Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 2
lượt xem 2
download
Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 2 gồm có các chương như sau: Chương 8 mô hình hóa các quá trình xói mòn; chương 9 mô hình chất lượng nước đất nông nghiệp; chương 10 một số mô hình lưu vực sông điển hình; chương 11 lựa chọn, hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình thủy văn; chương 12 ứng dụng và lựa chọn các mô hình thủy văn; chương 13 các mô hình hiện có. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 2
- Ch−¬ng 8 M« h×nh ho¸ c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn 8.1 Giíi thiÖu vÒ hÖ thèng xãi mßn bïn c¸t cña c¸c l−u vùc s«ng nhá ........................................................................................ 481 8.2 M« h×nh ho¸ xãi mßn vïng ®Êt cao .................................................... 493 8.3 ¦íc l−îng xãi mßn b»ng ph−¬ng tr×nh mÊt ®Êt th«ng dông ........... 505 8.4 ¦íc l−îng s¶n l−îng bïn c¸t víi ph−¬ng tr×nh mÊt ®Êt biÕn ®æi ......................................................................................... 511 8.5 C¸c m« h×nh c¬ b¶n.............................................................................. 512 8.5 C¸c qu¸ tr×nh liªn r·nh ....................................................................... 514 8.6 C¸c qu¸ tr×nh xãi mßn r·nh ................................................................ 530 8.6 C¸c qu¸ tr×nh lßng s«ng ...................................................................... 569 8.7 C¸c qu¸ tr×nh trong ®Ëp d©ng ............................................................ 584 8.8 T−¬ng t¸c gi÷a m« h×nh xãi mßn vµ m« h×nh thñy v¨n ................... 588 8.9 Mét sè vÝ dô m« h×nh xãi mßn ............................................................ 595 Tµi liÖu tham kh¶o .................................................................................... 600 C¸c ký hiÖu ................................................................................................. 611 479
- 480
- M« h×nh ho¸ c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn T¸c gi¶: G.R Foster, Kü s− thuû lùc, USDA - Phã gi¸o s−, Khoa Kü thuËt n«ng nghiÖp, §¹i häc Tæng hîp Purdue, T©y Lafayette, Indiana 47907. 8.1 Giíi thiÖu vÒ hÖ thèng xãi mßn bïn c¸t cña c¸c l−u vùc s«ng nhá Qu¸ tr×nh xãi mßn vµ l¾ng ®äng do n−íc bao gåm c¸c qu¸ tr×nh ph¸ vì, vËn chuyÓn, l¾ng ®äng cña c¸c h¹t bïn c¸t do t¸c ®éng cña c¸c t¸c nh©n x©m thùc vµ t¸c nh©n vËn chuyÓn cña m−a r¬i vµ dßng ch¶y mÆt (ASCE - 1975). Sù ph¸ vì lµ sù rêi ra tõ khèi ®Êt cña c¸c h¹t ®Êt do t¸c nh©n xãi mßn. Sù vËn chuyÓn lµ sù cuèn tr«i vµ sù di chuyÓn cña c¸c h¹t bïn c¸t tõ c¸c vïng ®Êt cao qua s«ng ngßi vµ cuèi cïng cã thÓ ra ®¹i d−¬ng (Holeman, 1968). Kh«ng ph¶i tÊt c¶ bïn c¸t ®Òu ch¶y ra ®Õn biÓn mµ mét phÇn l¾ng ®äng trªn c¸c ch©n s−ên, trong c¸c hå chøa n−íc vµ trªn c¸c b·i båi, däc theo ®−êng di chuyÓn. Qu¸ tr×nh nµy gäi lµ qu¸ tr×nh bïn c¸t. Mét l−îng bïn c¸t chØ l¾ng ®äng t¹m thêi. Do nh÷ng trËn m−a, ®«i khi sau nhiÒu n¨m bïn c¸t nµy l¹i ®−îc t¸ch ra khái b·i båi vµ lµm cho nã di chuyÓn xa h¬n däc theo hÖ thèng dßng ch¶y (Trumble, 1975). Qóa tr×nh xãi mßn vµ l¾ng ®äng cã thÓ lµ nh÷ng vÊn ®Ò chñ yÕu (ASCE, 1975). Sù xãi mßn lµm gi¶m n¨ng suÊt trång trät. L¾ng ®äng lµm suy tho¸i chÊt l−îng n−íc vµ cã thÓ mang theo ®Êt cã chøa c¸c hãa chÊt g©y « nhiÔm. Sù l¾ng ®äng trong kªnh t−íi tiªu, trong lßng s«ng vµ trong hå chøa n−íc, c¸c cöa s«ng, c¸c c¶ng vµ c¸c c«ng tr×nh vËn chuyÓn n−íc kh¸c lµm gi¶m c«ng suÊt cña c¸c c«ng tr×nh nµy vµ ®ßi hái chi phÝ cao cho sù vËn chuyÓn. 481
- 8.1.1 C¸c nguån sinh ra vµ tiªu hao bïn c¸t C¸c nguån sinh th× cung cÊp bïn c¸t vµ c¸c nguån tiªu hao th× gi÷ l¹i bïn c¸t trong ®ã. ViÖc ph©n lo¹i nguån sinh vµ tiªu hao bïn c¸t sÏ thuËn tiÖn cho viÖc x¸c ®Þnh vµ ®¸nh gi¸ ph¹m vi xãi mßn vµ l¾ng ®äng vµ còng nh− viÖc khèng chÕ xãi mßn vµ l¾ng ®äng. C¸c nguån sinh bïn c¸t bao gåm: ®Êt n«ng nghiÖp, c¸c khu x©y dùng, lµm ®−êng x¸, c¸c khe r¹ch vµ m−¬ng, khai ph¸ ®Êt rõng, vïng má lé thiªn vµ xãi mßn ®Êt tù nhiªn. C¸c nguån bïn c¸t còng cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i, tïy theo lo¹i xãi mßn chiÕm −u thÕ: xãi mßn bÒ mÆt vØa, r·nh, m−¬ng xãi, xãi mßn lßng s«ng hay sù tr−ît ®Êt (Hutelun Son vµ céng sù, 1976). Sù xãi mßn vØa lµ sù di chuyÓn cña 1 líp máng c¸c h¹t ®Êt t−¬ng ®èi ®ång nhÊt. Sù xãi mßn theo r·nh lµ sù xãi mßn trong rÊt nhiÒu r·nh hÑp cã chiÒu réng vµ chiÒu s©u vµi mm. Khi c¸c r·nh ®ã mµ bÞ ph¸ vì do canh t¸c chóng ®−îc gäi lµ c¸c m−¬ng xãi. Sù xãi mßn lßng s«ng lµ do dßng ch¶y vµ xãi mßn do tr−ît ®Êt lµ sù chuyÓn ®éng cña toµn bé khèi ®Êt. C¸c nguån tiªu hao bïn c¸t ®iÓn h×nh bao gåm: c¸c ch©n s−ên lâm, c¸c ®íi thùc vËt, c¸c b·i båi vµ c¸c khu vùc hå chøa n−íc n¬i diÔn ra sù l¾ng ®äng do kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y gi¶m, kh«ng vËn chuyÓn hÕt ®−îc bïn c¸t. Bïn c¸t tiªu hao trong c¸c vïng nµy lµm gi¶m tæng l−îng bïn c¸t do vËy l−îng bïn c¸t cßn l¹i trong l−u vùc s«ng Ýt h¬n l−îng bÞ bµo mßn. Kh¸i niÖm tØ lÖ vËn chuyÓn vµ c¸c tØ lÖ vËn chuyÓn nhá h¬n 1, ph¶n ¸nh ¶nh h−ëng cña c¸c nguån tiªu hao bïn c¸t nµy. Qu¸ tr×nh xãi mßn-l¾ng ®äng ë ch©n s−ên hay ë h¹ l−u cã quan hÖ trùc tiÕp víi nhau, tïy thuéc l−îng bïn c¸t ®−îc ®Õn tõ phÝa trªn s−ên vµ tõ vïng th−îng l−u. Sù gi¶m xuèng hay t¨ng lªn dßng ch¶y tõ nh÷ng khu ®Êt cao sÏ t−¬ng øng víi sù t¨ng hay gi¶m kh¶ n¨ng bµo mßn vµ vËn chuyÓn trong lßng s«ng. VÝ dô: dßng ch¶y æn ®Þnh cã thÓ trë thµnh n¬i chñ yÕu t¹o ra bïn c¸t trong khi ë n¬i ®« thÞ ph¸t triÓn m¹nh trªn th−îng l−u th× sÏ lµm dßng ch¶y t¨ng (Robinson - 1976) S¶n l−îng bïn c¸t cã liªn quan trùc tiÕp víi l−îng bïn c¸t t¹o ra trªn vïng ®Êt cao, ®èi víi 1 hÖ thèng lµ c©n b»ng. Tuy nhiªn viÖc khèng chÕ xãi mßn vïng ®Êt kh«ng ph¶i lu«n lµm gi¶m ngay s¶n l−îng bïn c¸t. Thay cho bïn c¸t 482
- ®Õn tõ vïng ®Êt cao th× xãi mßn dßng ch¶y trong lßng s«ng t¨ng. NÕu bïn c¸t lµ cã s½n tõ sù l¾ng ®äng tr−íc ®ã hay tõ c¸c biªn cña s«ng cã thÓ xãi, s¶n l−îng bïn c¸t cã thÓ tiÕp tôc t¨ng cao trong vµi n¨m tr−íc khi hÖ thèng thÝch øng vµ ®iÒu chØnh l¹i (Trimble, 1975). Do ®ã −íc l−îng chÝnh x¸c cña s¶n l−îng bïn c¸t vÉn cÇn quan t©m ®Õn toµn bé hÖ thèng xãi mßn bïn c¸t trªn l−u vùc s«ng. Nguån sinh vµ tiªu hao bïn c¸t chñ yÕu ph¶i ®−îc x¸c ®Þnh vµ lÞch sö xãi mßn bïn c¸t l−u vùc s«ng ®−îc x¸c ®Þnh. Mét gi¶ thiÕt vÒ c©n b»ng lßng s«ng cÇn ®−îc kiÓm nghiÖm mét c¸ch cÈn thËn v× hÇu hÕt c¸c qu¸ tr×nh lßng s«ng lµ qu¸ tr×nh ®éng lùc häc, ®«i khi cã sù trÔ thêi gian ®Õn vµi thËp kû. 8.1.2 Thñy v¨n häc C¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n cña m−a vµ dßng ch¶y g©y ra c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn vµ bïn c¸t. V× thÕ c¸c nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn m−a hay dßng ch¶y sÏ ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn sù xãi mßn vµ bïn c¸t. Do vËy bÊt kú sù ph©n tÝch nµo vÒ qu¸ tr×nh xãi mßn, vËn chuyÓn bïn c¸t hay s¶n l−îng bïn c¸t ®Òu cÇn quan t©m ®Õn thñy v¨n häc. VÒ mÆt thñy v¨n häc, mét l−u vùc s«ng cã thÓ ®−îc kh¸i niÖm hãa khi cã c¸c thµnh phÇn dßng ch¶y trµn, dßng ch¶y trong kªnh vµ dßng ch¶y s¸t mÆt, trong ®ã dßng ch¶y trµn vµ dßng ch¶y trong s«ng cã liªn quan trùc tiÕp ®Õn qu¸ tr×nh xãi mßn vµ l¾ng ®äng. MÆc dï dßng ch¶y trµn lu«n lu«n ®−îc ph©n tÝch nh− lµ dßng ch¶y trªn mÆt réng nh−ng th«ng th−êng nã tËp trung trong c¸c kªnh nhá, cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc (Foster, 1971). BÊt kú mét sù xãi mßn nµo t¹o ra bëi dßng ch¶y trong c¸c kªnh nhá nµy ®Òu lµ sù xãi mßn r·nh. Sù xãi mßn trong vïng gi÷a c¸c r·nh lµ sù xãi mßn “liªn r·nh” (interrill) (Meyer vµ céng sù 1975). C¶ sù xãi mßn r·nh vµ xãi mßn liªn r·nh ®Òu ®−îc xem lµ c¸c qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt, vµ gäi lµ sù xãi mßn vïng ®Êt cao, lµ thuËt ng÷ phï hîp víi phÇn th¶o luËn nµy. N¬i cã dßng ch¶y kh«ng thÓ xÐt vÒ mÆt thñy v¨n häc hay thñy lùc häc nh− lµ dßng ch¶y trµn th× ®−îc coi lµ dßng ch¶y trong kªnh (dßng ch¶y lßng s«ng). Sù xãi mßn x¶y ra trong dßng ch¶y lßng s«ng ®−îc ®Þnh nghÜa vµ ph©n tÝch nh− dßng ch¶y tËp trung, m−¬ng xãi hay sù xãi mßn dßng ch¶y trong kªnh. 483
- C¸c r·nh th−êng ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ c¸c kªnh nhá dÔ bÞ xãi mßn, nã cã thÓ bÞ ph¸ hñy do canh t¸c (Hutchinson vµ céng sù 1976). Ngoµi ra ®é s©u cã thÓ ®−îc sö dông nh− lµ mét tiªu chuÈn, vÝ dô nh−: r·nh trë thµnh m−¬ng xãi nÕu ®é s©u cña nã > 300mm. Sù ph©n biÖt r·nh vµ m−¬ng dùa vµo ®é s©u gióp kh¶o s¸t tèt sù xãi mßn bëi v× nhµ kh¶o s¸t thùc ®Þa kh«ng ®−îc ®ßi hái ph¶i sö dông viÖc ®¸nh gi¸ ®Ó quyÕt ®Þnh liÖu mét r·nh cã ph¶i lµ m−¬ng haykh«ng. Víi môc ®Ých lµm m« h×nh, c¸c ®Æc tr−ng dßng ch¶y ®−îc chø kh«ng ph¶i lµ ®é s©u hay ®é réng m−¬ng quyÕt ®Þnh mét m¹ng l−íi kªnh lµ c¸c r·nh hay c¸c m−¬ng. C¸c r·nh th−êng ngô ý ®Õn mét sè lín c¸c sù tËp trung dßng ch¶y nhá ®−îc ph©n bè ®ång ®Òu trªn mét vïng, tr¸i l¹i sè l−îng c¸c m−¬ng hay kªnh th−êng rÊt Ýt. §«i khi ë c¸c c¸nh ®ång, ®Þa h×nh ®· tËp trugn c¸c dßng ch¶y trµn l¹i vµ sù xãi mßn cã thÓ x¶y ra nghiªm träng nÕu ®Êt kh«ng ®−îc b¶o vÖ. NÕu l−u vùc s«ng ®−îc ph©n tÝch theo kÝch th−íc khu vùc chøa dßng ch¶y tËp trung, sù xãi mßn nµy cã thÓ ®−îc ph©n tÝch nh− lµ sù xãi mßn trong kªnh. NÕu l−u vùc s«ng ®−îc ph©n tÝch lín h¬n nhiÒu vµ nguån sinh bïn c¸t nµy nhá trong mèi quan hÖ víi c¸c nguån kh¸c th× tèt h¬n lµ xem xÐt nã nh− lµ xãi mßn r·nh. Nh− vËy sù kh¸c biÖt gi÷a sù xãi mßn r·nh vµ sù xãi mßn kªnh lµ nh÷ng vÊn ®Ò mµ c¸c nhµ m« h×nh cÇn ph¶i quyÕt ®Þnh tïy theo tõng tr−êng hîp. 8.1.2 C¸c ®Æc ®iÓm xãi mßn – l¾ng ®äng cña c¸c l−u