Đạo hàm B t có thể khác không, do biến hình bờ cũng nh sự lên xuống của mực nớc. Trong điều kiện có biến hình bờ, phơng trình biến hình một chiều nên bổ sung thêm số hạng biểu thị sự xâm nhập của bùn cát từ 2 bờ vào dòng chảy, và phơng trình (6-6) biến thành: s sb Q Z' q (1 ) B 0 l t t (6-7) trong đó, q sb 0 là thể tích bùn cát từ 2 bờ đi vào dòng chảy trong một đơn vị thời gian trên 1 đơn vị chiều dài lòng dẫn. Trong một kích thớc xác định của hạt bùn cát, lu lợng bùn cát đáy hầu nh hoàn toàn quyết định bởi trị số vận tốc dòng chảy ở mặt cắt đã cho. Đặt d = const, do g s ~ v n , trong đó n = 4 6, từ (6-1) ta có thể viết: n o z v ~ t x (6-8) Từ đây ta thấy rằng, điều kiện để đáy sông bị xói o z 0 t là v 0 x , tức lu tốc tăng dần theo dòng chảy; điều kiện để đáy sông đợc bồi o z 0 t là v t < 0, tức là sự giảm dần theo đọc đờng của lu tốc dòng chảy. Trong chuyển động đều, theo (6-8) bùn cát chỉ chuyển động có tính chất tranzit, không gây ra biến hình lòng dẫn. Nhng chúng ta không thể sử dụng đợc kết luận này, vì trong tự nhiên tồn tại rất nhiều yếu tố ngẫu nhiên, chuyển động đều trong lòng dẫn biến động chỉ giữ đợc trong một đoạn rất ngắn, trong một thời gian hạn chế. ứng dụng phơng trình biến hình để tính toán luôn luôn phải sử dụng một lòng sông tự nhiên lý tởng nào đó. Ví dụ, tính toán chuyển động của sóng cát theo phơng trình biến hình, chúng ta buộc phải coi chuyển động đó là phẳng, bỏ qua sự biến đổi của sóng cát theo phơng ngang. Khi tính toán biến hình đáy trên một đoạn dài hơn chiều dài sóng cát, chúng ta phải ''quên'' đi sự tồn tại của sóng cát và tính toán theo một bề mặt đáy trơn tru giả tởng. Đ 6.5. Các phơng pháp phân tích, dự báo diễn biến lòng sông 6.5.1. Khái quát Diễn biến lòng sông vùng đồng bằng trầm tích là vô cùng phức tạp. Theo đặc trng thời gian có biến hình dài kỳ và biến hình ngắn hạn; theo đặc trng không gian có biến hình trên phạm vi rộng và biến hình cục bộ; theo đặc trng hớng phát triển có biến hình đơn hớng và biến hình phục quy; theo yếu tố ảnh hởng có biến hình tự nhiên và biến hình nhân tạo. Yếu tố ảnh hởng đến diễn biến lòng sông có thể khái quát là lợng nớc từ thợng lu đến và quá trình biến đổi của nó; lợng bùn cát từ thợng lu đến thành phần và quá trình biến đổi của chúng; cao trình mặt chuẩn xâm thực ở cửa ra; điều kiện biên lòng dẫn v.v Vì vậy đòi hỏi tính toán định lợng một cách chính xác về diễn biến lòng sông ở thời điểm hiện nay còn gặp rất nhiều khó khăn, nhng có thể dựa vào một số phơng pháp để tiến hành phân tích định tính hoặc ớc tính định lợng một cách sơ lợc. Thông thờng, phân tích, dự báo diễn biến lòng sông đợc tiến hành theo 3 phơng pháp sau: - Phơng pháp phân tích các tài liệu thực đo: Dựa theo các số liệu đo đạc địa hình, địa chất, thủy văn nhiều năm, phân tích vị trí, quy mô, tốc độ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu. - Phơng pháp mô hình vật lý: Thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong một khu vực có các trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo các định luật tơng tự, để quan sát, đo đạc, và từ các số liệu đo đạc tìm ra quy luật diễn biến của đoạn sông. - Phơng pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phơng trình thích hợp cho dòng chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải giải tích hoặc lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu. - Phơng pháp phân tích ảnh viễn thám: Dựa vào ảnh viễn thám