Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát.

Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát
Chương 4
SỰ HÌNH THÀNH DÒNG SÔNG VÀ NGUỒN
GỐC BÙN CÁT.
Các dòng sông trên trái đất được hình thành bởi sự hoạt động xâm thực của dòng
nước. Trong quá trình chảy dòng nước bào mòn một phần của địa hình và bắt đầu sự hình
thành dòng sông.
Sự hình thành của dòng sông xảy ra trong một thời gian dài qua nhiều năm, tốc độ
hình thành phụ thuộc vào địa chất nơi dòng chảy đi qua.
Trong sông dòng nước mang theo những vật xói trên thượng lưu cùng những vật
liệu bị xói dọc đường tạo thành bùn cát (phù sa). Sự phân b
ố bùn cát trên sông rất phức
tạp, nó phụ thuộc vào địa hình, vận tốc chảy, bán kính cong của dòng chảy. Ở nơi nào
mặt cắt co hẹp, chỗ đó vận tốc tăng và gây nên xói, nơi nào mặt cắt dòng sông mở rộng
thì vận tốc giảm gây ra bồi. Khi bồi mặt cắt dòng sông sẽ co hẹp lại làm tăng vận tốc, còn
khi xói mặt cắt lòng sông sẽ mở rộng ra làm giảm vận tốc và quá trình trên diễ
n biến đến
một mức cân bằng nào đó, tại đoạn sông có sự cân bằng lòng sông có thể coi như ổn
định. Giữa dòng chảy và lòng sông luôn có sự tương tác lẫn nhau và đại đa số các sông,
lòng dẫn được biến đổi liên tục, ít khi đạt được sự cân bằng do điều kiện thuỷ văn không
tuân theo quy luật nào. Bùn cát trong sông sẽ đặc biệt phong phú vào mùa nước lớn (mùa
lũ). Vào mùa này ngoài bùn cát còn có nhiều vật rắn khác có kích thướ
c lớn cũng bị cuốn
vào dòng chảy do vận tốc dòng chảy lớn. Đa số nguồn cát trong sông được tạo thành do
các trận mưa rào lớn trên lưu vực. Nếu đất đai trên lưu vực có ít cây bao phủ thì tốc độ
xâm thực càng nhanh và tạo thành dòng bùn cát.
Các hạt lớn di chuyển dưới đáy sông gọi là bùn cát đáy còn đối với các hạt nhỏ có
thể nằm lơ lửng trong nước một thời gian dài gọ
i là hạt cát lơ lửng. Càng về cửa sông thì
tốc độ dòng chảy càng nhỏ và chỉ có các hạt bùn cát có kích thước bé mới theo dòng chảy
đổ ra biển. Các hạt cát lớn bị giữ lại và lắng đọng trên dọc đường.

Sau khi lũ hạ, bùn cát có thể tích tụ lại thành từng vùng được gọi là ghềnh cạn (bãi
cạn, cồn cát). Do sự hình thành của các ghềnh cạn này mà tuyến chạy tàu có thể bị đổi
hướng. Nguồn g
ốc của bùn cát ảnh hưởng rất lớn đến đặc trưng của dòng sông và tạo ra
nhiều loại sông khác nhau.
4.1. Phân loại sông:
- Khái niệm: Phân loại sông là sự chia các sông ra thành các nhóm theo các đặc
điểm cơ bản nhất. Người ta có thể phân loại sông theo lượng nước phân bổ cho hàng
năm, theo nguồn nước, chiều dài sông, theo sự ổn định của lòng sông, theo nhiệt độ nước,
theo thành phần hoá học của nước.
4.1.1. Phân loại sông theo đặc trưng thuỷ văn:
4.1.1.1. Dựa vào chiều dài:
- Sông hoàn toàn nhỏ có chiều dài nhỏ hơn 20 km;
- Sông rất nhỏ có chiều dài từ 20 đến 100 km;
- Sông nhỏ có chiều dài từ 100 đến 250 km;
- Sông nhỏ trung bình có chiều dài từ 250 đến 500 km;
- Sông trung bình có chiều dài từ 500 đến 1000 km;

4-1
Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát
- Sông lớn có chiều dài từ 1000 dến 2000 km;
- Sông rất lớn có chiều dài lớn hơn 2000 km.
4.1.1.2. Phân loại theo diện tích của lưu vực:
- Sông hoàn toàn nhỏ có diện tích lưu vực nhỏ hơn 50 km
2
;
- Sông rất nhỏ có diện tích lưu vực từ 50 đến 500 km
2
;
- Sông nhỏ có diện tích lưu vực từ 500 đến 4000 km

