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 29.000.000km 2 , 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 1.700km 3 , 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 10 3 km 2 Tổng dòng chảy năm km 3 Lưu lượng trung bình m 3 /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 = B 1/2 H -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 44 đến việc sông chỉ đổ ra biển theo một lòng sông rộng, hình thành họng sông hoặc là cửa sông hình phễu. Các chất hữu cơ tồn tại trong nước dưới dạng tan, keo hoặc lơ lửng. Dưới tác động của các yếu tố vật lý, hoá và sinh học, chúng sẽ chuyển từ dạng nọ sang dạng kia. Trong nước sông tự nhiên, chất hữu cơ thường chiếm 55% tổng chất rắn, 75% tổng chất rắn lơ lửng và 45% tổng chất rắn hoà tan. Trong nước sông pH dao động từ 6,5 - 8,5. Hầu hết các chất khí đều có thể hoà tan hoặc phản ứng với nước, trừ mê tan. Nồng độ ôxy hoà tan trung bình không quá 12mg/l và biến động theo nhịp điệu ngày đêm, mùa. CO 2 dao động trong khoảng lớn, phụ thuộc vào pH: pH thấp CO 2 ở dạng khí, pH từ 8 - 9 CO 2 ở dạng HCO 3 - , pH>10 CO 2 chủ yếu tồn tại ở dạng CO 3 2- Chế độ nhiệt của nước sông tương đối đồng nhất. Yếu tố chính ảnh hưởng tới chế độ nhiệt của nước sông là: 1- Nguồn cấp nhiệt từ dòng chảy đến và trao đổi nhiệt với khí quyển, đất đá; 2- Mức độ xáo trộn khối nước. Phân bố nhiệt độ theo mặt cắt hoạt động hầu như bị san bằng, với chênh lệch nhiệt độ từ vài phần trăm đến vài độ, thể hiện ở chỗ trong thời gian bị đốt nóng mùa hè nhiệt độ nước mặt hơi cao hơn nhiệt độ nước đáy và nhiệt độ nước ven bờ hơi cao hơn nhiệt độ nước giữa dòng. Diễn biến nhiệt độ ngày đêm thể hiện rõ trong mùa nóng, với biên độ phụ thuộc ba loại yếu tố sau: Tỷ lệ nghịch với lượng nước sông. Tăng khi đi từ cực xuống xích đạo. Tăng khi trời trong và giảm khi trời âm u. Diễn biến nhiệt độ năm phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và vĩ độ địa phương. Phân bố nhiệt độ theo chiều dài sông phụ thuộc độ dài sông, hướng chảy, đặc điểm khí hậu khu vực, đặc điểm nguồn cung cấp nước là nước mưa hay nước hồ. Những sông lớn chảy theo hướng kinh tuyến có chế độ nhiệt phân hoá theo chiều dài sông rõ rệt nhất và đi kèm với nó là một số hiện tượng tự nhiên đặc thù có tính tai biến cao. Hệ sinh thái sông ngòi thuộc hệ nước chảy với đặc trưng quan trọng là sự phát triển đa dạng của động vật bơi và nghèo nàn hệ thực vật cũng như động vật đáy. Các loài sinh vật chủ yếu là vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, rong tảo, động thực vật phù du, lục bình, động vật đa bào, có xương sống và nhuyễn thể. Thành phần và mật độ các loài phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ động lực, thuỷ văn, địa hình, địa mạo và thành phần hoá học của nước. Vùng nước lợ cửa sông là nơi có hệ sinh thái đa dạng và năng suất cao, có giá trị khai thác về mặt kinh tế và đời sống. Một số loài cá có nhu cầu về chế độ động lực khác nhau trong mỗi giai đoạn sinh trưởng có nhu cầu di chuyển xuôi ngược dòng theo thời gian, nên cần sự thông thương dòng chảy trên toàn tuyến sông, mâu thuẫn với nhu cầu của một số ngành dùng nước khác. 2.3 Năng lượng dòng nước Năng lượng của dòng nước trong các sông đổ ra biển được tính bằng công thức sau: N = g . H.Q (2.1) 45 trong đó: g - gia tốc trọng trường, Q- lưu lượng; H- cao độ tuyệt đối nguồn sông; h - độ sâu