Tính toán thủy văn Chương 9 Dòng chảy rắn

130 Chương 9 DÒNG CHẢY RẮN Dòng nước với bất kỳ qui mô nào đều thực hiện một công mà giá trị của nó phụ thuộc vào lượng nước chảy và độ cao nước chảy trên đoạn đó. Một phần năng lượng đó được chi vào việc bào mòn và xói lở trên sườn dốc, bờ và đáy sông ngòi, vận chuyển sản phẩm theo dòng chảy. Sản phẩm vật chất rắn và chất hòa tan mang theo dòng nước được gọi là dòng chảy rắn. Có hai loại xói mòn cơ bản là xói sâu và xói ngang. Xói sâu đặc trưng cho vùng thượng lưu và xói ngang đặc trưng cho vùng trung, hạ lưu sông ngòi. Khảo sát quá trình hình thành phù sa sông ngòi chỉ ra rằng, vùng cung cấp phù sa chủ yếu của sông ngòi là vật chất từ bề mặt lưu vực và mạng lưới sông suối nhỏ đầu nguồn. Phần lớn các vật chất bị bào mòn lắng đọng và tích tụ tại các chỗ trũng trên lưu vực và chân sườn, cửa suối, một phần vật chất hạt mịn tham gia vào lòng sông dưới dạng phù sa lơ lửng. Một phần phù sa khi đã xâm nhập vào sông bị giữ lại ở các công trình v.v.. nên các đo đạc tại các trạm thủy văn không tiến hành được. Một lượng phù sa trong sông do sự bào mòn đáy và hai bờ trong quá trình chuyển động của dòng nước gây nên bởi chuyển động rối và di chuyển theo dòng nước dưới hai dạng: lơ lửng và di đáy gọi là phù sa lơ lửng và phù sa di đáy. Phù sa lơ lửng trong sông chiếm đại bộ phận. Ở miền đồng bằng, phù sa đáy chỉ chiếm khoảng 10% phù sa lơ lửng, miền núi từ 10-20 % hoặc hơn nữa. Khi nghiên cứu và tính toán dòng chảy rắn chủ yếu quan tâm đến phù sa lơ lửng. Phù sa lơ lửng bao gồm cả các muối hòa tan và các hợp chất hoá học khác trôi theo dòng nước. Do vậy phù sa (dòng chảy rắn) tựu trung gồm ba thành phần chính: 1) phù sa lơ lửng; 2) phù sa đáy; 3) vật chất hòa tan. Thông tin về dòng chảy rắn và phương pháp tính toán chúng không kém phần quan trọng so với các đặc trưng dòng chảy khác. Các đặc trưng về cường độ bào mòn từ sườn dốc và lòng suối rất cần thiết cho các qui hoạch xây dựng. Khi thiết kế và vận hành hồ chứa người ta quan tâm nhiều đến lượng và điều kiện lắng đọng vật chất trong sông. Số liệu này còn phục vụ cho giao thông đường thủy và các công trình đô thị khác. Thông thường các thông tin về dòng chảy rắn ít hơn so với thông tin về dòng chảy nước kể cả về số lượng lẫn chất lượng do hệ thống quan trắc và chất lượng dụng cụ đo chưa đảm bảo độ tin cậy cao. Khi giải quyết một số bài toán thực tế thường dùng các phương pháp gián tiếp để tính toán dòng chảy rắn là phương pháp tương tự hoặc bản đồ hoá. Giá trị trên bản đồ thường là đặc trưng độ đục nước sông S0 hoặc mô đun dòng phù sa lơ lửng MS0 được xác định theo công thức: 3 0 0 0 10Q QS S= (9.1) F QM SS .103 10.5,310 0 6 = (9.2) với S0 và MS0 - tương ứng là độ đục trung bình nhiều năm (g/m3) và mô đun dòng chảy phù sa lơ lửng trung bình nhiều năm (T/km2.năm); QS0 và Q0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (kg/s) và nước (m3/s). F- diện tích lưu vực (km2). 131 Các nghiên cứu cho thấy các quá trình hình thành dòng chảy rắn được qui định bởi nhiều yếu tố cần được tính đến khi tính toán lúc có cũng như không có quan trắc. 9.1. CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY RẮN Các yếu tố chủ yếu hình thành dòng chảy rắn xác định cường độ và qui mô xói mòn trên bề mặt lưu vực bao gồm: 1) cường độ và qui mô dòng chảy mặt; 2) độ dốc của sườn và đáy sông; 3) trạng thái bề mặt lưu vực và mức độ thảm thực vật; 4) hoạt động kinh tế nhân sinh. Một nhóm thể hiện năng lực công phá của dòng chảy, nhóm kia là sức