thu thập các thời kỳ khác nhau, có thể đánh giá về sự diễn biến xói lở của bờ, sự tồn tại hay mất đi của các cồn trên sông, sự di chuyển của lòng sông. Lợi thế lớn nhất của phơng pháp thực đo là không bị hạn chế bởi điều kiện biến đổi dần của dòng chảy, và có thể nghiên cứu nó theo không gian 3 chiều. Nhng nó chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biến trong điều kiện đã có tiền lệ trong quá khứ, không thể hoàn toàn dựa vào nó để dự báo tác động của các công trình trong tơng lai. Hơn nữa, trong điều kiện số liệu thực đo hoặc quá ít, hoặc không đồng bộ thì sử dụng phơng pháp này sẽ không đủ tin cậy. Phơng pháp mô hình vật lý cũng có những lợi thế của phơng pháp hình thái, hơn nữa nó có thể đặt công trình trong tơng lai vào mô hình để nghiên cứu ảnh hởng của nó sẽ gây ra. Nhng hạn chế của phơng pháp này là rất khó thỏa mãn các điều kiện tơng tự, nhất là các điều kiện tơng tự về bùn cát, nên có thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình. Phơng pháp mô hình toán với sự giúp đỡ của máy tính điện tử có nhiều u điểm cả về khoa học lẫn kinh tế, cho phép ta mô tả những gì đã xảy ra trong quá khứ và những gì sẽ xảy ra trong tơng lai với những điều kiện thay đổi tùy ý. Nhng hiện nay, phơng pháp này chỉ có độ tin cậy chấp nhận đợc khi hạn chế trong bài toán 1D và phần nào là 2D, trong điều kiện phải có số liệu đầu vào chất lợng cao. Các hệ phơng trình vật lý mô tả hiện tợng phần lớn đều đợc lập trong điều kiện biến đổi dần của dòng chảy, các hệ số sức cản đều đợc xác định trong điều kiện dòng chảy ổn định, đều, không phù hợp với sông thiên nhiên. Theo mức độ phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, phơng pháp mô hình toán sẽ đợc hoàn thiện dần và trở thành một phơng pháp quan trọng để nghiên cứu diễn biến lòng sông. Trớc mắt không nên chỉ dựa hoàn toàn vào một phơng pháp nào, mà nên tùy điều kiện cụ thể, kết hợp nhiều phơng pháp khác nhau để nghiên cứu diễn biến lòng sông. Mục đích của việc nghiên cứu dự báo diễn biến lòng sông là xác định xu thế diễn biến của lòng dẫn trong điều kiện hiện trạng và tơng lai. Là cơ sở cho công tác thiết kế qui hoạch lập dự án các công trình vợt sông, chỉnh trị sông và các công trình tác động đến lòng sông, nhằm giảm thiểu những những yếu tố bất lợi đến khai thác tổng hợp dòng sông của các ngành kinh tế hữu quan. 6.5.2. Dự báo diễn biến lòng sông bằng phơng pháp phân tích số liệu thực đo Phân tích số liệu thực đo trong đoạn sông nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: a. Phân tích số liệu thực đo về thủy văn, bùn cát So sánh tơng quan dòng chảy bùn cát trong các năm thủy văn. Điều kiện dòng nớc và dòng bùn cát từ thợng lu đến là những yếu tố chủ yếu ảnh hởng đến diễn biến lòng sông. Trị số, quá trình và tình hình tổ hợp của dòng nớc, bùn cát có quan hệ trực tiếp đến kết quả của diễn biến lòng sông. Vì vậy, xác định năm điển hình của thủy văn, bùn cát luôn luôn là cách làm quan trọng để đi tìm nguyên nhân diễn biến lòng sông. Phơng pháp phân tích nh sau: Căn cứ vào các số liệu về lu lợng trung bình nhiều năm, lợng tải cát trung bình nhiều năm, xác định năm cần phân tích thuộc loại năm điển hình nào. 