vùc nhá Mét l−u vùc nhá tiªu biÓu vµ c¸c thµnh phÇn mµ khi x©y dùng m« h×nh ph©n tÝch cã thÓ liªn quan ®Õn, tïy thuéc vµo øng dông cña nã vµ chuçi tõ mét vïng ®Êt cã mÆt c¾t ®ång nhÊt tíi vïng cã c¸c ®o¹n dßng ch¶y trµn phøc t¹p, cã nhiÒu kªnh vµ sù båi tô. TÇm quan träng cña c¸c ®Æc ®iÓm riªng phô thuéc vµo sù tån t¹i hay kh«ng tån t¹i cña chóng vµ møc ®é g©y ¶nh h−ëng cña chóng tíi qu¸ tr×nh xãi mßn vµ bïn c¸t. D−íi ®©y ®−a ra 4 vÝ dô minh häa. 1. Sù xãi mßn trªn mét phÉu diÖn ®Êt ®¬n gi¶n Mét phÉu diÖn ®Êt ®¬n gi¶n ®−îc chän tõ mét vïng ®Ó −íc l−îng sù xãi mßn cho mét diÖn tÝch tíi h¹n. Mét kÕ ho¹ch b¶o vÖ cho mét vïng cã thÓ dùa trªn c¬ së −íc l−îng xãi mßn cho mÆt c¾t nµy. Sù ph©n tÝch chØ liªn quan ®Õn 484
- mÆt c¾t ®· chän vµ qu¸ tr×nh xãi mßn dßng ch¶y trµn. MÆt c¾t ®¬n gi¶n nµy còng cã thÓ lµ mét bê ®ª. 2. S¶n l−îng bïn c¸t tõ 1 vïng n«ng nghiÖp tiªu biÓu Sù −íc l−îng s¶n l−îng bïn c¸t tõ mét vïng ®Êt n«ng nghiÖp kh«ng ®−îc l¾p ®Æt c¬ cÊu b¶o vÖ ®−îc ®Ò nghÞ khi lùa chän c¸ch qu¶n lý ®Ó khèng chÕ kiÓm tra sù vËn chuyÓn bïn c¸t tõ vïng ®ã. C¸c ®Êt ®ai cã thÓ thay ®æi trªn mét l−u vùc nh− lµ thay ®æi vÒ ®é dèc vµ chiÒu dµi dèc. Mïa mµng vµ viÖc qu¶n lý trªn l−u vùc còng cã thÓ kh¸c nhau. Sù xãi mßn vïng ®Êt cao x¶y ra hÇu nh− trªn toµn vïng. Ngoµi ra, ®Þa h×nh cña vïng nµy, gièng nh− ®Þa h×nh cña hÇu hÕt c¸c vïng kh¸c, lµ nguyªn nh©n cña sù tËp trung vµo c¸c dßng ch¶y vµ cã thÓ réng 1 - 2m. Trõ khi ®Êt ®ai trong c¸c l−u vùc tËp trung dßng ch¶y nµy ®−îc b¶o vÖ, th× sù xãi mßn nghiªm träng cã thÓ x¶y ra. Gièng nh− hÇu hÕt c¸c vïng, vïng nµy còng cã th¶m thùc vËt dµy ®Æc bao phñ xung quanh lµm cho dßng ch¶y chËm l¹i tr−íc khi ra khái l−u vùc hoÆc dßng ch¶y cã thÓ ch¶y qua cèng ngÇm d−íi mét con ®−êng khi nã ra khái l−u vùc. BÊt cø dÆc tr−ng nµo mµ cã thÓ hoÆc th−êng xuyªn t¸c ®éng ®Õn viÖc kh«ng chÕ dßng ch¶y mµ lµm ng−ng trÖ dßng th× ®Òu g©y nªn hiÖn t−îng l¾ng ®äng ®¸ng kÓ cña bïn c¸t. 3. S¶n l−îng bïn c¸t tõ vïng cã c¸c c«ng tr×nh b¶o vÖ Mét ®èi t−îng cña kÕ ho¹ch b¶o tån tèt lµ ®Ó gi¶m sù xãi mßn vµ s¶n l−îng bïn c¸t trong thùc tiÔn lµ t¹o c¸c thÒm, th¶m cá, vµ ng¨n dßng ch¶y còng nh− lµ c¸c biÖn ph¸p canh t¸c bÒn v÷ng. Xãi mßn r·nh vµ liªn r·nh xuÊt hiÖn trªn vïng nµy nh− ®· thÊy ë c¸c vÝ dô tr−íc ®©y. Khi dßng ch¶y trµn ch¶y ®Õn thÒm kªnh, nã trë thµnh dßng ch¶y tËp trung vµ cã thÓ cã hoÆc kh«ng lµm bïn c¸t l¾ng ®äng tïy thuéc vµo c¸c nh©n tè kh¸c nhau nh−: tèc ®é bïn c¸t trong dßng n−íc ®Õn tõ sù xãi mßn vïng ®Êt cao, l−u l−îng, vµ ®é dèc thÒm kªnh. Th−êng th× c¸c thÒm trèng khi vµo c¸c cèng dÉn n−íc, tïy thuéc vµo ®é dèc, thùc vËt bao phñ, dßng n−íc ®Õn vµ l−îng bïn c¸t cña dßng n−íc ®ã mµ bïn c¸t cã thÓ hoÆc kh«ng tÝch tô trong cèng dÉn n−íc. Cuèi cïng dßng ch¶y tõ cèng dÉn n−íc cã thÓ cã hoÆc cã thÓ kh«ng ch¶y qua mét thiÕt bÞ kiÓm tra tr−íc khi ch¶y ra khái khu vùc. 485
- NÕu dßng ch¶y xuyªn qua chç l¸t g¹ch nh− mét thÒm ng¨n n−íc th× qu¸ tr×nh l¾ng ®äng th−êng x¶y ra. Tuy nhiªn, l¾ng ®äng tïy thuéc vµo sè l−îng c¸c nh©n tè (c¸c nh©n tè bao gåm): ®é dÇy líp båi ®¾p, kÝch th−íc bïn c¸t vµ thêi gian ng¨n chÆn. 4. L−u vùc s«ng phøc t¹p Mét l−u vùc s«ng phøc t¹p cã tÊt c¶ c¸c ®Æc ®iÓm trong 3 vÝ dô trªn, x¶y ra trªn nhiÒu vïng cña l−u vùc s«ng, vµ thªm vµo ®ã nã cßn cã c¸c m−¬ng xãi, vµ dßng ch¶y trong c¸c kªnh x¸c ®Þnh. Sù ph¶n øng cña c¸c m−¬ng vµ kªnh liªn quan trùc tiÕp tíi l−îng ®−a vµo tõ th−îng nguån vµ khu vùc phÝa trªn s−ên. NÕu l−îng bïn c¸t ®Õn h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn trong kªnh, sù l¾ng ®äng x¶y ra vµ kªnh ®−îc båi ®¾p. Ng−îc l¹i nÕu l−îng bïn c¸t ®Õn nhá h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, c¸c kªnh cã kh¶ n¨ng bÞ bµo mßn. 8.1.3 Sù xãi mßn vïng ®Êt cao 1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n Sù bãc t¸ch, vËn chuyÓn vµ l¾ng ®äng lµ c¸c qu¸ tr×nh c¬ b¶n x¶y ra trªn c¸c vïng ®Êt cao. Sù bãc t¸ch x¶y ra khi cã t¸c ®éng m¹nh cña søc xãi cña h¹t m−a hay dßng ch¶y m¹nh v−ît qu¸ søc chÞu ®ùng cña ®Êt g©y xãi mßn. Sù vËn chuyÓn cña c¸c h¹t ®· ®−îc t¸ch khái khèi ®Êt do c¸c giät m−a vµ dßng ch¶y. Sù l¾ng ®äng x¶y ra khi träng t¶i bïn c¸t cña lo¹i h¹t mµ dßng ch¶y mang theo v−ît qu¸ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña nã. TÝnh t−¬ng ®èi quan träng cña c¸c qu¸ tr×nh c¬ b¶n nµy tïy thuéc vµo n¬i mµ c¸c qu¸ tr×nh nµy x¶y ra, trong r·nh hay trªn c¸c vïng liªn r·nh vµ trªn c¸c møc thay ®æi sù ®iÒu tiÕt. Sù xãi mßn trªn c¸c vïng liªn r·nh thùc chÊt lµ ®éc lËp víi sù xãi mßn trong c¸c r·nh, nh−ng sù xãi mßn trong r·nh phô thuéc nhiÒu vµo bïn c¸t ®−a ®Õn tõ c¸c vïng liªn r·nh. NÕu bïn c¸t trong dßng ch¶y ®Õn tõ vïng liªn r·nh v−ît qu¸ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y cña c¸c r·nh th× sù l¾ng ®äng x¶y ra. NÕu l−îng bïn c¸t ®Õn tõ c¸c khu vùc liªn r·nh nhá h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y cña c¸c r·nh vµ nÕu sù xãi mßn cña dßng ch¶y v−ît qu¸ søc chÞu ®ùng cña ®Êt trong c¸c r·nh dÉn ®Õn sù bãc t¸ch do dßng ch¶y vµ sù xãi mßn r·nh x¶y ra. 486