đề kháng của mặt đệm. Phông chung của sự phát triển xói mòn và hình thành dòng chảy rắn là các điều kiện khí hậu (địa đới) và phụ thuộc vào thảm thực vật, tính chất đất đá và các địa hình nhỏ. Trong số các điều kiện khí hậu thì cường độ mưa đóng vai trò quan trọng, sau đó là chế độ nhiệt và gió, độ ẩm của đất đai. Cường độ xói mòn bề mặt lưu vực thể hiện rõ nhất vào mùa mưa lũ khi tính chất của mưa (cường độ, qui mô) quyết định vật chất ban đầu tách ra khỏi bề mặt lưu vực và sau đó là các yếu tố mặt đệm. Mưa rào → tác động cơ học vật lý lớn → vật chất bóc khỏi bề mặt lưu vực nhiều → lượng xói mòn tăng. Mưa dầm thì ngược lại. Độ dốc lớn → vận tốc dòng chảy mạnh → năng lượng tải vật chất lớn → phù sa mang vào sông ngòi nhiều hơn, độ dốc nhỏ thì ngược lại. Thảm thực vật dày → ma sát lớn bề mặt lưu vực → lượng vật chất cuốn khỏi lưu vực giảm và ngược lại. Kết cấu đất đá bền vững → xói mòn bề mặt nhỏ → vật chất ít bị bào mòn → phù sa giảm. Khi có hoạt động kinh tế nhân sinh trên bề mặt lưu vực cấu trúc đất đai bị phá vỡ→ xói mòn tăng→ phù sa tăng. Diện tích lưu vực lớn → vật chất nhiều→ phù sa lớn và ngược lại. 9.2. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY PHÙ SA Các đặc trưng chung của dòng chảy rắn và các chi tiết của nó được xác định phụ thuộc vào đối tượng thiết kế. Khi có quan trắc hệ thống không ít hơn 15-20 năm, các tham số dòng chảy năm của phù sa lơ lửng được tính theo tài liệu đo đạc thủy văn. Để đánh giá sơ bộ độ tin cậy của tài liệu gốc và tính hiệu quả của thời kỳ quan trắc, người ta thường phân tích quan hệ đồ thị của lưu lượng phù sa trung bình năm QSn và lưu lượng nước năm Qn. Chuỗi được coi là có hiệu quả nếu các điểm tương thích phân bố tương đối đều và phù hợp với thay đổi lưu lượng nước trong tầm giá trị của chúng với suất đảm bảo từ 5-95% (hoặc 75%) và độ lệch của một vài điểm riêng biệt không vượt quá ±20-25% so với đường trung bình. Đối với sông ngòi có chế độ nước phức tạp với các điểm phân tán, cần có chuỗi độ dài lớn hơn mới có thể có một quan hệ chặt chẽ được. Quan hệ loại này xây dựng riêng cho mùa lũ và mùa kiệt theo số liệu lưu lượng trung bình tháng của phù sa và nước. Nếu chuỗi là hiệu quả thì tham số dòng chảy năm của phù sa: lưu lượng phù sa trung bình nhiều năm, hệ số biến đổi và bất đối xứng của chúng được xác định theo phương pháp đồ giải - giải tích hoặc phương pháp momen với việc xây dựng các đường cong đảm bảo thực nghiệm và lý thuyết. Với thời kỳ quan trắc dòng phù sa không hiệu quả khi mà lượng nước thời kỳ đó sai khác với trị số trung bình nhiều năm trong giới hạn ± 20%, chuẩn dòng chảy phù sa xấp xỉ được tính theo công thức: tbS tb S QQ Q Q 00 = (9.3) 132 với Q0 và QS0 - tương ứng chuẩn lưu lượng và phù sa; Qtb và QStb - lưu lượng nước và phù sa trung bình cho thời kỳ đồng quan trắc (n năm). Giá trị các hệ số biến đổi của lưu lượng phù sa lơ lửng vC trong trường hợp này được xác định theo các quan hệ địa phương hoặc tương tự, còn sC lấy bằng 2 vC . Với các chuỗi quan trắc phù sa ngắn (ít hơn 15-20 năm) và có quan hệ lưu lượng phù sa và lưu lượng nước năm và quan hệ thể hiện rõ biên độ dao động lượng nước, tính toán các tham số dòng chảy phù sa năm được thực hiện bằng phương pháp đồ giải bởi quan hệ QSn=f(Qn). Theo các quan hệ của lưu lượng nước và phù sa, khi biết lưu lượng nước trung bình nhiều năm tính được lưu lượng phù sa nhiều năm. Các phương pháp thống kê để xác định các tham số tính toán của phù sa theo tài liệu quan trắc QS0 được coi là đủ nếu sai