B. Ph. Snhisenco [91] coi sóng cát là các dạng đáy có chiều dài cỡ 10 lần độ sâu dòng chảy. Trong danh mục của Uỷ ban các vấn đề Hiệp hội kỹ sư dân sự Mỹ người ta gọi sóng cát là các dạng đáy, kích thước của chúng nằm giữa các gợn sóng và bãi cát ngầm [125].
Lý thuyết không ổn định tuyến tính của các xáo trộn nhỏ chỉ ra rằng (xem hình 2.8) trong khoảng biến động bước sóng giữa gợn sóng và các sóng cát lớn là một miền rộng các dạng đáy ba chiều mà trong phạm vi của chúng không có một hay vài cực
đại thể hiện rõ. Xác suất gần nhất chuyển bất kỳ trong số xáo trộn của chúng về dạng đáy. Phân tích phổ các chuỗi cao trình
đáy sông kéo dài (xem hình 1.4) chứng tỏ rằng hàm mật độ phổ trong miền sóng cát nhỏ và trung bình có dạng "ồn trắng", với các cực trị mật độ phổ riêng biệt. Trên các profile đó tách ra các dạng đáy trrong khỏng biến động lớn của chiều dài L1 = 10H…1000H.
Mảng thống nhất của sóng cát vừa và nhỏ do khoảng biến
động chiều dài lớn của các dạng gộp vào nhóm thể hiện cấu tạo bậc thang: các sóng cát nhỏ hơn có thể hình thành trên bề mặt các sóng cát lớn hơn, về phần mình nó lại tạo nên các sóng cát lớn hơn nữa v.v.. Sự phức tạp cấu tạo sóng cát theo mức độ tăng kích th−ớc của nó tạo nên sự khác biệt về chất trong hình thái học và động lực học các sóng cát lớn hơn và nhỏ hơn. Cho nên nhất thiết cần các dạng trung gian phân bố trên các bậc khác nhau của tổ hợp bậc thang, xem xét và làm rõ trong khuôn khổ các nhân cấu trúc độc lập của các mức cấu trúc dạng vi mô.
Danh mục đ−ợc chấp nhận các sóng cát vừa và nhỏ các mực bậc thang khác nhau hiện còn ch−a đ−ợc soạn thảo, mặc dù chúng đ−ợc nêu ra bởi nhiều nhà nghiên cứu khi làm việc trên các đối t−ợng tự nhiên. Hay phân loại nhất là các sóng cát theo trật tự [104] bắt đầu từ việc đánh số các sóng cát nhỏ nhất. N. I.
Alecxayevski [2,3] ký hiệu sóng cát các mức bậc thang khác nhau bằng các chữ cái theo trật tự của tiếng Nga, khi đó chữa cái "A" gắn cho các bãi vắt ngang – sóng cát lớn, còn các sóng cát nhỏ hơn theo mức độ đơn giản và giảm chiều dài của chúng là các chữ cái tiếp theo. Tác giả [81, 88] đề nghị cho mỗi tổ hợp sóng cát tên gọi: đụn cát – là các sóng cát nhỏ, bề mặt của nó thống trị bởi các gợn rãnh; dải cát – là các sóng cát nhỏ bề mặt thống trị bởi đụn cát; bãi cát – là các sóng cát vừa trên bề mặt của nó có các dải cát.
Cần đặc biệt chú ý rằng tổ hợp sóng cát bậc thang với khoảng bước sóng rộng và cấu tạo phức tạp nhiều dạng đáy tạo thành trên đáy sông ngòi với các đặc tr−ng thuỷ lực dòng chảy dừng. Đặc tr−ng cấu tạo của nó nh− thế nh− là tính phức tạp, bị chi phối không phải là sự hiện diện các dạng tự động (mặc dù chúng có thể có mặt), mà là khả năng tích tụ sóng cát với kích th−ớc khác nhau.
