( )dhhhdp µµ λµλ −= − exp1 . (3.5) C¸c hÖ sè µ vµ λ quan hÖ víi ph vµ b»ng hÖ thøc Sè liÖu kh¶o s¸t hiÖn tr−êng vµ thùc nghiÖm chøng tá sù biÕn ®æi Ýt cña hÖ sè biÕn ®æi ®é cao gîn sãng, gi¸ trÞ trung b×nh cña nã h 2σ };10]1/1(){[1/2(/ 222 −+Γ+Γ= µµσ ph h ).1/1(/1 +Γ−= µλ µph cmCvh 5,0≈ (xem h×nh 3.3 b). Khi ®ã ®−êng cong ph©n bè ®é cao gîn sãng, vµ còng nh− ®é dµi ®−îc x¸c ®Þnh b»ng mét tham sè – ®é cao trung b×nh cña gîn sãng. XÊp xØ tuyÕn tÝnh trong lêi gi¶i ph−¬ng tr×nh thuû lùc b»ng 63 64 H×nh 3.4. Quan hÖ chiÒu dµi gîn sãng thùc tÕ Lp vµ chiÒu dµi tÝnh theo c¸c c«ng thøc : a– (3.1); b– (3.3) H×nh 3.5. Phô thuéc ®é cao h cña gîn sãng vµ ®ôn c¸t vµo c¸c nh©n tè x¸c ®Þnh – ®é s©u H, vËn tèc dßng ch¶y U vµ vËn tèc kh«ng xãi lë UH 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: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−−= H HHp U uU bexp gH uU a H h . (3.6) §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×nh 3.6) Lh / H×nh 3.6. Quan hÖ gi÷a ®é cao h vµ chiÒu dµi L cña gîn sãng (a) vµ ®ôn c¸t (b) trªn s«ng Lªna 65 66 Mét tham sè quan träng lµ ®é cong trung b×nh cña m¸i d−íi gîn sãng . §èi víi th−îng nguån s«ng Obi gi¸ trÞ nµy kh«ng v−ît qu¸ 0,4 (gãc nghiªng cña m¸i 20 Hp Lh / 0), cßn gi¸ trÞ mod lµ 0,1 – 0,15 (gãc nghiªng cña m¸i tõ 6 – 90). §©y lµ c¸c gi¸ trÞ trung b×nh cña m¸i nghiªng d−íi víi l¸t c¾t m¸i nghiªng elip, ë phÇn trªn cña l¸t c¾t uèn cong nhá h¬n gi¸ trÞ trung b×nh cßn m¸i d−íi – lín h¬n nhiÒu. C¸c gîn sãng ®−îc h×nh thµnh trong c¸c m¸ng thÝ nghiÖm 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 constC 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. v = 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 víi ®é chÝnh x¸c ®ñ ®Ó chuyÓn tõ mÆt c¾t däc nµy sang mÆt c¾t kh¸c nhê m¸y håi ©m ®o tõng giê, 10 –12 lÇn mét ngµy. Trªn c¸c mÆt c¾t theo thêi gian cña b¨ng håi ©m kh«ng khã kh¨n ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c gîn sãng nµy hoÆc kia theo trËt tù thêi gian. C¸c ®o ®¹c hiÖn tr−êng chi tiÕt t−¬ng tù chøng tá r»ng c¸c gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c tham sè ®o ®¹c h×nh th¸i gîn sãng (chiÒu dµi Lp; ®é cao hp; bÊt ®èi xøng vµ ®é cong ) vµ ph−¬ng sai cña chóng Ýt thay ®æi theo thêi gian víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc kh«ng ®æi. §ång thêi h×nh th¸i häc nh©n sinh cña mét sè gîn sãng cô thÓ thay ®æi m¹nh d−íi ¶nh h−ëng cña n−íc th¶i c«ng céng nh©n tè ngÉu nhiªn (H×nh 3.7). BH L/L pp L/h H×nh 3.7. Sù thay ®æi c¸c hÖ sè t−¬ng quan r chuçi ®é dµi (1), ®é cao (2), ®é cong (3) vµ bÊt ®èi xøng (4) cña