- HÇu hÕt sù chuyÓn ®éng ë ch©n s−ên cña bïn c¸t vïng ®Êt cao lµ do dßng ch¶y trong c¸c r·nh. MÆc dï kh¶ n¨ng vËn chuyÓn v−ît qu¸ cã thÓ tån t¹i trong c¸c vïng liªn r·nh nh−ng kh¶ n¨ng vËn chuyÓn nµy kh«ng lµm t¨ng thªm kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y trong c¸c r·nh. §iÒu nµy rÊt nhá nh−ng lµ ®iÓm chñ yÕu trong viÖc sö dông sè liÖu tõ c¸c diÖn tÝch thùc nghiÖm nhá (kho¶ng 1m x 1m) ®Ó −íc l−îng c¸c gi¸ trÞ tham sè cho c¸c m« h×nh xãi mßn. Ng−îc l¹i, kh¶ n¨ng vËn chuyÓn v−ît qu¸ trong c¸c r·nh kh«ng cã s½n ®Ó vËn chuyÓn bïn c¸t bÞ bãc t¸ch bëi t¸c ®éng cña h¹t m−a lªn c¸c vïng liªn r·nh. ë hÇu hÕt c¸c ®iÓm sù xãi mßn vØa vµ sù xãi mßn liªn r·nh cã t¸c ®éng nh− nhau. Kh«ng gièng nh− sù xãi mßn m−¬ng, lµ giai ®o¹n nghiªm träng nhÊt cña sù xãi mßn sau sù xãi mßn r·nh, sù xãi mßn liªn r·nh vµ sù xãi mßn r·nh x¶y ra trong cïng 1 giai ®o¹n cña sù xãi mßn. Sù xãi mßn vØa ®«i khi ®−îc ph©n lo¹i kh«ng phï hîp nh− lµ giai ®o¹n Ýt nghiªm träng h¬n sù xãi mßn r·nh. 2. C¸c nh©n tè chÝnh ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh xãi mßn vïng ®Êt cao Sù t¸ch rêi cña c¸c h¹t ®Êt lµ mét hµm cña c¸c lùc xãi cña h¹t m−a t¸c ®éng vµ n−íc ch¶y, kh¶ n¨ng dÔ bÞ ph¸ vì cña ®Êt, sù cã mÆt cña c¸c vËt chÊt lµm gi¶m lùc xãi vµ cÊu tróc cña ®Êt mµ lµm cho nã Ýt bÞ xãi mßn h¬n. Sù vËn chuyÓn lµ mét hµm c¬ b¶n cña c¸c lùc vËn chuyÓn cña c¸c nh©n tè vËn chuyÓn, kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña c¸c h¹t ®Êt ®· t¸ch rêi, vµ sù cã mÆt cña c¸c vËt chÊt mµ cã thÓ lµm gi¶m lùc vËn chuyÓn. Bªn c¹nh ®ã kh¶ n¨ng t¸ch rêi hay kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cã thÓ h¹n chÕ sù xãi mßn vµ tæng l−îng bïn c¸t t¹i mét vÞ trÝ trªn s−ên dèc nh− h×nh 8.1 (Ellision, 1947, Meyr vµ Wishmeier, 1969). T¹i mét vÞ trÝ x¸c ®Þnh trªn s−ên dèc, nÕu tæng l−îng bïn c¸t s½n cã cho vËn chuyÓn cã do qu¸ tr×nh t¸ch rêi mµ nhá h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, th× t¶i träng bïn c¸t di chuyÓn tíi ch©n s−ên sÏ lµ tæng l−îng bïn c¸t t¸ch rêi s½n cã cho vËn chuyÓn. Ng−îc l¹i, nÕu bïn c¸t cã s½n v−ît qu¸ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, sù l¾ng ®äng x¶y ra vµ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn sÏ khèng chÕ t¶i träng bïn c¸t. 487
- Bïn c¸t trong dßng ch¶y tõ phÝa trªn s−ên Bïn c¸t t¸ch rêi do t¸c ®éng cña h¹t m−a vµ Kh¶ n¨ng vËn chuyÓn dßng ch¶y bïn c¸t (chñ yÕu do dßng ch¶y t¨ng c−êng thªm do t¸c ®éng cña h¹t m−a) Bïn c¸t s½n cã cho vËn chuyÓn Lùc nµo Ýt h¬n Bïn c¸t ®−îc dßng ch¶y ®Ó l¹i trong ®o¹n s«ng ®ã H×nh 8.1 T−¬ng t¸c cña qu¸ tr×nh xãi ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh trªn mét ®o¹n cÊu tróc ®Êt tiªu biÓu a. Thñy v¨n M−a vµ dßng ch¶y cung cÊp n¨ng l−îng ®Çu vµo chÝnh cho qu¸ tr×nh xãi mßn. Mét m« h×nh thñy v¨n häc dßng ch¶y ®−îc thõa nhËn lµ s½n cã ®Ó tÝnh to¸n c¸c ®Çu vµo thñy v¨n. Sau ®ã sÏ biÓu diÔn c¸c thµnh phÇn xãi mßn qua c¸c ®Æc tr−ng m−a vµ dßng ch¶y. b. §Þa h×nh Sù xãi mßn lµ 1 hµm cña: chiÒu dµi dèc, ®é dèc vµ h×nh d¹ng. VÒ c¬ b¶n: c¸c nh©n tè nµy lµm biÕn ®æi n¨ng l−îng cña c¸c ®Çu vµo thñy v¨n. c. TÝnh dÔ xãi mßn cña ®Êt 488
- Mét sè lo¹i ®Êt tù nhiªn dÔ bÞ xãi mßn h¬n c¸c lo¹i ®Êt kh¸c (Wischmeier vµ Mannering, 1909). Kh¶ n¨ng bÞ ph¸ vì cña ®Êt do t¸c ®éng cña h¹t m−a kh¸c víi kh¶ n¨ng bÞ ph¸ vì cña nã do dßng ch¶y (Meyer vµ céng sù 1975b). C¸c kÕt h¹t míi bÞ l¾ng ®äng d−êng nh− dÔ bÞ xãi mßn h¬n ®Êt tr¬ ®Ó lÆp l¹i c¸c qu¸ tr×nh thÊm −ít, hong kh« vµ bÞ nÐn chÆt. Kh¶ n¨ng xãi mßn cã thÓ gi¶m nhiÒu nÕu thùc hiÖn qu¶n lý ®Êt tèt. Ng−îc l¹i, nã cã thÓ t¨ng do sù xãi mßn lµm di chuyÓn ®Êt bÒ mÆt vµ sù canh t¸c lµm cho ®Êt s¸t mÆt dÔ bÞ xãi mßn h¬n. Sù canh t¸c liªn tôc lµm ph¸ vì cÊu tróc ®Êt, lµm c¹n kiÖt hµm l−îng chÊt h÷u c¬ vµ v× thÕ lµm t¨ng kh¶ n¨ng xãi mßn. d. Kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña ®Êt C¸c h¹t ®Êt rêi r¹c cã thÓ ®−îc vËn chuyÓn dÔ dµng. §Êt bÞ xãi mßn thµnh c¸c h¹t c¬ b¶n (c¸t, bïn vµ sÐt) vµ c¸c kÕt h¹t (tæ hîp cña c¸c h¹t c¬ b¶n). KÝch th−íc cña c¸c kÕt h¹t trong kho¶ng tõ 2µm tíi 500µm víi tØ träng t−¬ng ®èi kho¶ng 1,8 (eg; log), 1964, Moldenhauer vµ Kosueara, 1968). Bïn c¸t ®−îc t¹o ra bëi sù xãi mßn vïng ®Êt cao th−êng lµ hçn hîp c¸c lo¹i h¹t nµy. Nh−ng c¸c tØ lÖ lµ c¸c hµm cña c¸c ®Æc tr−ng ®Êt, cña tØ lÖ gi÷a bïn c¸t ®Õn tõ r·nh víi bïn c¸t ®Õn tõ vïng liªn r·nh vµ sù ph©n lo¹i tõ sù l¾ng ®äng phÝa trªn s−ên. e. Líp phñ Líp phñ bao gåm: T¸n l¸ thùc vËt, th¶m môc, x¸c thùc vËt hay c¸c thùc vËt trång dµy ®Æc ë chç tiÕp xóc trùc tiÕp víi bÒ mÆt ®Êt cã t¸c ®éng tíi sù xãi mßn lín h¬n bÊt kú mét nh©n tè ®¬n nµo kh¸c. T¸n c©y ng¨n c¸c h¹t m−a vµ nÕu nã che kÝn mÆt ®Êt, n−íc giät xuèng tõ c¸c l¸ c©y cã Ýt n¨ng l−îng h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c giät m−a kh«ng bÞ ch¾n (Wischmeier, 1975). Tuy nhiªn, nhiÒu t¸n c©y cã nh÷ng chç hë ®Ó cho giät m−a r¬i th¼ng xuèng bÒ mÆt ®Êt vµ ph¸ vì c¸c h¹t ®Êt. VËt chÊt tiÕp xóc bÒ mÆt ®Êt cã hiÖu lùc lµm gi¶m sù xãi mßn so víi mét t¸n che. N¬i mµ bÒ mÆt ®Êt ®−îc che phñ kh«ng x¶y ra sù ph¸ vì bëi giät m−a bëi v× kh«ng cã kho¶ng c¸ch r¬i cho c¸c h¹t n−íc ®Ó thu ®−îc n¨ng l−îng. Ngoµi ra vËt chÊt ®ã lµm gi¶m tèc ®é cña dßng ch¶y, lµm t¨ng ®é s©u dßng ch¶y. Sù t¨ng ®é s©u dßng ch¶y lµm gi¶m sù ph¸ vì do lµm gi¶m t¸c ®éng 489