trung bình mặt cắt ngang; B - chiều rộng mặt cắt ngang; i- độ dốc; R- bán kính thuỷ lực; C- hệ số Sêzi Năng lượng dòng nước của một đoạn sông bất kỳ được tính bằng công thức N = g . Q . ÄH (2.2) trong đó: ÄH- chênh lệch cao độ đầu và cuối đoạn sông Năng lượng dòng nước là sản phẩm của quá trình tuần hoàn nước dưới tác dụng của bức xạ Mặt Trời. Năng lượng dòng nước lớn khi lưu lượng lớn (đặc biệt là khi vận tốc dòng chảy và độ sâu nước chảy lớn), độ dốc dòng chảy lớn, độ cao cột nước dịch chuyển lớn. Năng lượng dòng nước lớn nhất tập trung ở vùng thượng lưu sông, nơi nước chảy xiết, sông nhiều ghềnh thác. Năng lượng nước tiêu hao vào ba quá trình cơ bản sau: Thắng sức cản chuyển động do ma sát ngoài và ma sát trong của dòng nước. Chuyển tải phù sa. Tương tác bờ đáy gây xói lở. Độ sâu, độ rộng của mặt cắt ngang và vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo thời gian dưới tác động của nhiều nhân tố, dẫn tới động năng của dòng nước không bất biến mà luôn thay đổi. Dòng nước phải điều chỉnh cân bằng giữa động năng và tiêu hao động năng theo ba phương thức khác nhau: Khi động năng của dòng nước tăng thì tương tác dòng nước lòng sông tăng, trên các sông miền núi khó xói, quá trình này mài mòn vật chất có sẵn trong lòng sông, làm chúng tròn nhẵn hơn, còn trên các sông đồng bằng quá trình này gây xói lở bờ và tạo thêm phù sa. Khi động năng của dòng nước giảm, nếu lượng phù sa trong nước lớn hơn sức tải cát thì sẽ xảy ra quá trình lắng đọng phù sa tới lúc đạt được cân bằng. 2.4 Quy luật chuyển động của nước 2.4.1 Quá trình sinh dòng chảy từ mưa trên lưu vực Mưa rơi trên lưu vực tổn thất vào ba quá trình cơ bản là thấm, làm ướt thực vật và điền trũng. Các quá trình tổn thất diễn ra không phải là lần lượt có quy luật mà tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể từng lưu vực. Lượng tổn thất trên mỗi lưu vực cũng không phải là đại lượng ổn định mà biến đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể, đặc biệt là quá trình cấp và tiêu ẩm kỳ trước. Khi cường độ mưa vượt quá cường độ tổn thất thì sẽ sinh lớp nước chảy tràn trên bề mặt sườn dốc, tập trung vào lưới sông rồi theo lòng sông chảy về cửa sông. Thông thường sườn dốc có độ dốc rất lớn nên tốc độ dòng chảy tràn trên sườn dốc khi không có vật cản sẽ rất lớn và tăng theo sự tăng độ sâu dòng chảy, độ dốc, độ dài sườn dốc, tạo ra động năng lớn công phá gây xói mòn và chuyển tải lượng vật chất xói mòn đi xa. Mức độ tập trung nước càng cao nguy cơ sinh lũ ác liệt càng lớn. Do vậy, những vùng có mưa trận lớn, địa hình cắt xẻ mạnh, độ dốc lớn có nguy cơ sinh lũ quét rất cao. Các địa hình trũng thường chỉ chứa nước tạm thời, chúng bao gồm các vùng địa hình âm, các vùng đất bãi ven thuỷ vực, vùng lầy, đất ngập nước… Lưu vực có dung tích điền trũng càng cao sẽ càng làm giảm nguy cơ sinh lũ ác liệt và phân hoá dòng chảy cực đoan. Đó là do khi mưa lớn, một phần lượng nước có khả năng sinh lũ sẽ bị điền trũng, phần nước này sau đó 46 sẽ cấp từ từ trở lại cho hệ thống sông, hoặc ngấm, bốc hơi… cải thiện điều kiện khí hậu khu vực. Sơ đồ quá trình hình thành dòng chảy do mưa trên lưu vực như sau: HÌNH 2.1. SƠ Đồ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH DÒNG CHảY DO MƯA TRÊN LƯU VựC 2.4.2 Quy luật chảy tập trung trên lưu vực Để tìm hiểu quy luật chảy tập trung trên lưu vực chúng ta sẽ lần lượt xem