cïng mét gîn sãng trªn s«ng Obi khi t¨ng kho¶ng thêi gian t gi÷a c¸c ®iÓm ®o ®é s©u 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 ( τ4 ) 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 ph©n ra hai nhãm (H×nh 3.8a): 1) ®é cao gÇn b»ng nhau – tû sè trung b×nh 01 ; 2) cao ®é gîn sãng kh¸c nhau râ rÖt . Khi ®ã ë trong nhãm ®Çu tiªn gåm c¸c gîn sãng cùc nhá, ®é cao 1 ,h/h xx ≈+ 601 ,h/h xx <+ 20,≤ m, nhãm thø hai – c¸c gîn sãng lín vµ nhá ( ®é cao 20,≥ m). Do c¸c gîn sãng lín vµ nhá th−êng lu©n phiªn nhau, chØ ra sù hiÖn diÖn cña sù ¶nh h−ëng qua l¹i cña c¸c gîn sãng c¹nh nhau. CÆp c¸c gîn sãng lín thËm chÝ cïng xuÊt hiÖn nhanh chãng bÞ ph¸ vì. Khi gîn sãng to n»m trªn gîn sãng nhá th× t¨ng ®é bÒn v÷ng cña gîn sãng bÐ trong bãng cña gîn sãng lín: ®èi víi c¸c gîn sãng nhá vÒ tæng thÓ ph−¬ng sai hiÖu ®é cao mét vµ chØ mét gîn sãng vµo c¸c thêi ®iÓm s¸t nhau (sau 1 giê) lµ 0,00255, ®èi víi c¸c gîn sãng nhá n»m d−íi gîn sãng to =0,00117 (sù kh¸c nhau cña ph−¬ng sai tu©n thñ chØ tiªu F víi ®é tin cËy 95%) (xem h×nh 3.8b) 2σ 2σ H×nh 3.8. §é lÆp l¹i p cña hÖ thøc ®é cao hai gîn sãng (a) vµ sù biÕn ®éng theo thêi gian cña ®é cao (h<0,2) n»m d−íi gîn sãng nhá (1) vµ n»m d−íi gîn sãng to (2) (b) 3.2. Sãng c¸t nhá vµ trung b×nh B. Ph. Snhisenco [91] coi sãng c¸t lµ c¸c d¹ng ®¸y cã chiÒu dµi cì 10 lÇn ®é s©u dßng ch¶y. Trong danh môc cña Uû ban c¸c vÊn ®Ò HiÖp héi kü s− d©n sù Mü ng−êi ta gäi sãng c¸t lµ c¸c d¹ng ®¸y, kÝch th−íc cña chóng n»m gi÷a c¸c gîn sãng vµ b·i c¸t ngÇm [125]. Lý thuyÕt kh«ng æn ®Þnh tuyÕn tÝnh cña c¸c x¸o trén nhá chØ ra r»ng (xem h×nh 2.8) trong kho¶ng biÕn ®éng b−íc sãng gi÷a gîn sãng vµ c¸c sãng c¸t lín lµ mét miÒn réng c¸c d¹ng ®¸y ba chiÒu mµ trong ph¹m vi cña chóng kh«ng cã mét hay vµi cùc 69 70 ®¹i thÓ hiÖn râ. X¸c suÊt gÇn nhÊt chuyÓn bÊt kú trong sè x¸o trén cña chóng vÒ d¹ng ®¸y. Ph©n tÝch phæ c¸c chuçi cao tr×nh ®¸y s«ng kÐo dµi (xem h×nh 1.4) chøng tá r»ng hµm mËt ®é phæ trong miÒn sãng c¸t nhá vµ trung b×nh cã d¹ng "ån tr¾ng", víi c¸c cùc trÞ mËt ®é phæ riªng biÖt. Trªn c¸c profile ®ã t¸ch ra c¸c d¹ng ®¸y trrong kháng biÕn ®éng lín cña chiÒu dµi L1 = 10H…1000H. M¶ng thèng nhÊt cña sãng c¸t võa vµ nhá do kho¶ng biÕn ®éng chiÒu dµi lín cña c¸c d¹ng gép vµo nhãm thÓ hiÖn cÊu t¹o bËc thang: c¸c sãng c¸t nhá h¬n cã thÓ h×nh thµnh trªn bÒ mÆt c¸c sãng c¸t lín h¬n, vÒ phÇn m×nh nã l¹i t¹o nªn c¸c sãng c¸t lín h¬n n÷a v.v.. Sù phøc t¹p cÊu t¹o sãng c¸t theo møc ®é t¨ng kÝch th−íc cña nã t¹o nªn sù kh¸c biÖt vÒ chÊt trong h×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc c¸c