- cña c¸c giät m−a vµ lµm gi¶m c¸c lùc t¸c dông thñy ®éng lùc häc cña chóng (Metchler vµ Joung, 1975). Líp phñ tiÕp xóc bÒ mÆt ®Êt còng lµm gi¶m kh¶ n¨ng xãi mßn cña dßng ch¶y vµ c¸c lùc vËn chuyÓn, do ®ã lµm gi¶m lín sù xãi mßn liªn r·nh. C¸c th¶m cá vµ th¶m môc dµy cã thÓ g©y ra sù l¾ng ®äng vµ läc bïn c¸t tõ dßng ch¶y. f. C¸c thµnh phÇn cßn l¹i C¸c thµnh phÇn r¸c c©y n«ng nghiÖp mçi n¨m, t¹o thµnh vµ duy tr× hµm l−îng thµnh phÇn chÊt h÷u cã cña ®Êt do ®ã gióp cho viÖc khèng chÕ sù mÊt ®Êt (Wischmeier vµ smith, 1978). Nh÷ng phÇn ®−îc che phñ cã vai trß gièng nh− sù t¸c ®éng lªn sù xãi mßn liªn r·nh ®−îc bá qua, mÆc dï c¶ sù xãi mßn liªn r·nh vµ xãi mßn liªn r·nh ®Òu gi¶m nhiÒu lÇn do c¸c phÇn che phñ nµy bÞ ph¬i ra. Qua nhiÒu n¨m, sù ®iÒu chØnh cã thÓ trë thµnh cèt yÕu, nh− sù ¶nh h−ëng cña r×a sa m¹c. g. PhÇn ®Êt sö dông cßn l¹i Sù xãi mßn t¹i mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh tïy thuéc vµo lÞch sö qu¶n lý tr−íc ®ã. (Wischmeier, 1960). Mét vïng míi cµy bõa th× kh¶ n¨ng bÞ xãi mßn Ýt h¬n nhiÒu so víi vïng cµy bõa liªn tôc. Bé rÔ tèt vµ sù c¶i t¹o cÊu tróc ®Êt ®ång cá ®Æc biÖt ¶nh h−ëng tíi sù duy tr× tèc ®é thÊm cao, b¶o vÖ ®Êt, chèng l¹i c¸c lùc xãi mßn vµ lµm gi¶m kh¶ n¨ng dÔ bÞ xãi mßn cña ®Êt. Canh t¸c liªn tôc trong 2-3 n¨m, c¸c ¶nh h−ëng nµy kh«ng cßn n÷a (Wishmeier vµ Smith 1978) h. Nh÷ng ¶nh h−ëng s¸t mÆt C¸c rÔ c©y, ®Æc biÖt lµ bé rÔ cá vµ c¸c c©y xanh, cã t¸c dông gi÷ ®Êt vµ lµm t¨ng kh¶ n¨ng thÊm. Mét bé rÔ cá ph¸t triÓn m¹nh cã thÓ lµm gi¶m 75% sù xãi mßn (Whishmeier 1975) i. Sù canh t¸c Canh t¸c ®«i khi lµ mét c¬ chÕ ph¸ vì, nã t¹o ra mét nguån cung cÊp liªn tôc c¸c thÓ rêi r¹c (c¸c kÕt h¹t rêi r¹c) sù canh t¸c d−êng nh− lµm t¨ng sù xãi mßn r·nh nhiÒu h¬n lµ t¨ng xãi mßn liªn r·nh. LÆp l¹i qu¸ tr×nh thÊm −ít, hong kh« vµ nÐn chÆt do giao th«ng ®i l¹i lµm liªn kÕt c¸c thÓ (kÕt h¹t) rêi r¹c vµ ®Êt trë nªn Ýt bÞ xãi mßn h¬n. §Êt kh«ng canh t¸c sau 6 n¨m - kh¶ n¨ng bÞ 490
- xãi mßn chØ = 40% kh¶ n¨ng bÞ xãi mßn ngay sau khi canh t¸c lÇn cuèi cïng (Wishmeier, 1975) Ngay sau khi canh t¸c, sù xãi mßn liªn r·nh cã thÓ lín. Do c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn, ®¸y cña c¸c r·nh cã thÓ ®¹t tíi ®¸y cña líp kh«ng ®−îc cµy xíi, ë ®ã ®Êt t−¬ng ®èi khã bÞ xãi mßn. V× vËy tèc ®é xãi mßn gi¶m víi bÊt kú sù xãi mßn tiÕp theo nµo vµ lµ 1 hµm cña ph¹m vi xãi mßn tr−íc ®ã. j. §é nh¸m §é nh¸m, hoÆc lµ cã d¹ng nh÷ng c¸i tói hoÆc nh÷ng chç gå ghÒ mµ dù tr÷ n−íc trong nh÷ng vòng rÊt nhá, lµm gi¶m kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y ®i rÊt nhiÒu vµ cã thÓ g©y ra sù l¾ng ®äng ®¸ng kÓ. Do nh÷ng vïng dù tr÷ nµy ®−îc lÊp ®Çy sù ph©n phèi bïn c¸t t¨ng nhanh. k. Nh÷ng vÕt cµy xíi Nh÷ng lèi cµy th¼ng däc mét qu¶ ®åi th«ng th−êng lµm t¨ng xãi mßn r·nh trong khi nh÷ng luèng cµy trªn ®−êng vßng quanh ngang qu¶ ®åi th−êng lµm gi¶m sù xãi mßn r·nh (Wishmeier vµ Smith 1978). Dßng ch¶y trong luèng cµy vßng quanh ngang qua qu¶ ®åi lµm gi¶m nhiÒu sù ¶nh h−ëng cña sù thay ®æi dßng ch¶y (gradien dßng ch¶y). Mét l−îng ®¸ng kÓ bïn c¸t bÞ xãi mßn tõ nh÷ng luèng cµy vµ c¸c r·nh ë s−ên dèc th−êng xuyªn bÞ l¾ng ®äng trong nh÷ng luèng cµy trªn ®−êng bao quanh.Tuy nhiªn, dßng ch¶y däc ®−êng bao quanh, cuèi cïng tËp trung ë nh÷ng chç tròng. NÕu dung tÝch dßng ch¶y v−ît qu¸ kh¶ n¨ng chøa cña nh÷ng chç tròng phÝa sau luèng, th× dßng ch¶y ph¸ vì c¸c thµnh luèng vµ g©y nªn sù xãi mßn r·nh nghiªm träng. 2. Nh÷ng nh©n tè t¸c ®éng chÝnh a. N−íc tõ th−îng l−u C¶ dßng ch¶y ®Õn vµ bïn c¸t ®Òu ¶nh h−ëng ®Õn ®éng th¸i cña kªnh. NÕu t¶i träng bïn c¸t ®Õn v−ît qu¸ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y, th× x¶y ra sù l¾ng ®äng. NÕu t¶i träng bïn c¸t nhá h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y th× cã thÓ x¶y ra sù xãi mßn. Trong c¸c kªnh mµ ë ®ã sù l¾ng ®äng ®· x¶y ra tr−íc ®ã trong suèt thêi gian xãi mßn vïng ®Êt cao, s¶n l−îng bïn c¸t cã thÓ tiÕp tôc cã mét tû lÖ cao sau khi bïn c¸t vïng ®Êt cao bÞ chÆn l¹i (do bïn c¸t ®· l¾ng ®äng tr−íc ®ã bÞ xãi mßn). 491