Đối với các sóng cát vừa và nhỏ cần chia ra hai giai đoạn phát triển chính: chủ động và thụ động. Trong giai đoạn chủ
động sóng cát tạo thành và biến dạng bởi cấu trúc xoáy của dòng chảy, hình ảnh phản ánh chúng trong các đất đá bị bào mòn. Trên giai đoạn thụ động sóng cát với chiều dài xác định biến dạng bởi trường vận tốc mà trong đó không thể tạo thành các cấu trúc xoáy và phản ánh sóng cát của chúng chiều dài này. Các sóng cát thụ động thường biến dạng với sự dịch chuyển theo bề mặt của chúng các sóng cát chủ động hay thụ động nhiều hơn.
Đụn cát biểu hiện rõ trong lòng sông Niger d−ới cửa sông Benue. Hình thái học và động lực học của chúng đ−ợc nghiên cứu trong lũ – kiệt năm 1978–1979 [80,84]. Trong thí dụ này ta xét các đặc tr−ng cơ bản của hình thái học và động lực học các sóng cát nhỏ này.
Trong giai đoạn phát triển chủ động, đụn cát là một sóng cát ba chiều gần nh− song song trên bình đồ với tỷ lệ giữa độ dài và độ rộng L2/L1 ≈1,0. Theo mặt thẳng đửng cả chiều dọc lẫn chiều ngang các sườn của đụn cát lồi, hình dạng profile kiểu elip (xem hình 1.3). Tuy nhiên mái s−ờn d−ới, thậm chí cả
đụn cát chủ động đôi khi cũng thẳng hoặc lõm. Trong lát cắt ngang các đụn cát chủ động thường đối xứng. Trong lát cắt dọc 83% đụn cát có bất đối xứng dương, trong số đó gần một nửa – là lớn(LB/LH >1,6), một phần t− là nhỏ (LB/LH <1,2). Trong số
các đụn cát với bất đối xứng âm, một phần t− có bất đối xứng lớn, và gần một nửa – nhỏ. Gần với dạng đối xứng có 46% toàn bộ đụn cát chủ động trên sông Niger [−0,1<(LB−LH)/L<0,1]
Phân bố các đụn cát chủ động theo chiều dài và độ cao đ−ợc mô tả bởi chính các đường cong phân bố (3.2) và (3.5) như đối với gợn sóng. Các hệ số biến đổi chiều dài (CVL= 0,4) và độ cao (CVh =0,5) của đụn cát gần với hằng số (xem hình 3.3).
Lý thuyết không ổn định các xáo trộn nhỏ trong xấp xỉ tuyến tính không cho khả năng thu đ−ợc công thức lý thuyết đối với chiều dài các đụn xác suất. Phân tích tài liệu thực nghiệm theo chiều dài các đụn cát chủ động trên các sông Amazon, Niger, Terek (Hình 3.9) chứng tỏ rằng để tính toán chiều dài
đụn cát áp dụng đ−ợc công thức dạng (3.1) HFr
L=β' .
Tuy nhiên hệ số β"là khác nhau đối với các sông khác nhau và có xu h−ớng tăng với sự tăng kích th−ớc sông. Do việc thành tạo các sóng cát vừa và nhỏ không liên quan đến sóng trên bề mặt thoáng mà xác định bởi sức kháng thuỷ lực, nên quan hệ
"
β với phân bố vận tốc thuỷ trực chỉ có thể là gián tiếp thông qua ảnh hưởng của các tham số gợn sóng đến độ nhám của đáy.
ảnh h−ởng t−ơng tự đ−ợc Richards [129] chỉ ra khi giải thích sự hình thành các gợn sóng. Thông th−ờng β" = 30 … 40.
Xử lý các tài liệu thực nghiệm nh− thế chỉ ra rằng độ cao trung bình các đụn cát đ−ợc mô tả bởi quan hệ (3.6) (các hệ số 3,2 và 0,3)
Quan hệ giữa độ cao và chiều dài của các đụn cát chủ động cũng mang tính ngẫu nhiên, mod của độ cong các đụn cát chủ
động là 0,04, thấp hơn nhiều so với gợn sóng (xem hình 3.6)
Độ uốn mái nghiêng dưới của các đụn cát chủ động thấp
hơn so với gợn sóng – khoảng 78% tr−ờng hợp hd /LH <0,1 (60).
