Các chất xói mòn bị cuốn trôi trong nước sông thường có 2 loại: 1 loại bị hoà tan trong nước (chất hoà tan) và 1 loại bị bào mòn cuốn trôi theo dòng nước (bao gồm bùn cát lơ lửng và bùn cát di đẩy). Bùn cát lơ lửng gồm những hạt bùn cát nổi lơ lửng trong nước và bị dòng nước cuốn trôi, bùn cát di đẩy gồm những hạt bùn cát lăn, trượt, nhảy cóc ở đáy sông và gần đáy sông, cũng có khi là những sóng cát di chuyển ở đáy sông. Trong phạm vi đề tài này, chỉ phân tích, tính toán bùn cát lơ lửng.
Thông thường các thông tin về dòng chảy bùn cát ít hơn so với thông tin về dòng chảy nước kể cả về số lượng lẫn chất lượng, do hệ thống quan trắc chưa đầy đủ, phương tiện và kỹ thuật quan trắc còn hạn chế.
Các đại lượng thường được dùng để tính toán biểu thị dòng chảy bùn cát là: Lượng ngậm cát p (kg/m3), lưu lượng bùn cát R (kg/s), hệ số xâm thực K (tấn /km2.năm)
1. Các yếu tố hình thành dòng chảy bùn cát
Các yếu tố chủ yếu hình thành dòng chảy bùn cát bao gồm:
- Cường độ và quy mô dòng chảy mặt;
- Độ dốc của sườn và đáy sông;
- Trạng thái bề mặt lưu vực và mức độ thảm thực vật;
- 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 bùn cát là các điều kiện khí hậu (địa đới), phụ thuộc vào thảm thực vật, tính chất đất đá. Trong số các điều kiện khí hậu thì cường độ mưa đóng vai trò quan trọng, sau đó là chế độ nhiệt, gió và 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, quy mô) quyết định vật chất ban đầu tách ra khỏi bề mặt lưu vực, 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.
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 dân 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.
a. Yếu tố khí hậu
Đối với Thừa Thiên Huế với đặc điểm nóng ẩm mưa nhiều. Nhiệt độ trung bình nhiều năm từ 20-25oC, độ ẩm khoảng 85%, lượng mưa từ 2800-3400mm với cường độ lớn nên khả năng phong hóa, xói mòn lớn.
b. Địa hình, địa chất
Các sông suối ngắn, bắt nguồn ở núi cao nên độ dốc lưu vực, lòng sông lớn trung bình khoảng 30m/km, ở miền núi có đoạn 80m/km. Hàng năm, về mùa mưa lũ, tốc độ dòng chảy lớn, gây xói lở mạnh bề mặt lưu vực và lòng sông. Hiện tượng sạt lở hàng trăm m3 đất đá, gây cản trở giao thông ở các huyện miền núi, làm độ đục trong sông tăng đột ngột vẫn xảy ra thường xuyên. Khả năng phong hóa phụ thuộc vào tính chất, thành phần của đá mẹ. Ở Thừa Thiên Huế, phần lớn là loại đá có độ phong hóa kém như Granit, Phocnia,... chịu tác động mạnh bởi nhiệt, ẩm, độ dày phong hóa mỏng, nên sau những trận mưa lũ lớn, lớp đất, mùn bị bóc sạch, trơ sỏi đá.
c. Thảm phủ thực vật
Có tác dụng che chắn bề mặt đất, giảm tốc độ dòng chảy, chống xói. Theo Quyết định số 1347/QĐ-UBND ngày 23 tháng 7 năm 2010 về “Quy hoạch bảo vệ và phát triển rừng tỉnh Thừa Thiên Huế giai đoạn 2009-2020”, hiện trạng rừng năm 2008 như sau: Tổng diện tích đất lâm nghiệp là 307.201,8ha; đất có rừng là 282.986,4 ha, chiếm 56% đất tự nhiên toàn tỉnh, trong đó rừng tự nhiên là 205.695,4 ha, chiếm 73%; rừng trồng: 77.291,0 ha, chiếm 27%. Đất chưa có rừng 24.215,4 ha, chiếm 8% diện tích đất lâm nghiệp. Như vậy, độ che phủ rừng ở Thừa Thiên Huế năm 2008 là 56% - ở mức cao hơn độ che phủ trung bình trên toàn quốc (khoảng 39%). Nhìn chung, trong những năm gần đây, độ che phủ rừng tại Thừa Thiên Huế tăng lên rõ rệt (năm 2004, độ che phủ chỉ khoảng 47%).
d. Những hoạt động kinh tế của con người
Nạn chặt phá rừng để canh tác, nạn cháy rừng,... tác động rất lớn đến cấu trúc tự nhiên của bề mặt lưu vực làm thay đổi quá trình xói mòn và chế độ bùn cát trong sông.
2. Phương pháp tính toán dòng chảy bùn cát
Khi giải quyết một số bài toán thực tế thường dùng các phương pháp gián tiếp để tính toán dòng chảy bùn cát là phương pháp tương tự hoặc bản đồ hoá. Giá trị trên bản đồ thường là đặc trưng độ đục nước sông Po hoặc hệ số xâm thực K (môđun dòng phù sa lơ lửng) được xác định theo công thức:
ρ0= (Qρo/Q0)*103 ; K=(Qρ0 * 31,5* 106)/(103 * F)
Với ρ0 và K - tương ứng là độ đục trung bình nhiều năm (g/m3) và hệ số xâm thực trung bình nhiều năm (T/km2.năm); Qp0 và Q0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (kg/s) và lưu lượng nước (m3/s). F - diện tích lưu vực (km2).
Các đặc trưng chung của dòng chảy bùn cát 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 Qρn 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 dòng chảy phức tạp với các điểm phân tán, chuỗi cần có 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 dòng chảy.
Nếu chuỗi là hiệu quả thì tham số dòng chảy năm của phù sa gồm: 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:
Qp0=(Q0/Qtb) * Qptb
với Q0 và Qp0 - tương ứng chuẩn lưu lượng và phù sa; Qtb và Qptb - 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 Cv trường hợp này được xác định theo các quan hệ địa phương hoặc tương tự, còn Cs lấy bằng 2 Cv.
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 Qpo=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.
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.
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 bùn cát 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. Diện tích lưu vực không chênh nhau quá 5 lần. Độ cao lưu vực không chênh nhau quá 500m. 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 bùn cát là chuẩn dòng chảy phù sa lơ lửng năm của sông chưa nghiên cứu thường xác định theo bản đồ độ đ c sông ngòi và bằng phương pháp nội suy giữa các lưu vực đã nghiên cứu với giá trị đưa về trung tâm lưu vực:
Qp0= (po*Mo*F)/106
với Qp0 - lưu lượng trung bình nhiều năm của phù sa lơ lửng (chuẩn) kg/s; p0 - độ đục trung bình nhiều năm của nước (chuẩn) g/m3; M0 - môđun 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 bùn cát. 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.
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:
ρ0M=Kcρ0
với p0 - 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.
Như vậy, có thể tóm tắt các phương pháp đánh giá chế độ dòng chảy bùn cát như sau:
1. Phương pháp thống kê: khi có đủ tài liệu quan trắc, với chuỗi số liệu ít nhất là 15 năm.
2. Phương pháp đồ giải được thực hiện khi chuỗi số liệu ít hơn 15 năm, đặc trưng bùn cát được tính từ đặc trưng lưu lượng dòng chảy.
3. Phương pháp tương tự: 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 bùn cát người ta xác định theo sông tương tự.