- b. Kh¶ n¨ng xãi mßn cña ®Êt Mét sè lo¹i ®Êt dÔ bÞ xãi mßn h¬n c¶ lo¹i ®Êt kh¸c. H¬n n÷a, kh¶ n¨ng xãi mßn cña ®Êt bÞ l¾ng ®äng tuú thuéc vµo lo¹i bïn c¸t (mÞn hay th«) vµ tuú thuéc vµo sù thÊm −ít, hong kh« vµ nÐn chÆt do giao th«ng ®i l¹i. Ngoµi ra hµm l−îng Èm khi ®Êt bÞ nÐn chÆt vµ thêi gian tõ lÇn cuèi cïng cÊu tróc ®Êt bÞ ph¸ vì còng ¶nh h−ëng ®Õn kh¶ n¨ng xãi mßn (Grissinger,1966). c. Kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña ®Êt Bïn c¸t trong lßng s«ng cã kÝch th−íc cã thÓ tõ kÝch th−íc c¸c h¹t sÐt tíi kÝch th−íc c¸c h¹t c¸t, vµ tõ c¸c kÕt h¹t tíi c¸c h¹t c¬ b¶n. Mét sè c¸c h¹t chuyÓn ®éng nh− bïn c¸t ®¸y dÔ bÞ l¾ng ®äng, mét sè lo¹i h¹t kh¸c nh− c¸c h¹t sÐt, chuyÓn ®éng l¬ löng vµ dÞch chuyÓn ®i mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã tr−íc khi bÞ l¾ng ®äng. H¬n n÷a, mét sè kÕt h¹t cã thÓ bÞ ph¸ vì trong mét qu¸ tr×nh vËn chuyÓn vµ t¹o ra c¸c h¹t c¬ b¶n. d. Sù canh t¸c Sù canh t¸c lµm t¬i ®Êt vµ d−êng nh− lµm cho nã dÔ bÞ xãi mßn h¬n do dßng ch¶y e. TÇng kh«ng bÞ xãi mßn Th«ng th−êng c¸c kªnh trªn thùc tÕ sÏ xãi mßn h−íng xuèng phÝa d−íi kh«ng s©u h¬n ®é s©u cña luèng cµy b»ng mét dông cô nh− c¸i cµy hay ®Üa. Nã lµm gi¶m m¹nh sù xãi mßn kªnh khi tr¶i qua c¸c c¬n m−a liªn tiÕp. T−¬ng tù, líp kh«ng xãi mßn nh−: ®¸ hay kªnh cøng ®· ph¸t triÓn bëi sù xãi mßn chän läc lµm gi¶m sù xãi mßn trong c¸c kªnh réng h¬n. f. Líp phñ Líp phñ thùc v©t trong mét con kªnh lu«n lµm gi¶m lín sù xãi mßn kªnh. MËt ®é thùc vËt dÇy ®Æc th−êng g©y ra sù l¾ng ®äng. Cá ë cèng tho¸t n−íc lµ mét vÝ dô ®iÓn h×nh. g. ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn kªnh ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn kªnh trªn ®é cao gÇn s¸t kªnh lµm gi¶m tèc ®é dßng ch¶y, kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña ®−êng ch¶y gi¶m, kÕt qu¶ lµ cã thÓ s¶y ra sù l¾ng ®äng. Mét khu vùc bao quanh hay mét cèng ngÇm lµ c¸c vÝ dô cña c¸c 492
- kiÓu thiÕt bÞ khèng chÕ nµy. NÕu thiÕt bÞ khèng chÕ ë d−íi kªnh, headcut cã thÓ ph¸t triÓn vµ lµm cho sù xãi mßn m¹nh lªn khi nã v−ît lªn phÝa trªn s−ên. Headcut lµ ®Æc tr−ng tiªu biÓu cho nhiÒu m−¬ng xãi ®Æc biÖt trong c¸c kªnh cña T©y Nam Iowa (Piest vµ nnk. 1975). h. §é bÒn v÷ng cña thµnh kªnh NhiÒu kªnh ®−îc më réng bëi sù bïn ho¸ c¸c thµnh kªnh. Dßng ch¶y trong kªnh cã thÓ ®µo s©u thµnh kªnh lµm t¨ng ®é Èm trong thµnh, cã thÓ lµm gi¶m tÝnh bÒn v÷ng cña chóng x¶y ra sù sôt lë s−ên dèc vµ vËt chÊt lë vµo dßng ch¶y. Dßng ch¶y cã thÓ mang bïn c¸t nµy ®i nhanh hoÆc nÕu dßng ch¶y kh«ng ®ñ m¹nh ®Ó xãi mßn vµ vËn chuyÓn toµn bé ®Êt ®¸ do sôt lë th× m−¬ng trë nªn æn ®Þnh (Pust vµ céng sù, 1975). i. §é cong cña kªnh Sù xãi mßn m¹nh víi c−êng ®é lín cã thÓ x¶y ra ë nh÷ng chç uèn cong cña kªnh, ë ®ã c¸c øng suÊt tr−ît cña dßng ch¶y lín (ASCE,1975) 8.2 M« h×nh ho¸ xãi mßn vïng ®Êt cao M« h×nh ho¸ xãi mßn vïng ®Êt cao ®−a ra mét nhËn ®Þnh vÒ c¸c qu¸ tr×nh xãi mßn kh¸c nhau, vµ b−íc tiÕp theo lµ t×m ra vµ gi¶i c¸c biÓu diÔn to¸n häc m« t¶ sù xãi mßn vïng ®Êt cao. 8.2.1 TÝnh liªn tôc Kh¸i niÖm chÝnh trong c¸c m« h×nh xãi mßn vïng ®Êt cao lµ: Tæng l−îng bïn c¸t ®−îc khèng chÕ bëi tæng l−îng bïn c¸t s½n cã cho vËn chuyÓn bëi qu¸ tr×nh ph¸ vì hay bëi kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña c¸c nh©n tè vËn chuyÓn (Meyer vµ Wishmeier,1969). H×nh 81 lµ biÓu ®å m« t¶ kh¸i niÖm nµy vµ thùc tÕ lµ mét d¹ng cña ph−¬ng tr×nh liªn tôc. Ph−¬ng tr×nh liªn tôc th−êng ®−îc sö dông trong m« h×nh ®éng lùc häc cña sù xãi mßn vïng ®Êt cao lµ (Bennett, 1974): ∂q s / ∂x + ρ s ∂ (cy) / ∂t = D r + D l (8.1) 493
- trong ®ã qs = t¶i träng bïn c¸t (khèi l−îng/1 ®¬n vÞ chiÒu réng x 1 ®¬n vÞ thêi gian); x = kho¶ng c¸ch däc theo chiÒu dèc; ρs = mËt ®é khèi cña c¸c h¹t bïn c¸t; c = nång ®é bïn c¸t trong dßng ch¶y: (khèi l−îng bïn c¸t / mét ®¬n vÞ thÓ tÝch dßng ch¶y); y = ®é dÇy dßng ch¶y; t = thêi gian; Dr = tèc ®é xãi mßn r·nh (khèi l−îng bÞ xãi mßn /mét ®¬n vÞ diÖn tÝch. mét ®¬n vÞ thêi gian); Dl: tèc ®é ph©n phèi cña bïn c¸t tõ c¸c vïng r·nh (khèi l−îng/mét ®¬n vÞ diÖn tÝch. mét d¬n vÞ thêi gian). Dßng ch¶y vµ bïn c¸t ®−îc thõa nhËn lµ ®−îc ph©n bè ®ång ®Òu qua dèc vµ v× thÕ sù thay ®æi cña y ®−îc trung b×nh ho¸ vµ qs, Dr,vµ Dl ®−îc biÓu diÔn trªn toµn bé chiÒu réng hay toµn bé diÖn tÝch l−u vùc mÆc dï c¸c qu¸ tr×nh, qu¸ tr×nh cã thÓ x¶y ra trªn mét diÖn tÝch ®−îc giíi h¹n. C¸c sè h¹ng ph©n t¸n ®−îc bá qua trong ph−¬ng tr×nh (8.1). Sè h¹ng ∂qs/∂x lµ l−îng bïn c¸t thªm vµ hay mÊt ®i theo trong kho¶ng c¸ch; ρδ∗∂(Cy)/∂t lµ tèc ®é tÝch tr÷ bïn c¸t trong ®é s©u dßng ch¶y, vµ D0, Dl lµ sù gia t¨ng bïn c¸t tõ dßng ch¶y tíi- Trong mét sè tr−êng hîp, cã thÓ thõa nhËn r»ng sù chuyÓn ®éng cña bïn c¸t gÇn nh− æn ®Þnh vµ víi thõa nhËn nµy ph−¬ng tr×nh liªn tôc cã d¹ng sau (Custor, 1976; Foster vµ Huggins 1977, Thomas,1976) chñ yÕu dùa trªn d¹ng liªn tôc ®· ®−îc biÓu diÔn b»ng h×nh 8.1. dqs/dx = Dr + Dl (8.2) Sè h¹ng tÝch tr÷ còng ®−îc bá qua trong ph©n tÝch sù vËn chuyÓn bïn c¸t ®¸y (Chang vµ Hill, 1976). 8.2.2 Mèi quan hÖ gi÷a l−îng bïn c¸t vµ sù l¾ng ®äng Thõa nhËn r»ng ®é s©u dßng ch¶y y trong ph−¬ng tr×nh (8.1) lµ ®· biÕt tõ c¸c tÝnh to¸n thñy v¨n kh¸c. Nh−ng qs, Dr, Dl th× kh«ng thÓ thay ®æi (biÕn ®æi) ®éc lËp. Sù ph¸ vì r·nh (hay l¾ng ®äng) Dr cã thÓ ®−îc gi¶ thiÕt lµ tØ lÖ thuËn víi hiÖu cña kh¶ n¨ng vËn chuyÓn bïn c¸t vµ t¶i träng bïn c¸t (Foster vµ Meyer,1975 Suming vµ céng sù 1977) 494