Khảo sát trường vận tốc theo thời gian lũ trên các đụn cát chủ
động chứng tỏ rằng (xem hình 2.2a) các xoáy kết hợp dưới chân các sóng cát như vậy không tạo thành do độ cong mái sườn dưới nhỏ. Khi đó trường vận tốc thực tế trên các sóng cát quan hệ với vận tốc chi phối bởi địa hình đáy, bởi một quan hệ ng−ợc: hệ số t−ơng quan (r=−0,69). Điều này chứng tỏ về sự hiện diện của
ácc xoáy tạo sóng cát trên các sóng cát chủ động.
Hình 3.9. Quan hệ chiều dài các đụn cát trên các sông Amazon (1), Niger (2) và Terek (3) với các đặc tr−ng thuỷ lực dòng chảy.
Trên đường lũ rút, theo mức độ giảm độ sâu và lưu lượng riêng của dòng chảy diễn ra sự biến dạng tr−ờng vận tốc trên các đụn cát và thay đổi dạng đụn cát. Trường vận tốc bắt đầu
được xác định bởi địa hình đáy: hệ số tương quan của vận tốc dòng chảy thực tế và địa hình bị chi phối là 0,8. Sự phát triển
đụn cát bước vào giai đoạn thụ động, khi đó hình thái học và
động lực học chi phối không phải bởi cấu trúc dòng chảy phản chiếu bởi đụn cát mà là trường vận tốc gây nên sự tồn tại của các sóng cát đáy.
Trong lòng sông Niger theo tính chất biến dạng các đụn cát thụ động chia ra hai miền: 1) miền biến dạng chậm và 2) miền biến dạng nhanh.
Trên miền biến dạng chậm khi lưu lượng nước, độ sâu và vận tốc dòng chảy giảm đáng kể, hình thái học của đụn cát – chiều cao và chiều dài của từng sóng cát riêng biệt cũng nh− các
đặc trưng trung bình và các đường cong phân bố của chúng thay đổi chậm hơn rất nhiều so với giai đoạn đụn cát chủ động.
Miền này chiếm toàn bộ các đáy bùn sâu với độ sâu H > 7m. Ví dụ điển hình là lát cắt trên hình 3.10, nơi mà với sự giảm độ sâu từ 16,5 – 8,7 và vận tốc dòng chảy từ 1,9 – 0,4 m/s bảo toàn không chỉ các đặc tr−ng trung bình mà còn cả hình thái các đụn riêng rẽ trong các điều kiện tính động lực cao của chúng. Các
đường cong đảm bảo độ cao, chiều dài, độ cong và bất đối xứng
đụn cát trong miền này khi thay đổi các đặc tr−ng thuỷ lực dòng chảy hầu nh− không đổi.
Miền biến dạng nhanh phân bố trên các bãi vắt, gờ và cù lao với độ sâu H < 5...6 m. Khi giảm lưu lượng nước và độ sâu dòng chảy sự biến dạng các đụn cát thụ động diễn ra nhanh hơn so với các đụn cát chủ động. Sự chênh lệch lớn về vận tốc dòng chảy trên các khu vực khác nhau của đụn cát dẫn tới sự tăng vận tốc dịch chuyển sống cát và chân sóng cát. Nó nhanh chóng hình thành dạng hình chóp bất đối xứng truyền thống với gờ cong lồi phía mái trên và võng về phía mái d−ới khoảng 30 – 350, gần với góc mái sườn tự nhiên đối với cát trong nước. Tại
trũng của đụn cát tạo nên các xoáy liên kết với dòng chảy sát
đáy theo chiều ngược lại, duy trì độ cong của mái sườn dưới. Sự hình thành các xoáy liên kết làm tăng sự phân hoá vận tốc dọc
đụn cát. Bỏ qua phần mái sườn trên, nơi có vận tốc dòng chảy lớn hơn, và mái sườn dưới, nơi các quá trình trọng lực đóng vai trò lớn, dịch chuyển về d−ới theo chiều dòng chảy nhanh hơn so với phần đáy của mái trên, nằm trong vùng tác động của các xoáy liên kết của sóng cát trên. Đụn cát dài ra, đồng thời làm giảm độ cao của chúng.
Vận tốc và tính chất biến dạng của các đụn cát thụ động phần nhiều bị chi phối bởi độ cao và độ cong ban đầu của chúng.