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 910 12 11 1 2 3 4 5 6 7 8 13 W W s s W W Hình 6-12: Tọa độ năm điển hình nớc, bùn cát Nếu là năm nớc nhiều, bùn cát ít thì có lợi cho xói lở lòng dẫn; nếu là năm bùn cát nhiều, nớc ít thì có lợi cho bồi tích; nếu là năm nớc và bùn cát đều ở mức trung bình thì lòng dẫn có thể ở trạng thái xói bồi cân bằng. Tiến thêm một bớc, phân chia các năm nớc nhiều bùn cát nhiều; nớc nhiều bùn cát trung bình; nớc trung bình bùn cát nhiều; nớc trung bình bùn cát ít v.v Loại năm điển hình khác nhau thì phơng hớng diễn biến, biên độ diễn biến sẽ cũng khác nhau rõ rệt. Hình 6-11 là một ví dụ về phân tích số liệu thủy văn, bùn cát trên một đoạn sông X. Từ hình đó có thể thấy, năm 1954 là năm nớc nhiều, bùn cát ít điển hình; năm 1972 là năm nớc ít, bùn cát ít điển hình; năm 1961 là năm nớc trung bình bùn cát trung bình điển hình; năm 1964 là năm nớc nhiều bùn cát nhiều điển hình; năm 1966 là năm nớc ít bùn cát nhiều điển hình. 3 2 1 0 30 20 10 0 1954 197456 58 60 62 64 66 68 70 72 Qúa trình lu lợng trung bình năm Lu lợng TB nhiều năm Lợng tải cát TB năm Lợng tải cát TB nhiều năm Lu lợng trung bình năm(10 m /s) Lợng tải cát trung bình năm(t /s) 3 Hình 6-11: Đờng quá trình lu lợng trung bình năm và lợng tải cát trung bình năm Hình 6-12 là tọa độ để phân chia năm điển hình. Hai đờng chéo phân giác chia mặt phẳng tọa độ vuông góc thành 8 khu vực, cộng thêm đờng phân giác, tên gọi từng vùng giới thiệu trong bảng 6-1. Bảng 6-1 Bảng phân chia năm điển hình Số hiệu khu vực Năm điển hình Số hiệu khu vực Năm điển hình 1 Nớc nhiều, bùn cát thiên nhiều 8 Nớc nhiều, bùn cát thiếu ít 2 Nớc thiên nhiều, bùn cát nhiều 9 Nớc nhiều, bùn cát nhiều 3 Nớc thiên ít, bùn cát nhiều 10 Nớc ít, bùn cát nhiều 4 Nớc ít, bùn cát thiên nhiều 11 Nớc ít, bùn cát ít 5 Nớc ít, bùn cát thiên ít 12 Nớc nhiều, bùn cát ít 6 Nớc thiên ít, bùn cát ít 13 Nớc trung bình, bùn cát trung bình 7 Nớc thiên nhiều, bùn cát ít Phân tích chế độ thủy lực Ngoài việc phân tích tình hình dòng nớc, bùn cát từ thợng lu về, nếu trong đoạn sông nghiên cứu còn có số liệu quan trắc chi tiết về thủy văn, bùn cát, có thể tiến hành vẽ bình đồ dòng chảy, phân bố theo thời gian và không gian của lu tốc, hàm lợng bùn cát, các đờng đẳng trị đờng kính hạt lòng dẫn. Những số liệu đó giúp chúng ta xác định hệ số nhám cho các đoạn sông ở các mực nớc khác nhau; phân chia vùng tăng tốc, giảm tốc của dòng chảy; tính toán phân phối nớc và bùn cát trong các đoạn phân lạch, xác định các hệ số, số mũ cho các công thức kinh nghiệm, từ đó có thể giúp ta tìm ra mối liên hệ nội tại giữa hiện tợng xói bồi và các yếu tố ảnh hởng. Xây dựng quan hệ lu lợng - mực nớc Xây dựng đờng quan hệ lu lợng - mực nớc (Q ~ H) qua các thời kỳ khác nhau (mỗi thời kỳ có thể lấy khoảng 10 20 năm sao cho trong thời kỳ đó bao gồm đợc các giá trị Q min , Q max ), so sánh các đờng cong này cho ta các căn cứ để phán đoán xu thế xói bồi trung bình của lòng dẫn và sự thay đổi khả năng thoát lũ của lòng dẫn. Hình 6-13 thể hiện đờng cong quan hệ Q~H qua 3 thời kỳ của trạm Hà Nội (theo số liệu [3]). . pháp phân tích, dự báo diễn biến lòng sông 6.5.1. Khái quát Diễn biến lòng sông vùng đồng bằng trầm tích là vô cùng phức tạp. Theo đặc trng thời gian có biến hình dài kỳ và biến hình ngắn hạn;. hởng đến diễn biến lòng sông có thể khái quát là lợng nớc từ thợng lu đến và quá trình biến đổi của nó; lợng bùn cát từ thợng lu đến thành phần và quá trình biến đổi của chúng; cao trình mặt. nghiên cứu dự báo diễn biến lòng sông là xác định xu thế diễn biến của lòng dẫn trong điều kiện hiện trạng và tơng lai. Là cơ sở cho công tác thiết kế qui hoạch lập dự án các công trình vợt sông,