- Dr = α(TC - qs) (8.3) trong ®ã α = hÖ sè ph¶n nghÞch bËc mét ®èi víi sù l¾ng ®äng (1/ ®¬n vÞ chiÒu dµi); vµ TC = kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña dßng ch¶y (khèi l−îng trªn mét ®¬n vÞ chiÒu réng trong mét ®¬n vÞ thêi gian). Fosten vµ Meyer (1972a) ®· viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh xãi mßn nh− sau: (Dr/Drc) + (qs/Tc) = 1 (8.4) trong ®ã: Dr = tèc ®é ph¸ vì kh¶ n¨ng cña sù xãi mßn r·nh (khèi l−îng trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch trong mét ®¬n vÞ thêi gian). Tèc ®é xãi mßn r·nh cùc ®¹i ®−îc thõa nhËn lµ xÈy ra khi kh«ng cã bïn c¸t. HÖ sè α cho xãi mßn tÝnh b»ng: Drc/ Tc Ph−¬ng tr×nh (8.3) vµ (8.4) ®· ®−a ra kh¸i niÖm r»ng t¶i träng bïn c¸t cã thÓ kh¸c víi kh¶ n¨ng vËn chuyÓn. Sù l¾ng ®äng bëi dßng ch¶y x¶y ra khi t¶i träng bïn c¸t v−ît qu¸ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn. Sù ph¸ vì do dßng ch¶y cã kh¶ n¨ng x¶y ra khi kh¶ n¨ng vËn chuyÓn lín h¬n t¶i träng bïn c¸t. Kh¶ n¨ng ph¸ vì cã thÓ ®Þnh nghÜa dùa trªn c¬ së c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa ph−¬ng nh−ng tèc ®é ph¸ vì thùc tÕ phô vµo møc ®é bï vµo sù thiÕu hôt cña t¶i träng bïn c¸t so víi kh¶ n¨ng v©n chuyÓn. C¸c ph−¬ng tr×nh (8.3) vµ (8.4) thÝch hîp víi hÇu hÕt víi sù l¾ng ®äng cña t¶i träng bïn c¸t l¬ löng. N¨m 1968 Einstein ®· sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh (8.3) vµ (8.4) thÝch hîp cho sù l¾ng ®äng cña bïn l¬ löng vµ sái ®¸y trong dßng ch¶y kªnh vµ còng ®−îc Foster vµ Huggins (1977), Davis (1978) sö dông cho l¾ng ®äng cña c¸c dßng ch¶y trµn. C¸c ph−¬ng tr×nh thÝch hîp yÕu h¬n víi sù xãi mßn mÆc dï n¨m 1970, Apmar vµ Runner ®· chØ ra mét ¶nh h−ëng t−¬ng tù tíi sù xãi mßn vµ sù l¬ löng cña bïn c¸t kh«ng dÝnh. C¸c ph−¬ng tr×nh lµ mét sù ®¬n gi¶n ho¸ cña ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®Çy ®ñ h¬n cã thµnh phÇn ph©n t¸n. 495
- B¶ng 8.1 C¸c gi¸ trÞ quan tr¾c cña hÖ sè ph¶n nghÞch l¾ng ®äng α cho Dr = α(TC - qs) (nguån t− liÖu tõ Foster vµ Huggins, 1977; vµ Davis, 1978) Lo¹i h¹t §−êng kÝnh Träng l−îng L−îng m−a Kho¶ng gi¸ trÞ h¹t bïn c¸t riªng m« pháng, α 30mm/h (µm) (m-1) C¸t 342 2.59 No 13 ÷ 33 C¸t 342 2.59 Yes 3 ÷ 13 C¸t 150 2.59 No 13 ÷ 33 C¸t 150 2.59 Yes 3 ÷ 13 Than ®¸ 342 1.55 No ≅ 13 Than ®¸ 342 1.55 Yes ≅3 Than ®¸ 156 1.65 No ≅ 13 Than ®¸ 156 1.65 Yes ≅3 Trªn c¬ së nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm cña Toller vµ céng sù (1976) vÒ sù l¾ng ®äng trong cá nh©n t¹o thÊy r»ng α t¨ng khi: (1) sè Reynold t¨ng dùa trªn kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®inh (nã biÓu thÞ cho sù t¨ng chuyÓn ®éng rèi vµ gi¶m sù l¾ng ®äng) (2) tèc ®é r¬i gi¶m (biÓu thÞ cho sù l¾ng ®äng chËm h¬n vµ do ®ã bÞ gi÷ l¹i h¬n trong mét kho¶ng cho tr−íc). (3) l−u l−îng dßng ch¶y t¨ng (biÓu thÞ r»ng mét l−u l−îng lín h¬n lµm gi¶m thêi gian l¾ng ®äng) Foster vµ Huggins (1977) vµ Davis (1978) ®· nhËn ra r»ng α gi¶m khi c¸c h¹t dÔ ë tr¹ng th¸i l¬ löng xuÊt hiÖn khi h¹t cã tèc ®é r¬i nhá vµ khi cã hiÖn t−îng rèi do t¸c ®éng cña h¹t m−a. Sù gi¶m α chØ ra r»ng c¸c h¹t di chuyÓn xa h¬n tr−íc khi chóng l¾ng ®äng. C¸c gi¸ trÞ quan tr¾c tõ thùc nghiÖm sù l¾ng ®äng do dßng ch¶y trµn cña Foster, Huggins vµ Davis ®−îc ®−a ra trong b¶ng (8.1). Xem xÐt c¸c sè liÖu nµy vµ kÕt qu¶ cña Enstein vÒ sù l¾ng ®äng cña bïn bëi dßng ch¶y trong kªnh, ph−¬ng tr×nh sau d−êng nh− thÝch hîp ®Ó −íc l−îng α cña sù l¾ng ®äng bëi dßng ch¶y mÆt: 496
- α = 0.5 Vs/q (8.5) trong ®ã Vs = tèc ®é r¬i vµ q= l−u l−îng trªn mét ®¬n vÞ bÒ réng 8.2.3 Sù t¸c ®éng qua l¹i gi÷a sù ph¸ vì r·nh, liªn r·nh vµ t¶i träng bïn c¸t Tr−íc khi m« t¶ ¶nh h−ëng cña t¶i träng bïn c¸t lªn sù ph¸ vì r·nh, th× sù ph¸ vì liªn r·nh vµ mèi liªn hÖ cña nã víi t¶i träng bïn c¸t cÇn ®−îc xem xÐt. ë nh÷ng vïng mµ dßng ch¶y ®ang lµm l¾ng ®äng bïn c¸t trªn mét diÖn tÝch réng nh− ë ch©n s−ên lâm, mét gi¶ thiÕt logic lµ sù ph¸ vì liªn r·nh kh«ng x¶y ra. Tuy nhiªn, khi c¸c m« h×nh ®−îc viÕt tæng qu¸t, sù l¾ng ®äng nµy kh«ng thÓ ph©n biÖt víi sù l¾ng ®äng mµ x¶y ra th−êng xuyªn ë gi÷a c¸c r·nh, ®Æc biÖt nÕu c¸c r·nh trªn mét s−ên ph¼ng. Trong ch−¬ng nµy, sù ph¸ vì liªn r·nh vµ ph©n bè lu«n ®−îc thõa nhËn lµ hoµn toµn kh«ng bÞ ¶nh h−ëng bëi sù l¾ng ®äng bëi dßng ch¶y. NÕu kh«ng cã c¬ chÕ ®Ó ®−a c¸c h¹t vµo trong dßng ch¶y, hÇu hÕt c¸c quan hÖ vËn chuyÓn cã mét øng suÊt nhít tíi h¹n sÏ ®¸nh gi¸ thÊp t¶i träng bïn c¸t. Do ®ã sù ph©n bè liªn