Các đụn cát cao và cong hơn sớm tạo nên dạng bất đối xứng hơn. Các đụn cát thấp và phẳng hơn thường là đối xứng. Khi vắng các quá trình duy trì hình dạng các đụn cát nh− vậy nó
đ−ợc là trơn và nhập với các đụn cát cong. Diễn ra sự nhân đôi
đột ngột chiều dài đụn cát, đã đ−ợc N. S. Znamenski xem xét một cách chi tiết [28].
Đồng thời với sự mất tính đối xứng và là tạo nên dạng ba chiều rõ nét. Các đụn cát lân cận hoà hợp với nhau, sống của chúng liên kết lại làm một thành sóng yếu, đ−ờng, nghiêng về một phía. Đụn cát trở nên hai chiều. Theo mức hạ thấp mực nước trong quá trình trộn cuốn hút hầu hết các đụn cát ba chiều lớn. Bước đụn cát hai chiều tăng từ 1,5 – 2,0 bước đụn cát ba chiều vào đầu kỳ biến dạng nhanh đến 10 và còn hơn nữa về cuèi kú (H×nh 3.11).
Các rãnh không sâu tạo nên trên lòng sông Niger các miền biến dạng đụn cát không đều. Tại đây vào đầu kỳ lũ xuống sự biến dạng diễn ra chậm, và vào cuối kỳ – tăng nhanh. Đối với miền này đặc tr−ng quá trình tăng độ cao đụn cát vào đầu kỳ biến dạng nhanh của chúng. Các đụn cát thụ động cao dịch chuyển nhanh hơn so với đụn cát thấp và tr−ợt trên các mái
sườn trên của chúng. Vì thế việc bổ sung độ cao sống các đụn đó tăng lên.
Hình 3.10. Biến dạng đụn cát chậm trong r∙nh sâu lòng sông Niger tại trạm Geregu trong thời kỳ từ đỉnh lũ (07.10.78) (a) đến kỳ kiệt (11.04.79) (b)
Hình 3.11. Biến dạng nhanh đụn cát trên sông Niger thành phải đảo Adraokut trên lũ xuống
Theo mức kết hợp và thành tạo các đụn cát thụ động hai chiều trong thời kỳ kiệt trên các đoạn đồng mực nước trong sông Niger bắt đầu tạo nên các đụn cát chủ động ba chiều, kích thước của chúng tương ứng với các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy.
Khi đó các đụn cát chủ động đ−ợc hình thành mới nhanh chóng dịch chuyển xuống d−ới theo dòng chảy trở thành nhân tố chính của dịch chuyển các đụn cát thụ động hai chiều (Hình 3.12).
Mô tả sự thay đổi đụn cát chi phối dạng tổng quan của quan hệ giữa các tham số đo đạc hình thái và các đặc tr−ng thuỷ lực dòng chảy của chúng. Quan hệ kiểu nh− thế là giống nhau đối với đụn cát nhiều sông. Thí dụ nh− nó đã đ−ợc mô tả
bởi Allen [104] đối với sông Vezer, B. Ph. Snhisenco [43] đối với sông Polomet.
Các cồn cát đ−ợc tách ra và đ−ợc nhiều ng−ời nghiên cứu [2, 50]. Một phần chúng là các dạng xung đột của địa hình đáy lòng sông, đôi khi nó chính là cơ sở.
Đường cong phân bố độ dài cồn cát thường được mô tả tốt bằng phân bố gama, nh−ng thông tin đầy đủ về độ cao của chúng hiện tác giả cũng ch−a đ−ợc t−ờng minh. Chiều dài trung bình của cồn cát tăng theo sự tăng l−ợng n−ớc sông. Số liệu về sự thay đổi kích thước của cồn cát trên đoạn sông Niger từ trạm Geregu đến trạm Adraokut khi thay đổi lượng nước sông trong vòng một năm thuỷ văn nhận đ−ợc trong kết quả đo sâu nhiều lần trên các mặt cắt dọc cố định theo đáy rãnh không sâu.
Để tăng mức độ khách quan của chuỗi cao độ đáy người ta tiến hành phân tích phổ. Trên đường cong mật độ phổ các cao độ đáy
) k (
S , tách ra miền cực đại thứ nhất tương ứng với vũng. Nó
đ−ợc giới hạn bởi số sóng t−ơng ứng với hai cực tiểu của hàm.
Chiều dài vũng được xác định theo số sóng tương ứng với cực đại của mật độ phổ S trong miền này. Độ cao trung bình của
1
km
cồn cát h3 đ−ợc tính theo phần trăm ph−ơng sai của chuỗi gắn với miền đó: h3 = ∫S(k1)dk1 . Chiều dài cồn ghi đ−ợc khi lũ lên hầu như không thay đổi với sự giảm lưu lượng và mực nước. Độ cao cồn cát tăng dần khi lũ lên và ở đỉnh lũ, còn trong thời gian lũ xuống hầu nh− không đổi và chỉ ở cuối lũ xuống và vào thời kỳ kiệt, khi mà độ sâu trung bình trong rãnh nhỏ hơn 0,4 m, cồn cát bắt đầu chảy. Trong thời gian đó dạng cồn cát chịu sự thay đổi đáng kể: từ một sóng cát đối xứng với mái nghiêng lồi phẳng chúng trở nên bất đối xứng mạnh. Mái sườn trên chảy ra trở nên hầu nh− nằm ngang, chiều dài của nó gần với b−ớc cồn cát. Độ cong mái s−ờn d−ới của cồn cát có góc mái nghiêng tự nhiên 33 – 350. Vận tốc dịch chuyển của cồn xuống d−ới theo chiều dòng chảy khá lớn: trên đỉnh lũ nó là 4,5 m/ngày đêm, lúc lũ xuống – 2,3 m/ ngày đêm, còn mùa kiệt – 0,3 m/ngày đêm.
Xem xét đồng thời các quan hệ của độ cao trung bình của các gợn sóng và sóng cát độ phức tạp khác nhau với các nhân tố thuỷ lực xác định (xem hình 3.5) chứng tỏ rằng đối với mọi dạng
đáy đặc tr−ng sự hiện diện của hai nhánh quan hệ đó. Khảo sát nhánh tăng độ cao tương đối h/H (hay độ cong h/L) của các dạng đáy với sự tăng của vận tốc dòng chảy tương đối
và sau khi đạt tới cực đại nhánh giảm độ cao tương đối (độ cong), tức là sự bào mòn các dạng đáy với sự tăng tiếp tục . Tuy nhiên sự bào mòn gợn cát bắt đầu với vận tốc dòng chảy bé hơn so với sự bào mòn sóng cát nhỏ và vừa và sóng cát càng lớn thì vận tốc cần để bào mòn chúng càng lớn. Kết quả
cho khả năng các điều kiện thuỷ lực khi trên các đụn cát không tách (hoặc thể hiện yếu) các gợn sóng trên bề mặt cồn cát sẽ không có các đụn cát v.v.. Việc đánh số các sóng cát nhỏ và vừa nêu trên dựa trên vị trí của chúng trong chuỗi bậc thang, bỏ qua sự thống nhất về dấu hiệu định dạng.
uH
U−
uH
U−
Hình 3.12. Sự dịch chuyển các đụn cát chủ động ba chiều (1–19) trên bề mặt các đụn cát thụ động hai chiều (I, II) trên sông Niger mùa kiệt năm 1979 Quỹ đạo không gian và thời gian của chuyển động lòng sông giữa các đụn cát hai
chiều (1) và ba chiều (2)
Các điều kiện t−ơng tự cũng hình thành ở lòng sông Terec phía dưới cửa sông Sunji trong thời kỳ lũ. Tại đây đã hình thành một tổ hợp phức tạp các dạng đáy gồm gợn sóng, đụn cát và cồn cát. Nh−ng trong điều kiện vận tốc dòng chảy lớn (2,5 – 3,0 m/s) và tính linh động của đất đáy cao (đường kính trung bình của hạt 0,3 – 0,4 mm) tổ hợp này không ổn định và thưởng xuyên thay đổi. một và chỉ một sóng cát lớn trong các thời điểm khác nhau với vận tốc và độ sâu dòng chảy ít thay đổi có thể có