2
;
- Sông nhỏ trung bình có diện tích lưu vực từ 4000 đến 20.000 km
2
;
- Sông trung bình có diện tích lưu vực từ 20.000 đến 100.000 km
2
;
- Sông lớn có diện tích lưu vực từ 100.000 đến 500.000 km
2
;
- Sông rất lớn có diện tích lưu vực lớn hơn 500.000 km
2
;
Lưu vực của sông là diện tích mà lượng nước mưa trên đó sẽ đổ vào sông.
4.1.1.3. Phân loại theo lưu lượng nước:
Có các loại sau:
- Suối có lưu lượng nhỏ hơn 0,1 m
3
/s;
- Sông rất nhỏ có lưu lượng từ 0,1 đến 1 m
3
/s;
- Sông nhỏ có lưu lượng từ 1 đến 10 m
3
/s;
- Sông trung bình có lưu lượng từ 10 đến 100 m
3
/s;
- Sông lớn có lưu lượng từ 100 đến 10.000 m

3
/s;
- Sông rất lớn có lưu lượng lớn hơn 10.000 m
3
/s.
4.1.1.4. Phân loại theo độ dốc mặt nước:
Sông có độ dốc nhỏ: Độ dốc nhỏ hơn 5.10
-5
;
Sông có độ dốc trung bình: Độ dốc từ 5.10
-5
đến 5.10
-4
;
Sông có độ dốc lớn: Độ dốc từ 5.10
-4
đến 5.10
-3
;
Sông có độ dốc rất lớn: Độ dốc lớn hơn 5.10
-3
.
4.1.2. Phân loại theo ổn định của lòng sông:
4.1.2.1. Theo độ ổn định:
- Sông có độ ổn định rất nhỏ;
- Sông có độ ổn định trung bình;
- Sông không ổn định từng chỗ, từng thời kỳ;
- Sông ổn định.
4.1.2.2. Phân loại sông theo đặc trưng ổn định:
Đặc trưng ổn định của sông là khả năng chống lại lực đẩy của dòng nước, của các

hạt cát nằm trên bề mặt của đáy sông, đối với mỗi hạt cát nằm dưới đáy sông sẽ
chịu hai lực tác dụng:
- Lực tác dụng của dòng chảy có tác dụng làm hạt cát chuyển động;

4-2
Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát
- Lực ma sát chống lại tác dụng gây trượt của dòng chảy.
Người ta phân loại dòng sông theo đặc trưng ổn định như sau:
- Sông ổn định ở vùng đất không xói hoặc năng lượng của dòng chảy không đủ xói
lòng sông.
- Sông tương đối ổn định chỉ bị xói từng nơi, có sự diễn biến theo chu kỳ xung
quanh một giá trị trung bình nào đó.
- Sông có độ ổn định nhỏ trong đó xói lở và bồi lắ
ng bùn cát gây ra sự thay đổi
chiều sâu của dòng sông nhưng không làm hình dáng của nó trên bình đồ thay
đổi một cách rõ ràng. Sự xói và bồi của bùn cát diễn ra một cách chậm chạp theo
các điểm khác nhau. Sự phân bố và hình dạng của ghềnh cạn thay đổi hàng năm.
Loại sông này thường có ở đồng bằng.
- Sông có độ ổn định rất nhỏ: tốc độ dòng chảy rất lớn, địa chất yếu, trong thời gian
lũ sông không những bị
thay đổi về chiều sâu mà còn thay đổi về hình dáng và
hình thành các phân lưu theo hướng lớn.
- Sông trong thời kỳ lũ hoàn toàn mất hình dáng và hình thành dòng chảy lẫn lộn
giữa nước và bùn cát gọi là dòng chảy bùn cát. Lúc đó yếu tố hình dạng mất hết
ý nghĩa.
4.2. Những khái niệm chung về bùn cát:
Dòng sông hình thành và diễn biến là kết quả của sự tác động qua lại giữa dòng
chảy và lòng sông. Biểu hiện của sự tác động qua lại đó là sự
chuyển động của bùn cát.
Vì vậy muốn nghiên cứu quá trình vận động của lòng sông thì phải nghiên cứu bùn cát và

các đặc tính, quy luật chuyển động của nó.
4.2.1. Định nghĩa:
Bùn cát: Là những hạt khoáng vật có đường kính từ vài phần nghìn milimét đến vài
trăm milimet, cùng chuyển động hoặc đứng yên dưới lòng sông dưới sự tác động qua lại
về mặt cơ học với dòng nước.
4.2.2. Phân loại theo hình thức chuyển động:
Bùn cát có thể phân làm hai loại:
- Bùn cát đáy;
- Bùn cát lơ lửng.
Bùn cát đáy là bùn cát chuyển động sát đáy sông, hình thức chuyển động có thể là
lăn, trượt, nhảy cóc, vận tốc di chuyển khác với vận tốc dòng chảy.
Bùn cát lơ lửng là bùn cát chuyển động trong nước trong một thời gian dài, có vận
tốc di chuyển có thể coi bằng vận tốc dòng chảy.
4.2.3. Phân loại bùn cát theo kích thước:
Như đã trình bày ở trên, bùn cát là những hạt có đường kính từ vài phần nghìn
milimet đến vài trăm milimet nên người ta thường lấy đường kính d=1mm làm giới hạn
phân biệt.
- Các hạt có kích thước lớn hơn 1mm được gọi là bùn cát lớn;
- Các hạt có kích thước từ 1 đến 0,5 mm được gọi là bùn cát thô;