sãng c¸t lín h¬n vµ nhá h¬n. Cho nªn nhÊt thiÕt cÇn c¸c d¹ng trung gian ph©n bè trªn c¸c bËc kh¸c nhau cña tæ hîp bËc thang, xem xÐt vµ lµm râ trong khu«n khæ c¸c nh©n cÊu tróc ®éc lËp cña c¸c møc cÊu tróc d¹ng vi m«. Danh môc ®−îc chÊp nhËn c¸c sãng c¸t võa vµ nhá c¸c mùc bËc thang kh¸c nhau hiÖn cßn ch−a ®−îc so¹n th¶o, mÆc dï chóng ®−îc nªu ra bëi nhiÒu nhµ nghiªn cøu khi lµm viÖc trªn c¸c ®èi t−îng tù nhiªn. Hay ph©n lo¹i nhÊt lµ c¸c sãng c¸t theo trËt tù [104] b¾t ®Çu tõ viÖc ®¸nh sè c¸c sãng c¸t nhá nhÊt. N. I. Alecxayevski [2,3] ký hiÖu sãng c¸t c¸c møc bËc thang kh¸c nhau b»ng c¸c ch÷ c¸i theo trËt tù cña tiÕng Nga, khi ®ã ch÷a 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 lµ c¸c ch÷ c¸i tiÕp theo. T¸c gi¶ [81, 88] ®Ò nghÞ cho mçi tæ hîp sãng c¸t tªn gäi: ®ôn c¸t – lµ c¸c sãng c¸t nhá, bÒ mÆt cña nã thèng trÞ bëi c¸c gîn r·nh; d¶i c¸t – lµ c¸c sãng c¸t nhá bÒ mÆt thèng trÞ bëi ®ôn c¸t; b·i c¸t – lµ c¸c sãng c¸t võa trªn bÒ mÆt cña nã cã c¸c d¶i c¸t. CÇn ®Æc biÖt chó ý r»ng tæ hîp sãng c¸t bËc thang víi kho¶ng b−íc sãng réng vµ cÊu t¹o phøc t¹p nhiÒu d¹ng ®¸y t¹o thµnh trªn ®¸y s«ng ngßi víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y dõng. §Æc tr−ng cÊu t¹o cña nã nh− thÕ nh− lµ tÝnh phøc t¹p, bÞ chi phèi kh«ng ph¶i lµ sù hiÖn diÖn c¸c d¹ng tù ®éng (mÆc dï chóng cã thÓ cã mÆt), mµ lµ kh¶ n¨ng tÝch tô sãng c¸t víi kÝch th−íc kh¸c nhau. §èi víi c¸c sãng c¸t võa vµ nhá cÇn chia ra hai giai ®o¹n ph¸t triÓn chÝnh: chñ ®éng vµ thô ®éng. Trong giai ®o¹n chñ ®éng sãng c¸t t¹o thµnh vµ biÕn d¹ng bëi cÊu tróc xo¸y cña dßng ch¶y, h×nh ¶nh ph¶n ¸nh chóng trong c¸c ®Êt ®¸ bÞ bµo mßn. Trªn giai ®o¹n thô ®éng sãng c¸t víi chiÒu dµi x¸c ®Þnh biÕn d¹ng bëi tr−êng vËn tèc mµ trong ®ã kh«ng thÓ t¹o thµnh c¸c cÊu tróc xo¸y vµ ph¶n ¸nh sãng c¸t cña chóng chiÒu dµi nµy. C¸c sãng c¸t thô ®éng th−êng biÕn d¹ng víi sù dÞch chuyÓn theo bÒ mÆt cña chóng c¸c sãng c¸t chñ ®éng hay thô ®éng nhiÒu h¬n. §ôn c¸t biÓu hiÖn râ trong lßng s«ng Niger d−íi cöa s«ng Benue. H×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc cña chóng ®−îc nghiªn cøu trong lò – kiÖt n¨m 1978–1979 [80,84]. Trong thÝ dô nµy ta xÐt c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña h×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc c¸c sãng c¸t nhá nµy. Trong giai ®o¹n ph¸t triÓn chñ ®éng, ®ôn c¸t lµ mét sãng c¸t ba chiÒu gÇn nh− song song trªn b×nh ®å víi tû lÖ gi÷a ®é dµi vµ ®é réng 0,1/ 12 ≈LL . Theo mÆt th¼ng ®öng c¶ chiÒu däc lÉn chiÒu ngang c¸c s−ên cña ®ôn c¸t låi, h×nh d¹ng profile kiÓu elip (xem h×nh 1.3). Tuy nhiªn m¸i s−ên d−íi, thËm chÝ c¶ ®ôn c¸t chñ ®éng ®«i khi còng th¼ng hoÆc lâm. Trong l¸t c¾t ngang c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng th−êng ®èi xøng. Trong l¸t c¾t däc 83% ®ôn c¸t cã bÊt ®èi xøng d−¬ng, trong sè ®ã gÇn mét nöa – lµ lín( 6,1/ > ), mét phÇn t− lµ nhá )2,1/(HB LL <HB LL . Trong sè 71 72 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 bé ®ôn c¸t chñ ®éng trªn s«ng Niger ]1,0/)(1,0[ <−<− LLL HB Ph©n bè c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng theo chiÒu dµi vµ ®é cao ®−îc 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 ( 4,0 =VLC ) vµ ®é cao ( ) cña ®ôn c¸t gÇn víi h»ng sè (xem h×nh 3.3). 5,0 =hVC 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) HFrL 'β= . 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 3,2 vµ 0,3) 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 ®éng lµ 0,04, thÊp h¬n nhiÒu so víi gîn sãng (xem h×nh 3.6) §é uèn m¸i nghiªng d−íi cña c¸c ®ôn c¸t chñ ®éng thÊp h¬n so víi gîn sãng – kho¶ng 78% tr−êng hîp (61,0/ <Hd Lh 0). Kh¶o s¸t tr−êng vËn tèc theo thêi gian lò trªn c¸c ®ôn c¸t chñ ®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 nhá. Khi ®ã tr−êng vËn tèc thùc tÕ trªn c¸c sãng c¸t quan hÖ víi vËn tèc chi phèi bëi ®Þa h×nh ®¸y, bëi mét quan hÖ ng−îc: hÖ sè t−¬ng quan )69,0( −=r . §iÒu nµy chøng tá vÒ sù hiÖn diÖn cña ¸cc xo¸y t¹o sãng c¸t trªn c¸c sãng c¸t chñ ®éng. H×nh 3.9. Quan hÖ chiÒu dµi c¸c ®ôn c¸t trªn c¸c s«ng Amazon (1), Niger (2) vµ Terek (3) víi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y. Trªn ®−êng lò rót, theo møc ®é gi¶m ®é s©u vµ l−u l−îng riªng cña dßng ch¶y diÔn ra sù biÕn d¹ng tr−êng vËn tèc trªn 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 dßng ch¶y thùc tÕ vµ ®Þa h×nh bÞ chi phèi lµ 0,8. Sù ph¸t triÓn ®ôn c¸t b−íc vµo giai ®o¹n thô ®éng, khi ®ã h×nh th¸i häc vµ ®éng lùc häc chi phèi kh«ng ph¶i bëi cÊu tróc dßng ch¶y ph¶n chiÕu bëi ®ôn c¸t mµ lµ tr−êng vËn tèc g©y nªn sù tån t¹i cña c¸c sãng c¸t ®¸y. Trong lßng s«ng Niger theo tÝnh chÊt biÕn d¹ng c¸c ®ôn c¸t thô ®éng chia ra hai miÒn: 1) miÒn biÕn d¹ng chËm vµ 2) miÒn biÕn d¹ng nhanh. Trªn miÒn biÕn d¹ng chËm khi l−u l−îng n−íc, ®é s©u vµ vËn tèc dßng ch¶y gi¶m ®¸ng kÓ, h×nh th¸i häc cña ®ôn c¸t – chiÒu cao vµ chiÒu dµi cña tõng sãng c¸t riªng biÖt còng nh− c¸c ®Æc tr−ng trung b×nh vµ c¸c ®−êng cong ph©n bè cña chóng thay ®æi chËm h¬n rÊt nhiÒu so víi giai ®o¹n ®ôn c¸t chñ ®éng. MiÒn nµy chiÕm toµn bé c¸c ®¸y bïn s©u víi ®é s©u H > 7m. VÝ dô ®iÓn h×nh lµ l¸t c¾t trªn h×nh 3.10, n¬i mµ víi sù gi¶m ®é 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 riªng rÏ trong c¸c ®iÒu kiÖn tÝnh ®éng lùc cao cña chóng. C¸c ®−êng cong ®¶m b¶o ®é cao, chiÒu dµi, ®é cong vµ bÊt ®èi xøng ®ôn c¸t trong miÒn nµy khi thay ®æi c¸c ®Æc tr−ng thuû lùc dßng ch¶y hÇu nh− kh«ng ®æi. MiÒn biÕn d¹ng nhanh ph©n bè trªn c¸c b·i v¾t, gê vµ cï lao víi ®é s©u H < 5...6 m. Khi gi¶m l−u l−îng n−íc vµ ®é s©u 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 dßng ch¶y trªn c¸c khu vùc kh¸c nhau cña ®ôn c¸t dÉn tíi sù t¨ng vËn tèc dÞch chuyÓn sèng c¸t vµ ch©n sãng c¸t. Nã nhanh chãng h×nh thµnh d¹ng h×nh chãp bÊt ®èi xøng truyÒn thèng víi gê cong låi phÝa m¸i trªn vµ vâng vÒ phÝa m¸i d−íi kho¶ng 30 – 350, gÇn víi gãc m¸i s−ên tù nhiªn ®èi víi c¸t trong n−íc. T¹i tròng cña ®ôn c¸t t¹o nªn c¸c xo¸y liªn kÕt víi dßng ch¶y s¸t ®¸y theo chiÒu ng−îc l¹i, duy tr× ®é cong cña m¸i s−ên d−íi. Sù h×nh thµnh c¸c xo¸y liªn kÕt lµm t¨ng sù ph©n ho¸ vËn tèc däc ®ôn c¸t. Bá qua phÇn m¸i s−ên trªn, n¬i cã vËn tèc dßng ch¶y lín h¬n, vµ m¸i s−ên d−íi, n¬i c¸c qu¸ tr×nh träng lùc ®ãng vai 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 xo¸y liªn kÕt cña sãng c¸t trªn. §ôn c¸t dµi ra, ®ång thêi lµm gi¶m ®é cao cña chóng. VËn tèc vµ tÝnh chÊt biÕn d¹ng cña c¸c ®ôn c¸t thô ®éng phÇn nhiÒu bÞ chi phèi bëi ®é cao vµ ®é cong ban ®Çu cña chóng. C¸c ®ôn c¸t cao vµ cong h¬n sím t¹o nªn d¹ng bÊt ®èi xøng h¬n. C¸c ®ôn c¸t thÊp vµ ph¼ng h¬n th−êng lµ ®èi xøng. Khi v¾ng c¸c qu¸ tr×nh duy tr× h×nh d¹ng c¸c ®ôn c¸t nh− vËy nã ®−îc lµ tr¬n vµ nhËp víi c¸c ®ôn c¸t cong. DiÔn ra sù nh©n ®«i ®ét ngét chiÒu dµi ®ôn c¸t, ®· ®−îc N. S. Znamenski xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt [28]. §ång thêi víi sù mÊt tÝnh ®èi xøng vµ lµ t¹o nªn d¹ng ba chiÒu râ nÐt. C¸c ®ôn c¸t l©n cËn hoµ hîp víi nhau, sèng cña chóng liªn kÕt l¹i lµm mét thµnh sãng yÕu, ®−êng, nghiªng vÒ mét phÝa. §ôn c¸t trë nªn hai chiÒu. Theo møc h¹ thÊp mùc 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 chiÒu vµo ®Çu kú biÕn d¹ng nhanh ®Õn 10 vµ cßn h¬n n÷a vÒ cuèi kú (H×nh 3.11). C¸c r·nh kh«ng s©u t¹o nªn trªn lßng s«ng Niger c¸c miÒn biÕn d¹ng ®ôn c¸t kh«ng ®Òu. T¹i ®©y vµo ®Çu kú lò xuèng sù biÕn d¹ng diÔn ra chËm, vµ vµo cuèi kú – t¨ng nhanh. §èi víi miÒn nµy ®Æc tr−ng qu¸ tr×nh t¨ng ®é cao ®ôn c¸t vµo ®Çu kú biÕn d¹ng nhanh cña chóng. C¸c ®ôn c¸t thô ®éng cao dÞch 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 t¨ng lªn. H×nh 3.10. BiÕn d¹ng ®ôn c¸t chËm trong r∙nh s©u lßng s«ng Niger t¹i tr¹m Geregu trong thêi kú tõ ®Ønh lò (07.10.78) (a) ®Õn kú kiÖt (11.04.79) (b) H×nh 3.11. BiÕn d¹ng nhanh ®ôn c¸t