số độ lệch quân phương tương đối σQS0 ≤ 10 ÷ 15%. Tính σQS0 theo công thức ở phần trên và nếu QS0 được xác định bằng phương pháp đồ giải thì giá trị σQS0 được tính như sau: ,12 ln 2 2 0 1 100 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+= nQ NQ S N nvp Q r n C σ σσ (9.4) với N- số năm quan trắc dòng chảy nước; n - số năm đồng quan trắc dòng chảy nước và phù sa; lnvpC - hệ số biến đổi phù sa lơ lửng cho n năm; r - hệ số tương quan giữa đại lượng dòng chảy nước và phù sa năm; σQN và σQn - độ lệch quân phương dòng chảy năm cho thời đoạn n và tổng số N năm. Tính biến đổi của dòng chảy phù sa năm được tính với lắng đọng lòng hồ với chuỗi ít hơn 50 năm hoặc biết lượng phù sa với các thời đoạn lượng nước khác nhau. Khi đó sử dụng chuỗi quan trắc hoặc tính toán lưu lượng nước và phù sa với sắp xếp theo thứ tự giảm dần và chọn dòng chảy phù sa xác suất bé đối với việc nhóm các năm có tần suất khác nhau. Sự phân bố dòng chảy phù sa trong năm với chuỗi quan trắc không ít hơn 8-10 năm được xác định bằng cách tính các lưu lượng phù sa tháng trung bình cho các năm đặc trưng: dòng chảy phù sa trung bình, lớn nhất và nhỏ nhất. Theo tài liệu các năm đó xác định các giá trị lưu lượng phù sa cho từng mùa. Phân bố các giá trị độ đục nước trung bình ngày cho dưới dạng bảng, chứa số ngày có độ đục không vượt quá các giá trị sau: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 10 000 và 50 000 g/m3. Khi không đầy đủ tài liệu quan trắc để tính toán trực tiếp hoặc thiếu trọn vẹn mọi đặc trưng và tham số của dòng chảy rắn người ta xác định theo sông tương tự. Việc lựa chọn sông tương tự dựa trên việc phân tích và so sánh các yếu tố chủ đạo xác định sự hình thành dòng chảy phù sa hai sông. Các lưu vực cần có các giá trị độ dốc, thổ nhưỡng, độ che phủ, cày xới ao hồ và đầm lầy gần nhau. Kích thước diện tích lưu vực không chênh nhau quá 3-5 lần. Độ cao lưu vực không chênh nhau quá 500 mét. Cũng nên tính đến cả sự điều tiết dòng chảy do hồ chứa và các vũng vịnh... Tính toán bằng phương pháp sông tương tự có độ tin cậy nếu trên cả hai sông tiến hành khảo sát sơ bộ một năm quan trắc đồng bộ các đo đạc thủy văn. Đặc trưng chính của dòng chảy rắn là chuẩn dòng chảy phù sa lơ lửng năm của sông chưa nghiên cứu thường xác định theo bản đồ độ đục sông ngòi và bằng phương pháp nội suy giữa các lưu vực đã nghiên cứu với giá trị đưa về trung tâm lưu vực: 6 00 0 10 FMS SQ = (9.5) với QS0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (chuẩn) kg/s; S0 - độ đục trung bình nhiều năm của nước (chuẩn) g/m3; M0 - mô đun dòng chảy trung bình nhiều năm của nước tại tuyến tính toán l/skm2; F - diện tích lưu vực tính toán, km2. Bản thân độ đục trên bản đồ mang tính địa đới và kéo theo nó là dòng chảy rắn. Khi nội suy cần tuân thủ các nguyên tắc về các yếu tố ảnh hưởng. Trong thực tế sử dụng bản đồ độ đục được xây dựng cho những lưu vực lớn và vừa, không tính đến điều tiết trên các lưu vực nên kết quả nhận được thường thiên bé. 133 Độ đục các sông nhỏ thường cao hơn sông có tài liệu xây dựng trên bản đồ cho nên dùng bản đồ cần đưa thêm một hệ số hiệu chỉnh, xác định theo công thức: 00 SKM cS = (9.6) với S0 - độ đục trung bình nhiều năm của nước sông trong vùng địa đới xác định theo bản đồ; Kc - hệ số chuyển đổi. Hệ số biến đổi dòng chảy năm của phù sa lơ lửng các sông chưa nghiên cứu cũng xác định theo phương pháp sông tương tự nhưng cần tính đến các quan hệ địa phương. Hệ số bất đối xứng các sông chưa nghiên cứu thường được lấy bằng hai lần giá trị hệ số biến đổi. Phù sa đáy thường chiếm không đáng kể so với phù sa lơ lửng và thường không vượt quá 20% ở vùng đồng bằng; 30-35% ở vùng núi. 9.3. TÍNH TOÁN LẮNG ĐỌNG HỒ CHỨA Khi tính toán lắng đọng hồ chứa và thời gian phục vụ cần có mọi tham số phù sa lơ lửng và phù sa đáy do sông ngòi mang đến, xác định lượng vật chất do xói ngang mang đến từ bờ hồ chứa và các nhân tố lắng đọng khác. Lượng phù sa từ bờ xác định bằng các đặc trưng trắc địa bản đồ đoạn thung lũng sông có hồ chứa, đất đá, vận tốc và hướng gió, sóng trong hồ. Cần làm rõ thành phần và lượng phù sa trầm tích ở đáy hồ để tính chế độ sông ngòi phía dưới đập, do không đủ phù sa đáy nên xảy ra xói mòn mạnh v.v.. Để đánh giá phân bố phù sa trong lòng hồ cần có các thông tin về các giá trị và phân bố vận tốc dòng chảy trong hồ với các hạt phù sa lơ lửng có độ lớn thủy lực cho trước. Với điều tiết nhiều năm và hệ số điều tiết lớn thực hiện cả những tính toán độ khoáng hoá của nước với thang thành phần hoá học. Để đánh giá gần đúng thời đoạn trung bình lắng đọng của hồ với trầm tích phù sa đều theo các chu kỳ khác nhau sử dụng công thức: )1( δ−= s n W W T (9.7) với T - thời đoạn lắng đọng trung bình của hồ (năm); Wn - thể tích chết của hồ; Ws - thể tích phù sa tổng trung bình nhiều năm; δ - phần chuyển đi của phù sa khỏi hồ chứa (%). Giá trị Ws được tính theo công thức: β 310.5,31.0sQWs = (9.8) β- mật độ trung bình của trầm tích đáy T/m3. 9.4. LŨ BÙN ĐÁ Lũ bùn đá là dòng hỗn hợp nước và đất đá (60%) mạnh, ngắn với sức phá huỷ ghê gớm trên các lưu vực sông nhỏ miền núi. Lũ bùn đá xuất hiện khi có dòng chảy mặt mạnh do mưa lớn, vỡ hồ chứa trên các sườn đầy vật chất bị phong hoá. Các yếu tố thuận lợi để xuất hiện lũ bùn đá là: 1. Cảnh quan vùng đồi núi - độ dốc sườn lưu vực và thung lũng lớn. Độ dốc dòng chảy lớn. 134 2. Sự xuất hiện trên các sườn, thung lũng và đáy sông một lượng lớn các vật chất rắn, bở rời - sản phẩm của xói mòn. 3. Xuất hiện mưa đột ngột với cường độ lớn nhưng lượng ít. Thực vậy lũ bùn đá hay xuất hiện tại các lưu vực vùng núi vùng sa mạc hay bán sa mạc từ các lưu vực nhỏ có mưa lớn. Cường độ xói mòn mạnh mẽ trên các lưu vực có lũ bùn đá là nhờ các yếu tố khí hậu, địa mạo lưu vực và các sườn. Khi xảy ra lũ quét, một khối lượng lớn vật chất nằm trong trạng thái mất cân bằng cho nên chỉ cần một tác động nhỏ (mưa lớn) là kéo theo một chuyển động lớn của khối vật chất đó xuống phía dưới và cuốn theo các vật chất mới trên quĩ đạo chuyển động và hình thành lũ bùn đá. Lũ bùn đá có thể chứa tới 600 -1000 kg phù sa trên 1 m3 nước trong khi sông ngòi có độ đục cao chỉ có 150 kg/m3. Thể tích bùn đá do một con lũ mang theo có thể tính theo công thức: ,)(1000 FtgFW SS == ω (9.9) với Ws - thể tích phù sa m3; ωs - thể tích riêng lượng vật chất đưa ra m3/km2; hàm trọng số g (t) - lớp bùn đá đưa ra một lần, mm; F - diện tích lưu vực, km2. Giá trị gần đúng của thể tích bùn đá đưa ra có thể tính theo công thức thể tích bình thường của lũ có tính tới lượng phù sa: ,1000 0βαFHWS = (9.10) với H - lớp nước mưa tạo lũ, mm; α - hệ số dòng chảy; F - diện tích lưu vực km2; β0 - lượng thể tích phù sa trong một m3 nước. Giá trị H và α lấy theo qui phạm tính mưa lũ. Lũ bùn đá là một hiện tượng tai biến thiên nhiên nguy hiểm nhưng chưa được nghiên cứu kỹ. Gần đây ở Việt Nam cũng xuất hiện nhiều lũ quét gây nhiều hậu quả nghiêm trọng cho đời sống và tàn phá môi trường. Cần có sự quan tâm đúng mức để phòng chống, bảo vệ đời sống người dân, bảo vệ môi trường.