4-3
Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát
- Các hạt có kích thước từ 0,5 đến 0,2 mm được gọi là bùn cát trung bình;
- Các hạt có kích thước từ 0,2 đến 0,1 mm được gọi là bùn cát nhỏ;
- Các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1 mm được gọi là bùn cát rất nhỏ.
Ở những đoạn sông miền núi lớp đáy thường có các hạt cuội sỏi kích thước từ 5 đến
100 mm, sự vận chuyển bùn cát của sông ở miền núi chỉ xảy ra nhờ lũ.
4.2.4. Đường cấp phối hạt:
Trong một mẫu cát có nhiều đường kính hạt khácnhau rất khó đo kích thước của
từng hạt. Để nghiên cứu đặc tính thành phần bùn cát của sông ngòi, người ta thường dùng

đường cấp phối hạt. Da vào đường kính của nhóm hạt, người ta dùng nhiều sàng có
đường kính lỗ khá nhau từ bé đến lớn, khối lượng của các nhóm hạt được xác định bằng
cân, sau đó được tính ra số phần trăm so với khối lượng của mẫu.
Để có đường cấp phối
hạt ta tính phần trăm lũy tích sau đó vẽ lên giấy log một chiều.
Ví dụ: thành phần hạt bùn cát ở một số sông:
Bảng IV-1. Thành phần bùn cát ở sông Luộc
d(mm) <0,01
0,01÷0,05 0,05÷0,1 0,1÷0,2
>0,2
p% 9% 4,3% 13,3% 32,39% 41,01%
Bảng IV-2. Thành phần bùn cát ở sông Đuống
d(mm) <0,005
0,005÷0,001 0,001÷0,5 0,05÷0,1 0,1÷0,25 0,25÷0,5
p% 12,15% 8,75% 28,1% 42,45% 6,68% 1,87%

Hình vẽ 4-1. Đường cấp phối hạt
4.2.5. Độ thô thuỷ lực:
Độ thô thuỷ lực của bùn cát đóng vai trò chủ yếu trong sự hình thành chuyển động
của các hạt rắn ở trong nước. Độ thô thuỷ lực là tốc độ chìm đều của các hạt trong nước
hay nói một cách khác độ thô thuỷ lực là vận tốc chìm khi hình thành sự cân bằng giữa
lực cản và trọng lượng của hạt.
Qua thí nghiệm người ta thấy rằng khi hạt bùn cát chìm trong nước tĩnh thì trạng
thái chuyển
động của nó có quan hệ với số Râynôn.
υ
ω
d
d
0

Re =
(4- 1)
Trong đó:

4-4
Chương 4: Sự hình thành dòng sông và nguồn gốc bùn cát
υ
- hệ số nhớt động học;
d - đường kính hạt;
0
ω
- tốc độ chìm đều của hạt cát.
Hạt cát khi thả trong nước sẽ chuyển động, khi lực cản bằng với trọng lượng của hạt
thì hạt sẽ chuyển động đều, trọng lượng của hạt cát được xác định theo công thức:
()
3
1
dgCG
s
ρρ
−=
(4- 2)
Trong đó:
C
1
- hệ số hình dạng thể tích;
ρ
- khối lượng riêng của nước;
S
ρ

- khối lượng riêng của bùn cát.
Lực cản của chất lỏng tác động lên hạt cát là đại lượng phụ thuộc nhiều yếu tố và có
thể biểu thị theo dạng sau:
()
20
,,,, CdFF
rr
µρω
=

C
2
- hệ số hình dạng diện tích;
µ - hệ số nhớt động lực;
ω
0
- độ thô thuỷ lực.
Hoặc:
(
22
0
22
0
,Re, CfC
d
f
d
F
d
r

=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
υ
ω
ρω
)
(4- 3)
Trong đó:
υ
- hệ số nhớt động học:
ρ
µ
υ
=

Khi biết F
r
người ta tìm được ω
0
, tuy nhiên F
r
phụ thuộc vào các chế độ chảy hay
các giá trị Re
d

khác nhau và chủ yếu được xác định bằng thực nghiệm, các công thức
thực nghiệm xác định độ thô thủy lực như sau:
4.2.5.1. Khi Re
d
≤2:
2
0
1
18
d
g
s
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
ρ
ρ
υ
ω
(4- 4)
4.2.5.2. Khi 2<Re
d
≤40:
d

g
s
3
1
2
2
0
193,0
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
ρ
ρ
υ
ω
(4- 5)

4.2.5.3. Khi 40<Re
d
≤300:

4-5