xét hai phương pháp diễn toán dòng chảy tại tuyến nghiên cứu theo lượng mưa và các đặc trưng hình thái thuỷ lực lưu vực. Công thức căn nguyên dòng chảy là biểu thức toán học biểu diễn lưu lượng nước tại tuyến cửa ra (cửa sông, mặt cắt ngang nghiên cứu) bằng tổng toàn bộ các lưu lượng bộ phận, hình thành trên những phần khác nhau của lưu vực, trong những thời đoạn tính toán khác nhau, nhưng cùng chảy tập trung về tới cửa ra vào một thời đoạn tính toán. Khi cường độ mưa vượt quá cường độ tổng tổn thất, tức mưa hiệu quả lớn hơn không, sẽ xuất hiện dòng trên mặt đất chảy tràn theo hướng sườn dốc về lưới sông và cửa sông. Xét theo diện tích lưu vực thì đơn vị nước hình thành trên phần lưu vực nằm càng xa cửa sông sẽ về tới cửa sông càng chậm hơn, còn xét theo thời gian thì đơn vị nước hình thành càng muộn sẽ tập trung về tới cửa sông càng chậm hơn. Để giản đơn hoá quá trình xây dựng công thức người ta sử dụng 3 giả thiết sau: Giả thiết rằng các lưu lượng nước thành phần chảy truyền về tới cửa sông với vận tốc ổn định theo thời gian, không phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy. Nhờ đó, có thể dùng tài liệu đo đạc trong các quá trình hình thành dòng chảy trước đó để tính được vận tốc và thời gian chảy truyền về tới tuyến khống chế, vẽ được đường chảy đẳng thời, là đường nối các điểm có cùng thời gian chảy truyền về đến tuyến nghiên cứu và coi các đường chảy đẳng thời này là cố định theo thời gian. 47 Giả thiết rằng mưa hiệu quả phân phối đều trên diện tích lưu vực trong thời đoạn tính toán. Giả thiết sẽ gần thực tế hơn khi diện tích lưu vực nhỏ và thời đoạn tính toán ngắn. Giả thiết rằng các lưu lượng bộ phận, hình thành trên các phần khác nhau của lưu vực, chảy truyền không biến hình về tới tuyến khống chế. Việc sử dụng các giả thiết trên làm cho quá trình hình thành dòng chảy bị giản hoá đi đáng kể, nghĩa là có sai số nhất định, tuy nhiên nó cũng làm cho việc diễn giải quá trình dòng chảy được đơn giản, dễ hiểu và dễ tính toán hơn. Công thức căn nguyên dòng chảy tổng quát có dạng: Q i = ∑ (h = = ik k 1 k . f i - k + 1 ) (2.2) T lũ = T mưa + max τ - 1 trong đó: f- diện tích lưu vực có cùng thời gian chảy truyền; h - cường độ mưa hiệu quả; t - thời gian mưa; - thời gian chảy truyền cực đại; T max τ lũ - thời gian lũ; T mưa - thời gian mưa. Triển khai công thức căn nguyên dòng chảy cho thấy: Khi thời gian mưa nhỏ hơn thời gian chảy truyền cực đại thì phân phối diện tích theo thời gian chảy truyền có vai trò quyết định tới phân phối dòng chảy và hình thành dòng chảy cực đại, còn khi thời gian mưa lớn hơn thời gian chảy truyền cực đại thì phân phối mưa theo thời gian có vai trò quyết định tới phân phối dòng chảy và hình thành dòng chảy cực đại. Nói một cách khác, phần lưu vực có diện tích lớn nhất, hoặc phần thời gian mưa có tổng lượng mưa hiệu quả lớn nhất sẽ có khả năng đóng vai trò quyết định trong sự hình thành dòng chảy cực đại trên sông. Kết hợp với đặc trưng hình thái và khí hậu lưu vực có thể thấy thượng và trung lưu thường có vai trò quan trọng nhất trong sinh thuỷ hình thành đỉnh lũ nói riêng và phân phối lũ nói chung. Do vậy, các giải pháp điều tiết dòng chảy nhằm hạn chế lũ thực hiện ở vùng thượng và trung du sẽ đạt hiệu quả lớn hơn và rộng hơn. Lũ đơn vị: Là đường quá trình dòng chảy sinh ra bởi lượng mưa một đơn vị, rơi trong một đơn vị thời gian tính toán. Đơn vị lượng mưa thường chọn là 10 hoặc 25mm. Đơn vị thời gian tính toán được chọn tuỳ theo diện tích lưu vực: 12 giờ khi F > 2.500km 2 , 4 - 6 - 8 - 12 giờ khi F = 250 - 2.500km 2 , 2- 4 giờ khi F = 50 - 250km 2 và 1 - 2 giờ khi F < 50km 2 . Đường lũ đơn vị tính toán là dạng trung bình của các đường quá trình lũ đơn vị thực đo, tách ra được từ số liệu đo đạc thực trong quá khứ. Trong phương pháp tính toán dòng chảy theo đường lũ đơn vị, người ta không quan tâm tới diễn biến của quá trình chảy truyền, xem đó như một quá trình trong hộp đen. Giả định của mô hình là: Nếu có một trận mưa đơn vị rơi trên lưu vực xem xét, sẽ sinh ra trận lũ hoàn toàn giống như lũ đơn vị; Nếu trong một đơn vị thời gian tính toán, lượng mưa rơi lớn hơn (hoặc nhỏ hơn) một đơn vị mưa m lần, thì đường quá trình dòng chảy tại tuyến cửa ra sẽ có đáy không đổi (tức thời gian lũ không đổi), còn tung độ thì tăng lên (hoặc giảm đi) m lần tương ứng. Nếu mưa rơi trong một số đơn vị thời gian liên tiếp nhau, thì mỗi thời đoạn mưa đơn vị sinh ra được tại tuyến khống chế một con lũ đơn độc lập nhau về độ lớn, nhưng có phần trùng nhau về thời gian xuất hiện, do đó tung độ đường quá trình lũ thực tại tuyến khống chế được tính bằng cách cộng dồn tung độ của các đường quá trình do mưa một thời đoạn (có tính tới thời điểm bắt đầu khác nhau của các con lũ đơn đó). 48 Trong thực tế một trận mưa bất kỳ có thể được chia thành một số thời đoạn mưa liên tiếp. Sử dụng 3 giả thiết trên và đường lũ đơn vị có sẵn, chúng ta có thể tính toán được đường quá trình lũ gây nên bởi trận mưa đó. Đường đơn vị có dạng gần giống đường phân phối diện tích giữa các đường chảy đẳng thời (tức đường quá trình dòng chảy do một đơn vị mưa hiệu quả rơi đều trên lưu vực trong một đơn vị thời gian tính toán, tính được theo công thức căn nguyên dòng chảy), nhưng bản chất chúng khác nhau: do được xây dựng theo lưu lượng thực đo, nên đường đơn vị có tính tới sự biến hình sóng lũ trên đường đi, do vậy nó phản ánh chính xác hơn quá trình chảy tập trung trên lưu vực. Nói một cách khác đường đơn vị là giá trị trung bình của đường quá trình lũ thực đo, còn công thức căn nguyên dòng chảy chỉ cung cấp đường quá trình tính toán, không xét tới biến hình sóng lũ. Tuy nhiên, trên thực tế việc tách được những con lũ do mưa một đơn vị rơi đồng đều trên toàn bộ bề mặt lưu vực gây ra là rất khó khăn và những trận lũ như vậy cũng không hoàn toàn giống nhau, cần đến một số thao tác toán nhất định làm tăng tính đại biểu, nhưng giảm tính ngẫu nhiên của hiện tượng. Mặt khác, đồng nhất quá trình hình thành dòng chảy do mưa đơn vị độc lập với quá trình hình thành dòng chảy do một bộ phận mưa nào đó trong một trận mưa lớn gây ra là không thực tiễn, sẽ dẫn tới sai số nhất định. 2.4.3 Quy luật chuyển động của nước trong sông Loại dòng chảy Nhìn chung chuyển động của nước trong sông thiên nhiên thuộc loại chảy rối, với các đặc trưng chuyển động biến đổi theo thời gian và không gian, nhưng giá trị tức thời của chúng vẫn thoả mãn phương trình thuỷ động lực học. Vào mùa kiệt, dòng chảy trong sông rất gần với dạng chuyển động ổn định, với các đặc trưng thuỷ lực của dòng (độ sâu, độ dốc, diện tích mặt cắt ngang, vận tốc) tại mỗi tuyến không thay đổi theo thời gian. Vào mùa lũ chuyển động của nước trong sông mang tính không ổn định, với các đặc trưng thuỷ lực của mỗi tuyến biến đổi theo thời gian. Sóng lũ trong sông thiên nhiên thuộc dạng sóng hoãn biến, chuyển dịch không ổn định, biến đổi từ từ. Trong quá trình di chuyển theo chiều dài sông, do trán lũ có độ dốc lớn, chuyển động với vận tốc lớn hơn, nên chuyển dịch về xuôi nhanh hơn lưng lũ, làm con sóng dài ra, đồng thời do lượng nước chuyển dịch không đổi nên độ cao đỉnh sóng giảm dần, sóng lũ biến hình dài ra và bẹt đi. Điều này được minh hoạ rất rõ khi xem xét hình dạng của sóng xả nhân tạo trên sông. Trong đoạn sông cong, dòng chảy trên mặt có xu thế tiến thẳng vào vùng bờ lõm dưới tác động của lực li tâm, dòng phản hồi đi xuống vùng đáy và di chuyển về phía bờ lồi, hình thành một dòng chảy vòng khoét sâu, xói mòn bờ lõm và chuyển vận sản phẩm xói mòn sang phía bờ lồi lắng đọng tạo bãi bồi. Trên đoạn sông thẳng cũng tồn tại các dòng chảy vòng. Một trong những lực tác động có thể sinh dòng chảy vòng trên sông là lực Côriôlit, tác động hướng vào phía phải của chuyển động ở Bắc bán cầu và vào phía trái của chuyển động tại Nam bán cầu. Theo Lêliapxki, trong đoạn sông thẳng có tồn tại hai loại dòng chảy vòng là dòng chảy phân tán ở đáy và dòng chảy tập trung ở đáy sông. Trong dòng chảy vòng phân tán ở đáy sông, dòng trên mặt hướng về phía đường sâu nhất và dòng đáy từ vùng nước sâu nhất hướng về hai bờ, hình thành hai dòng chảy vòng, kết hợp với dòng chảy thẳng, chúng hình thành những dạng chảy xoáy như cái mở nút chai nhưng theo chiều ngược nhau, tạo ra sự xói sâu phần giữa lòng sông và bồi hai vùng đáy gần bờ. Dòng chảy vòng phân tán ở đáy sông thẳng có thể gặp trong các sông thiên nhiên khi nước lũ lên, với thực tế là các vật nổi cuốn theo [...]... xói 2. 5.3 Chỉ tiêu ổn định lòng sông Chỉ tiêu ổn định lòng sông theo chiều dọc của Makavêep ϕh = d/(hI) (2. 6) trong đó: d- đường kính hạt lơ lửng (mm); h- độ sâu (m); I - độ dốc mặt nước (mm/m) Khi hệ số ổn định lớn, độ ổn định lớn Khi hệ số ổn định nhỏ (< 0 ,2) , độ ổn định lòng sông sẽ kém Hệ số ổn định lòng sông theo chiều rộng của Antunin: ϕB = B.I1/5 Q-1 /2 (2. 7) trong đó: I - độ dốc mặt nước; B -. .. chất phụ thuộc: 1- Đặc tính bản thân hạt (độ thô thuỷ lực); 2- Đặc điểm thuỷ lực khối nước Độ thô thuỷ lực của hạt là tốc độ rơi đều của nó trong nước tĩnh, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, trọng lượng riêng của hạt, mật độ hạt cũng như độ nhớt và mật độ nước Độ thô thuỷ lực (w) được tính bằng công thức: w = [d.(ρ - 1) -1 ]1/n (2. 9) trong đó: d- đường kính hạt; - mật độ hạt; n, β - tham số thực... thực nghiệm: Khi d 0 ,2 cm n =2 β = 0,006 Khi thành phần thẳng đứng của vận tốc nước lớn hơn hoặc bằng độ thô thuỷ lực của hạt thì nó sẽ ở trạng thái lơ lửng Phù sa lơ lửng lại phân thành hai loại là: 1- Chất tạo lòng, chiếm đa số; 2- Chất không tạo lòng, kích thước nhỏ ( . tuỳ theo diện tích lưu vực: 12 giờ khi F > 2. 500km 2 , 4 - 6 - 8 - 12 giờ khi F = 25 0 - 2. 500km 2 , 2- 4 giờ khi F = 50 - 25 0km 2 và 1 - 2 giờ khi F < 50km 2 . Đường lũ đơn vị tính toán. 936 2. 580 3 .27 5 3.000 810 2. 490 6.930 1.350 1 .20 0 693 630 624 599 599 551 536 22 0.000 43.000 38.000 22 .000 20 .000 19.800 19.000 19.000 17.500 17.000 Bảng 2. 1 mùa. CO 2 dao động trong khoảng lớn, phụ thuộc vào pH: pH thấp CO 2 ở dạng khí, pH từ 8 - 9 CO 2 ở dạng HCO 3 - , pH>10 CO 2 chủ yếu tồn tại ở dạng CO 3 2- Chế độ nhiệt của nước sông