r·nh ®−îc thõa nhËn x¶y ra víi tèc ®é kh¶ n¨ng cña nã vµ ®−a bïn c¸t liªn r·nh vµo dßng ch¶y. NÕu dßng ch¶y kh«ng ®ñ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, bïn c¸t liªn r·nh nµy sÏ bÞ l¾ng ®äng víi tèc ®é ®−îc m« t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh (8.3). MÆc dï ph−¬ng tr×nh (8.3) ®−a ra ®Ó m« t¶ sù l¾ng ®äng chËm cu¶ c¸c h¹t nhá, quan hÖ ®ã nãi chung kh«ng yªu cÇu m« t¶ sù ph¸ vì r·nh cho ®Êt kÕt dÝnh. V× sù xãi mßn r·nh cña ®Êt kÕt dÝnh cã xu h−íng ®−îc ph©n bè t¹i mét headcut vµ flowchute (Meyer et al 1978a). Ph¸ vì r·nh ®−îc gi¶ thiÕt x¶y ra víi tèc ®é kh¶ n¨ng, ngo¹i trõ mét sè giíi h¹n ®Ó tr¸nh nh÷ng kÕt qu¶ v« nghÜa (Foster 1976). NÕu t¶i träng bïn c¸t nhá h¬n kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, sù ph¸ vì r·nh bÞ giíi h¹n bëi møc ®é nhá h¬n mµ bï vµo phÇn thiÕu hôt cña kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, hay kh¶ n¨ng ph¸ vì r·nh. Ngoµi ra, sù ph¸ vì bëi dßng ch¶y bëi dßng ch¶y kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi sù l¾ng ®äng ®ang x¶y ra. 497
- 8.2.4 Gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh Kh«ng cã lêi gi¶i chung cho c¸c ph−¬ng tr×nh (8.1)- (8.4). V× vËy trong hÒu hÕt tr−êng hîp tæng qu¸t, cã thÓ gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ. Tuy nhiªn, trong vµi tr−êng hîp cho c¶ c¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh vµ kh«ng æn ®Þnh cã thÓ cã vµi lêi gi¶i gi¶i tÝch. Ngoµi ra, c¸c bµi to¸n phøc t¹p cã thÓ ®−îc rót ngän ®−a vÒ d¹ng cã thÓ ¸p dông ®−îc ph−¬ng ph¸p gi¶i ph©n tÝch. VÝ dô, mét s−ên dèc phøc t¹p cã thÓ xÊp xØ (lÊy gÇn ®óng) b»ng mét d·y c¸c s−ên dèc ®ång nhÊt ®· cã lêi gi¶i nÕu thõa nhËn c¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh vµ b¸n æn ®Þnh. C¸c lêi gi¶i gi¶i tÝch ®«i khi cã thÓ ®−îc ¸p dông tõng lóc ®Ó c¸c phÐp tÝch cã hiÖu qu¶ h¬n vµ cã ®é chÝnh x¸c cao h¬n. Ngoµi ra ph−¬ng ph¸p gi¶i gi¶i tÝch cung cÊp cho ta mét ph−¬ng ph¸p kiÓm tra ph−¬ng ph¸p gi¶i sè trÞ. Kh«ng kÓ ®Õn ®Õn bµi to¸n æn ®Þnh hay mang tÝnh ®éng lùc, c¸c biÕn ®éc lËp cho c¸c ph−¬ng tr×nh (8.1)- (8.4) lµ ®é s©u dßng ch¶y y; tèc ®é ph©n phèi liªn r·nh Dl, kh¶ n¨ng ph¸ vì xãi mßn r·nh: Drc; vµ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn Tc. Ph©n tÝch thuû v¨n häc cung cÊp ®é s©u dßng ch¶y. C¸c quan hÖ víi c¸c biÕn kh¸c sÏ ®−îc bµn ®Õn trong phÇn sau. 1. C¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh s−ên dèc ®ång nhÊt a. L¾ng ®äng d−íi t¸c ®éng qua l¹i gi÷a c¸c t¶i bïn c¸t vµ kh¶ n¨ng vËn chuyÓn: Lêi gi¶i cho c¸c ph−¬ng tr×nh (8.2) vµ (8.3) trong c¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh, mét ®o¹n ®ång nhÊt, vµ h»ng sè α vµ dTc/dx trªn ®o¹n ®ã lµ: (Foster vµ Meyn 1975) Dr = (dTc/dx - Dl) + C' exp (-αx) (8.6) trong ®ã: C’ = h»ng sè tÝch ph©n ®−îc x¸c ®Þnh tõ C' = [Dru - (dTc/dx - Dl)] . exp (αxu) (8.7) trong ®ã : Dru = tû lÖ ®· biÕt cña Dr t¹i xu, cã thÓ −íc l−îng b»ng 498
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Giáo trình cao học Thủy lợi Mô hình toán Thủy văn - PGS.TS. Lê Văn Nghinh (chủ biên)
163 p | 402 | 116
-
MÔ HÌNH TOÁN VỀ THUỶ VĂN
194 p | 164 | 37
-
Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - chương mở đầu
17 p | 157 | 33
-
Mô hình toán thủy thủy văn part 1
17 p | 120 | 25
-
Mô hình toán thủy văn lưu vực nhỏ - Chương 2: Các mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn
96 p | 93 | 24
-
Áp dụng mô hình toán thủy văn dự báo lũ trên sông Túy Loan thành phố Đà Nẵng
8 p | 72 | 9
-
Phát triển mô hình thủy văn tham số phân bố MARINE trong bài toán dự báo lũ, áp dụng thí điểm cho lưu vực sông Nậm Mu
11 p | 41 | 5
-
Ứng dụng mô hình toán thủy văn tính toán dòng chảy đến thủy điện Chi Khê sau khi hồ bản vẽ xây dựng
3 p | 20 | 4
-
Kết hợp phương pháp viễn thám GIS và mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ khu vực cầu Ghềnh, sông Đồng Nai
15 p | 10 | 4
-
Ứng dụng mô hình toán trong đánh giá mức độ nhiễm nước sông Sài Gòn phục vụ công tác quản lý chất lượng nước và mục tiêu an toàn cấp nước
7 p | 66 | 3
-
Nghiên cứu phân tích lựa chọn ngôn ngữ xây dựng phần mềm mô hình toán mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưu vực vừa và nhỏ
7 p | 101 | 3
-
Nghiên cứu sự hình thành trữ lượng nước dưới đất trong trầm tích đệ tứ đồng bằng ven biển huyện Gio Linh tỉnh Quảng Trị bằng phương pháp mô hình toán
12 p | 18 | 2
-
Mô hình toán trong thủy văn: Phần 2
135 p | 13 | 2
-
Mô hình toán trong thủy văn lưu vực nhỏ: Phần 1
474 p | 22 | 2
-
Kết hợp mô hình vật lý và mô hình toán mô phỏng chế độ dòng chảy khi xả lũ công trình thủy điện Sơn La
3 p | 4 | 2
-
Mô hình toán trong thủy văn: Phần 1
99 p | 19 | 1
-
Nghiên cứu đánh giá và dự báo diễn biến chất lượng nước sông Đuống bằng phương pháp mô hình toán
7 p | 92 | 0
Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn