Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 9 potx

9. Vấn đề ô nhiễm vệ dòng mật độ
9.1 Mở đầu
ở vùng ven biển, nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến sự khác nhau giữa nớc ngọt v
nớc mặn. Một nguyên nhân cơ bản của mọi vấn đề l ô nhiễm vấn đề. Chơng ny
thảo luận đến các vấn đề đó.
9.2 Ô nhiễm
9.2.1 Các loại ô nhiễm
Các loại ô nhiễm bao gồm:
1. Chất thải của con ngời.
2. Ô nhiễm dầu
3. Carbon halogen
4. Các vật chất hữu cơ khác
5. Kim loại nặng
6. Nhiệt
7. Các chất phóng xạ
8. Bùn cát mịn
Các chất thải của con ngời đợc xem trớc hết, vì nó liên quan tới vấn đề thẩm mỹ.
Tuy nhiên, nó l các sản phẩm tự nhiên v chất thải do các sinh vật biển cũng rất lớn.
Theo Bascom (1974-1), sáu triệu tấn cá trống ở vùng biển bang California thải ra một
khối lợng chất thải tơng đơng với 90 triệu ngời m những chất thải ny chứa đựng
nhiều vi khuẩn rất nguy hiểm cho con ngời. Nớc biển với hm lợng chất thải hữu cơ
cao l thức ăn cho các động vật cấp thấp trong lòng biển, m những động vật ny lại l
thức ăn cho các loi cao cấp hơn. Tuy nhiên có hai vấn đề cần phải chú ý, đó l nhu
cầu oxy hòa tan trong nớc v vi khuẩn. Nhu cầu o xy có thể lm giảm mức o xy hòa
tan xuống dới mức nhu cầu của các sinh vật biển. Trong khi phần lớn vi khuẩn bị chết
sau một khoảng thời gian ngắn, khi tiếp xúc với môi trờng nớc mặn. Điều ny không
hon ton đúng với tất cả các loi theo đó các vấn đề dịch tễ học có thể xuất hiện.
Dầu v các sản phẩm dầu l những chất ô nhiễm loại bậc nhất. Phản ứng của công
chúng khi hiện tợng dầu trn trên sông, biển rất mạnh mẽ. Tu thuyền không phải l
nguyên nhân duy nhất gây ô nhiễm dầu trn. Một lợng đầu không xác định đang thấm

vo đại dơng. Báo cáo của cơ quan pháp luật bang Connecticut đã kết luận rằng hai
phần ba lợng dầu thoát ra biển l lợng dò rỉ từ máy v dầu thải từ các máy móc.
Lợng dầu ny phát tán một cách chậm chạp ra môi trờng xung quanh, trừ trờng hợp
tu chở dầu bị vỡ, khi đó quá trình dầu loang rất nhanh v rất nguy hại cho môi trờng
biển. Nhiễm bẩn do dầu trn cũng chỉ l vấn đề tạm thời. ảnh hởng tới hệ sinh thái l
rất nghiêm trọng, nhng tình hình tự nhiên trớc đó có thể phục hồi sau một số năm.
212

Carbon halogen bao gồm các loại thuốc trừ sâu hữu cơ, trong khi một số hợp chất hóa
học chẳng hạn TEPP giảm khả năng gây tử vong rất nhanh, nhng một số loại nh
DDT dờng nh khó bị phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Quá trình tích tụ của các
loại thuốc trừ sâu vo các sinh vật biển (sinh khối) l khá rõ rng v đáng báo động.
Việc cung cấp dinh dỡng vo biển đã đẩy nhanh quá trình phát triển của các sinh vật
biển. Tuy nhiên, nếu không có sự kiểm soát thì sự phát triển quá mức của chúng trong
một thời gian ngắn sẽ l một thảm họa cho sự cân bằng của hệ sinh thái do lợng oxy
m chúng sử dụng lm thối rữa thức ăn yêu cầu rất lớn dẫn đến hệ sinh thái biển sẽ rất
khó đoán biết trớc đợc.
Do khả năng mang điện của các hạt sét, chúng có thể giữ các kim loại nặng v trở
thnh các phân tử rất di tồn tại trong nớc do tự nhiên hay các hoạt động sống của con
ngời đa các kim loại nặng vo nớc biển. Nồng độ kim loại nặng v các hợp chất
hữu cơ khác trong bùn cát l tơng đối cao. Nồng độ ny tăng ngoi nguyên nhân tĩnh
điện còn phải kể đến các quá trình cơ học khác nh chuyển động rối, sự thay đổi điều
kiện hóa lý nh độ a xit, độ muối, lợng o xy hòa tan v nhiệt độ nớc biển. Khi mức
độ ô nhiễm tăng cao v tham gia vo các quá trình sinh học sẽ l một thảm họa không
những cho hệ sinh thái biển m cả sức khỏe của con ngời.
Rất khó tách các kim loại nặng từ khối bùn cát khổng lồ ở vùng cửa sông, do vậy cần
có giải pháp ngăn chăn việc đẩy các chất thải chứa kim loại nặng v kiểm soát bùn cát
chứa kim loại nặng tại vùng cửa sông v dải ven biển. Các kim loại nặng vo lòng biển
từ khí quyển. Chẳng hạn cháy rừng sẽ có thêm các oxit kim loại đi vo khí quyển v sẽ
lắng đọng ở mọi nơi trên trái đất. Cũng nh các loại thuốc trừ sâu, các kim loại nặng

cũng tích tụ lại. Hình 9-1 biểu diễn lợng chì tích tụ trong các lớp bùn khảo sát đợc ở
Long Beach, California. Việc nồng độ chì tăng đột ngột trong những năm gần đây l do
hoạt động hng không tăng mạnh.
Hình 9-1: Nồng độ chì trong bùn cát (theo Bascom 1974-1)
Phát xạ nhiệt có thể lm nớc ấm hơn hoặc lạnh hơn so với xung quanh. Phần lớn các
sinh vật biển tự thích nghi với sự thay đổi nhiệt khi ở gần những vùng nóng hơn hoặc
lạnh hơn ở trên, nhng chúng sẽ bị tiêu diệt hng loạt khi có sự thay đổi đột ngột chế
213

độ nhiệt, áp. Nhiệt đa vo nớc biển chỉ gây hiệu ứng đối với hệ sinh thái trên một
vùng cục bộ.
Các chất thải phóng xạ gây ra các loại ô nhiễm rất nguy hiểm. Các sinh vật biển có thể
chịu đựng đợc lợng phóng xạ lớn hơn nhiều lần sức chịu đựng của con ngời. Con
ngời sẽ bị nhiễm phóng xạ khi ăn phải các loi cá sống trong vùng bị nhiễm độc
phóng xạ. Do vậy, các chất thải phóng xạ không nên thải vo những vùng nuôi cá, hoặc
đánh bắt cá ở những vùng bị nhiễm phóng xạ. Cũng không nên chọn giải pháp chôn
các chất phóng xạ xuống đất vì dù nó thẩm thấu một cách rất chậm chạp thì sau một
thời gian di các chất phóng xạ ny sẽ đến nớc ngầm tầng sâu v gây độc cho nguồn
nớc.
Bùn cát mịn giữ lại sau khi nạo vét cũng nguy hiểm cho các sinh vật biển. Các hạt sét
mịn lơ lửng với nồng độ cao sẽ ngăn cản ánh sáng chiếu sâu vo lòng nớc v điều ny
có thể dẫn tới việc diệt vong một số loi sinh vật biển. Nh vậy bùn cát l mối đe dọa
đối với môi trờng vì nó lm giảm ánh sáng v bản thân chúng chứa đựng nhiều chất ô
nhiễm, kể cả các kim loại nặng đe dọa sự tồn vong của hệ sinh thái.
9.2.2 Các giải pháp kiểm soát ô nhiễm
Việc ban hnh các bộ luật phù hợp v khả thi sẽ tạo một công cụ tốt cho việc kiểm soát
ô nhiễm. Trong hoạt động hng ngy, cũng phải có một hệ thống với các thiết bị
chuyên dùng để đo đạc v kiểm soát ô nhiễm. Các vấn đề chung nhất trong đánh giá
môi trờng bao gồm:
- Tác động nên con ngời, động, thực vật sẽ gây nên các hậu quả trực tiếp

- Các hậu quả trực tiếp của các hoạt động thờng rất khó định lợng
- Các hậu quả trực tiếp đợc lợng hóa bằng các đơn vị khác nhau
- Hậu quả trực tiếp cũng khó biểu thị dới dạng tiền tệ
- Các giải pháp đợc đánh giá ở tác động cuối cùng, nhng ở các giai đoạn trung
gian không thể đánh giá đợc.
Các vấn đề ny sẽ đợc đánh giá trên nền tảng xã hội. Nó đợc lợng hóa v biểu thị
trên cùng cơ sở v cùng đơn vị. Các hiệu quả tạm thời thờng bị lãng quên. Trong một
dự án cụ thể, vấn đề trách nhiệm bao giờ cũng thu hút đợc sự quan tâm. Các cơ quan
gây ra ô nhiễm thờng lảng tránh đăng ký quản lý về ô nhiễm. Các hoạt động ny
thờng phải đợc đăng ký thờng xuyên với cơ quan cải thiện, lm sạch môi trờng,
nhng thông thờng nó không đợc thể hiện rõ rng trong luật pháp.
Nhiều vấn đề ô nhiễm v
ợt khỏi khuôn khổ một đất nớc v trở thnh vấn đề quốc tế,
chẳng hạn vấn đề ô nhiễm nguồn nớc các con sông chảy qua nhiều quốc gia. Thông
thờng thì các hoạt động kinh tế ở vùng thợng nguồn gây ô nhiễm cho vùng hạ lu v
dải bờ biển. Vấn đề nhiễm bẩn không khí dờng nh còn phức tạp hơn nhiều v các
giải pháp mang tính quốc tế phải đợc áp dụng. Trong thực tế, do sự khác nhau về tiêu
chuẩn môi trờng, gây nên nhiều phiền toái v sự xung đột về mặt chính trị giữa các
quốc gia láng giềng với nhau về kiểm soát ô nhiễm.
214

Trong vòng 40 năm gần đây, luật quốc tế về biển đã đợc xây dựng v đa vo thực
hiện. Bắt đầu l hiệp ớc về thềm lục địa (1958), nó xác định quyền của các nớc có
biển cũng nh nghĩa vụ của họ đa ra các giải pháp bảo vệ nguồn lợi biển. Hiệp định
Luân đôn (còn gọi l hiệp định chôn lấp chất thải vo biển) đã nhận đợc sự đồng tình
của nhiều quốc gia về việc xem xét một v đa ra một cách định kỳ danh sách các chất
thải bị cấm chôn lấp hoặc đốt cháy trên biển v danh sách các chất cho phép chôn lấp
hoặc đốt cháy. Để tránh ô nhiễm cho tu thuyền gây ra, hiệp định MARPOL (1982)
cũng đợc các quốc gia có biển đồng tình. Hiệp định của UN về quyền lãnh hải (1982)
bao gồm khung luật pháp cho việc sử dụng biển v đại dơng. Các điều luật liên quan

đến việc bảo tồn v quản lý các sinh vật biển. Bảo vệ môi trờng biển cũng đợc đề cập
trong hiệp định ny.
9.3 Dòng mật độ vùng cửa sông
Điểm đợc xem xét l giới hạn trên cùng của dòng triều khi vo cửa sông. Do nớc
mặn v nớc ngọt có sự xáo trộn ở mức độ khác nhau, tại các vị trí khác nhau l
nguyên nhân sinh ra dòng mật độ, tơng tự nh biến đổi của nhiệt độ. Dòng sinh ra do
sự khác nhau về mật độ gọi l dòng mật độ, trong khi sự thay đổi về độ muối sẽ lm
thay đổi tính chất hóa lý của bùn cát mịn.
9.3.1 Sự thay đổi độ muối theo thủy triều
Trớc hết chúng ta nghiên cứu phân bố mặn trong sông. Đờng đẳng nồng độ muối
biểu diễn sự thay đổi của lợng muối. Nếu đờng đẳng nồng độ phân bố theo phơng
thẳng đứng ta nói rằng nớc mặn v nớc ngọt xáo trộn hon ton, trong khi phân bố
của chúng theo phơng nằm ngang nghĩa l giữa chúng có sự phân tầng: nớc ngọt
nằm trên, nớc mặn nằm dới. Hình 9-1 biểu diễn mặt cắt dọc phân bố nồng độ muối.
Hình 9-2: Phân bố nồng độ muối
()
215

Mô hình dòng chảy cơ bản vùng của sông l nớc ngọt phía trên mặt hớng chảy ra
biển, trong khi dòng nớc biển ở đáy chảy vo trong sông. Độ lớn về lu tốc v mức độ
xáo trộn giữa nớc ngọt v nớc mặn thay đổi theo mỗi cửa sông. Chú ý rằng các sông
ở bắc bán cầu, hớng dòng chảy của nớc ngọt ra biển có xu thế lệch phải dới tác
dụng của lực Coriolis. Hớng đối diện của vùng cửa sông chịu ảnh hởng trội của biển.
ở hầu hết các cửa sông, dòng chảy từ biển vo đều nằm ở lớp dới.
Chỉ trong trờng hợp dòng chảy trong sông đủ lớn lấp đầy khối nớc triều ngay cả
trong trờng hợp pha triều lên thì nớc mặn không thể vo đợc của sông. Rất ít con
sông có lu lợng đủ lớn quanh năm để khống chế mặn xâm nhập vo cửa sông.
Độ mặn ttại một điểm bất kỳ trên sông thay đổi trong một con triều, v độ muối đợc
xem l đạt giá trị lớn nhất tại điểm dừng triều. Mối quan hệ ny đối với cảng
Rotterdam đợc biểu diễn ở hình 9-3.

Từ hình vẽ ta thấy rằng độ muối của nớc biển khoảng 35(), nhng nớc biển thuần
túy không bao giờ thấy tại cảng Rotterdam. Sự xáo trộn nớc ngọt chảy từ trong sông
ra với nớc biển để trở thnh nớc lợ. Nếu điểm xem xét cng xa bờ thì độ muối cng
cao cho đến khi đạt trị số lớn nhất.
Hình 9.3: Dòng chảy v độ muối ở cảng Rotterdam
Mức độ xáo trộn tại vùng cửa sông liên quan đến tỉ số giữa khối nớc triều v dòng
chảy nớc ngọt từ trong sông, v đợc biểu diễn bằng hệ số xáo trộn(D).
P
T*
Q
=
f
D
(9.1)
where:
D : Hệ số xáo trộn,
P : Thể tích khối nớc triều,
216

Q
f
: Lu lợng nớc ngọt (m
3
/s),
T : Chu kỳ triều (s).
Trờng hợp xáo trộn hon ton D = 0 v khi hình thnh lớp với nớc mặn nằm dới thì
D = 1.
Ví dụ tại sông Schelde ngời ta quan trắc thấy hiện tợng xáo trộn hon ton, trong khi
tại đoạn dẫn vo cảng Rotterdam thì lại l hiện tợng phân lớp (Lu lợng trong sông
chảy ra lớn, triều có độ lớn nhỏ).

Tiếp cận cơ bản hơn với vấn đề ny l nghiên cứu của Ippen and Harleman (1961) về
quá trình xáo trộn thông qua việc sử dụng hệ số phân tầng không thứ nguyên S. Hệ số
ny biểu diễn nh sau:
lengluongnangsuatCuong
tieuluongnangsuatCuong
S
tan
tan

(9.2)
Năng lợng tiêu tán ở tử số l kết quả của việc giảm sóng triều khi đi vo trong vùng
cửa sông. Mẫu số phản ánh sự tăng lên của năng lợng khi mật độ của nó tăng lên khi
đi ra phía cửa sông gặp nớc mặn.
Harleman v Abraham (1966) đa ra hệ số cửa sông E có ý nghĩa gần nh hệ số phân
tầng S.
D
F
=
T
Q
PF
= E
2
f
2
(9.3)
Với F l số Froude tơng ứng với lu lợng dòng triều lớn nhất tại cửa sông.
ghuF /
Hệ số cửa sông E sử dụng thuận tiện hơn hệ số phân tầng S do việc xác định nó dễ
dng hơn. Ngợc lại với hệ số xáo trộn Iw, mức độ xáo trộn ở cửa sông tăng lên cùng

với sự tăng của hệ số cửa sông. Các cửa sông xáo trộn hon ton có hệ số E = 0.15
9.3.2 Nêm mặn
Khi nớc ngọt từ trong sông chảy ra gặp nớc biển hình thnh nêm mặn (hình 9-4).
Nớc mặn xâm nhập vo trong sông ở dới đáy, phía trên l nớc ngọt chảy hớng ra
ngoi v khi quá trình xáo trộn xảy ra tạo thnh mặt tiếp xúc đợc xem l ít có sự xáo
trộn giữa 2 khối nớc tạo thnh nêm mặn thì nêm mặn đợc gọi l nêm cứng. Chiều di
xâm nhập mặn đợc xác định bằng sự cân bằng giữa lực ma sát dọc trên bề mặt v độ
dốc áp suất nằm ngang do độ nghiêng của mặt tiếp xúc. Khi đạt tới trạng thái cân
bằng, mặt ngăn cách của nêm mặn ở trạng thái ổn định với lớp nớc ngọt mỏng dần khi
ra phía biển. Schijf and Schonfeld (1953) đã tìm đợc biểu thức tính toán chiều di
nêm mặn trong kênh lăng trụ, đáy nằm ngang, mặt cắt chữ nhật chảy vo biển.
217

Hình 9.4: Nêm mặn tĩnh tại vùng cửa sông
Nếu không có sự xáo trộn qua mặt tiếp xúc thì chiều di nêm mặn l:
3
1
3
2
2
1
5
6
32
5
12
FF
F
f
h

L
w
(9.4)
Với
2121
1
1
)(
8
VVVV
f


U
W
(9.5)
v
ghVF
f
G
/ (9.6)
L
w
: Chiều di nêm mặn (m)
V
f
: Lu tốc dòng chảy từ sông ở phía trên nêm mặn (m/s)
V
1
: Lu tốc nớc ngọt ngay phía trên nêm mặn (m/s)

V
2
: Lu tốc trong khối nớc mặn (m/s)
W
1
: Lực ma sát dọc trên mặt tiếp xúc (N/m
2
)
G = (U
2
- U
1
) / U
1
(hệ số không thứ nguyên)
Biểu thức ny phản ánh ảnh hởng của độ sâu dòng chảy (h), lu tốc dòng chảy nớc
ngọt V
f
, v chênh lệch mật độ giữa 2 khối nớc. Giá trị của f
1
vo khoảng 0.1. Tất
nhiên, ở trạng thái cân bằng lý tởng, V
2
= 0. Lý do l không có lực ma sát ở đáy sông
nh đợc biểu diễn trên hình 9- 4. Ti liệu để xây dựng đồ thị hình 9 - 4 gồm có:
f
1
= 0.08; h = 10 m; V
f
= 0.2 m/s; v G = 0.0246, v tính đợc L

w
= 2689 m.
Trong thực tế, chúng ta thờng gặp cân bằng động. Sự xáo trộn xảy ra trong khu vực
tiếp xúc giữa 2 khối nớc. Hình đứt nét đứng trên hình 9 - 4 khoảng một nửa của nêm
mặn. Lu lợng thực tại một mặt cách ngang sẽ l:
Q
1
= Q
f
+ Q
w
(9.7)
where: Q
w
= Lu lợng chảy vo thuộc khối nớc mặn
Q
f
= Lu lợng nớc ngọt
Q
1
= Lu lợng tổng hợp tại mặt cắt xác định
218

Do tính liên tục của khối nớc ta có:
Q
1
S
1
= Q
w

S
2
(9.8)
Với S
1
độ muối trong khối nớc phía trên nêm v S
2
l độ muối dới nêm.
Khi thay đại lợng V
f
tính toán từ các phơng trình 9 -5 v 9 - 6 vo phơng trình 9-4
ta thấy L
w
có xu thế giảm khi V
f
tăng v khi F = 1 thì L
w
= 0. Chú ý rằng, V
f
tăng cũng
có nghĩa l Q
f
tăng, điều ny dờng nh trái ngợc với các công thức kinh nghiệm
trình by trong các phơng trình 9-1 v 9-3. Theo đó khi Q
f
tăng hiện tợng phân tầng
cũng tăng lên v mặt ngăn cách nằm ngang sẽ thay thế cho nêm với chiều di xác định.
Điều cha rõ rng ny đợc giải thích bằng thực tế rằng ảnh hởng của thủy triều có
thể bỏ qua trong công thức 9 - 4, nh vậy so sánh ny l vô nghĩa.
Trong thực tế, sự xâm nhập mặn rất phức tạp do l lợng sông thay đổi, ảnh hởng

của thủy triều v lòng sông không phải lăng trụ.
Thông thờng, ảnh hởng của thủy triều l quan trọng nhất. Nó gây nên dao động của
hệ thống dòng chảy 2 lớp trên đáy sông không bằng phẳng. Chuyển động ny lm tăng
khả năng xáo trộn qua lại giữa 2 lớp chất lỏng. Tại những cửa sông ảnh hởng của thủy
triều mạnh, trong khi nớc ngọt chảy từ trong sông ra nhỏ, hiện tợng phân tầng sẽ bị
phá vỡ dẫn đến quá trình xáo trộn hon ton, nghĩa l tại một thời điểm bất kỳ, một
mặt cắt bất kỳ, sự thay đổi độ muối theo phơng thẳng đứng rất nhỏ.
9.3.3 Hiện tợng phân tầng theo phơng ngang
Hiện tợng phân tầng theo phơng ngang có nghĩa l có mặt ngăn cách nằm ngang
ngăn cách giữa 2 khối nớc có mật độ khác nhau. Nếu mật độ tầng trên nhỏ hơn tầng
dới thì mặt ngăn cách sẽ ổn định. Trong thực tế, mặt ngăn cách kiểu ny rất ổn định
thậm chí khi có sự chuyển động của cả 2 khối nớc. Hiện tợng phân tầng do sự khác
nhau về độ muối hoặc nhiệt độ thờng thấy trong đại dơng, nhng ít thấy ở trong các
hồ có độ sâu nớc nhỏ.
Khi bề mặt phân tầng nằm ngang tồn tại trong khối nớc, sóng sẽ hình thnh trong khu
vực mặt ngăn cách, lệch về khối nớc phía trên. Mặt trên của khối nớc l mặt tiếp xúc
giữa nớc v không khí. Tuy nhiên, sóng nội xảy ra tại khu vực ngăn cách giữa 2 khối
nớc m sự sai khác mật độ của chúng không nhiều. Sự khác nhau ny đã tạo nên sóng
nội có khi mạnh bằng sóng do gió tạo ra.
Nớc tĩnh l điều kiện tạo nên hiện tợng phân tầng theo phơng ngang với khối nớc
ngọt nằm trên khối nớc mặn. Sóng nội bộ (hình 9-5) hình thnh giống nh sóng do
tu thuyền, sóng do động đất hoặc hiện tợng lở đất ngầm gây ra. Sóng nội bộ cũng
hình thnh trên bề mặt của 2 khối chất lỏng chuyển động tơng đối so với nhau.
219

Hình 9-5: Sóng nội
Tốc độ truyền sóng tại bề mặt ngăn cách tính theo công thức:
2112
2121
)(

TUTU
TTUU



g
c
(9 - 9)
Với:
c = tốc độ truyền sóng
U = mật độ
T = Chiều dy lớp chất lỏng
Khi U
2
xấp xỉ bằng U
1
,phơng trình (9 - 9) đợc viết l:
2112
2121
)(
TUTU
TTUU



g
c
=
h
g

21
TTG
(9 - 10)
với:
G = (U
1
- U
2
) / U
1
h = T
1
+ T
2
Các sóng ny có thể rất cao vì ảnh hởng của trọng lực không lớn. Chúng thờng chịu
ảnh hởng nhỏ của sóng âm tại bề mặt. Sóng nội cũng có thể hấp thụ một cách đáng kể
năng lợng do tu thuyền tạo ra. Ví dụ dới đây giải thích điều ny.
Một con tu có độ sâu mớn nớc l 4 m chạy qua một khối chất lỏng đồng nhất phía
trên có độ dy 3 m với độ muối S = 5() v nhiệt độ T =2
0
C nằm trên khối nớc có
chiều dy 7 v độ muối S = 36(), nhiệt độ T = 4
0
C . Hỏi tốc độ giới hạn của tu l
bao nhiêu để có thể di chuyển qua khu vực ny?
Từ bảng quan hệ giữa độ muối, nhiệt độ (bảng 4.1, chơng 4), ta có
V
t1
= 4.00 : U1 = 1004.0 kg/m
3

V
t2
= 28.70 : U2 = 1028.7 kg/m
3
Theo đầu bi ta có: T
1
= 3 m; T
2
= 7 m; Thay vo phơng trình (9-10) ta có
220

c =
sm /71.0
)3)(7.1028()7)(1004(
)7)(3)(81.9)(0.10047.1028(



(9.11)
Chỉ khi tu chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc ny thì nó mới có thể chuyển
động lên phía trớc.
Đây l vấn đề rất đợc quan tâm ở vi thế kỷ trớc đây ở vùng biển Baltic khi nớc có
độ muối tơng đối nhỏ chảy trên lớp nớc có độ muối cao hơn chảy ra từ Skagerak.
9.3.4 Bồi lắng trong sông
Nh đã đợc trình by ở những phần trớc, sự dao động mực nớc trong một chu kỳ
triều l nguyên nhân lm cho nêm mặn chuyển động lên xuống. Hệ quả trực tiếp nhất
của việc di chuyển nêm mặn vo sông l quá trình bồi lắng tại cửa sông. Dòng chảy sát
đáy thay đổi rất mạnh bởi sự hiện diện của nêm mặn. Phần phía trên đỉnh nêm mặn,
dòng chảy có hớng ra biển, trong khi trong nêm mặn dòng chảy có hớng chảy vo
sông với tốc độ khá nhỏ. Vì lu tốc đáy tại đỉnh nêm phải bằng không, nên quá trình

bồi lắng sẽ xảy ra ở khu vực ny. ở những cửa sông m ảnh hởng của thủy triều
không lớn v sự tồn tại của nêm ổn định thì bùn cát bồi lắng có thể lm đáy sông nâng
lên đáng kể. Chính l vai trò của nêm mặn m tại đây có sự thay đổi mật độ nớc l
nguyên nhân chính gây ra hiện tợng bồi lắng. Cũng còn phải kể tới sự khác nhau về
nhiệt độ nớc tạo nên sự thay đổi khi gặp nhau v thúc đẩy thêm quá trình bồi. Hiện
tợng xáo trộn ny còn thấy ở những kênh xả nớc sau khi lm lạnh của nh máy nhiệt
điện.
Khi bùn cát lơ lửng m thnh phần của nó gồm các các hạt sét v mật độ của nớc tại
nêm mặn tạo ra sự khác nhau về độ muối thì các quá trình điện hóa có ảnh hởng quyết
định đến hình thức lắng đọng tại cửa sông. Các hạt sét mịn trong nớc ngọt có hình dẹt
hoặc hình mũi kim với kích thớc tối đa khoảng vi micromet.
Khi xáo trộn với nớc biển m thnh phần các ion dơng nh (Na
+
, Mg
2
+, Ca
2
+ v.v )
thì quá trình trung hòa phát triển, các hạt liên kết với nhau thnh hạt có kích thớc lớn
hơn để chìm lắng xuống đáy sông. Độ muối khoảng 3 l giới hạn trong quá trình kết
tủa v lơ lửng hóa. ảnh hởng điện hóa chỉ mạnh mẽ khi sự thay đổi của độ muối nằm
dới giới hạn ny. Quá trình kết tủa xảy ra mạnh khi nồng độ muối tăng lên, nhng
đến khi triều rút, nớc ngọt tăng lên hay độ muối giảm đi thì quá trình phá vỡ các hạt
đã liên kết để trở lại trạng thái lơ lửng lại xảy ra. Quá trình ny thờng lm thay đổi
hm lợng cát lơ lửng trong nớc ở những nơi độ muối nhỏ. Có thể hình dung ảnh
hởng ny bằng việc so sánh tốc độ lắng chìm của hạt cát trong nớc ngọt v tốc độ
lắng chìm của nó trong nớc có độ muối trên 5. Các kết quả nghiên cứu của
Allersma, Hoekstra v Bijker (1967) cho tỉ số ny khoảng 1:50.
Chất lợng của bùn cát đáy sông trong vùng ny không giống với bùn cát nguyên gốc.
Thực tế bùn cát tạo thnh trong quá trình kết tủa thờng có hm lợng nớc khá cao.

Thể tích của nó gấp khoảng từ 5 đến 10 lần thể tích của các hạt nguyên gốc (trong cơ
221

học đất ta nói độ rỗng bùn cát tại đây khoảng 90%). Rõ rng rằng trong một thể tích
đơn vị lợng nớc chiếm một tỉ lệ lớn, do vậy dung trong bùn cát loại ny khoảng
1100 đến 1250 kg/m
3
. Vật chất ny có đặc tính của chất lỏng nhớt với độ nhớt gấp
khoảng 100 đến 1500 lần độ nhớt của nớc. Loại vật chất ny với tên gọi l bùn nhão
rất khó xác định khi khảo sát đáy sông vì nó phản xạ vô cùng yếu nên thể hiện không
rõ rng trên đồ thị đo đạc. Loại bùn ny lỏng đến mức tu thuyền có thể di chuyển dễ
dng trên nó. Quá trình cố kết của loại bùn ny xảy ra rất chậm chạp. Lớp với độ dy
tới 2.5m tồn tại dới dạng lỏng tới hng nhiều tuần lễ v nó dễ dng trở lại trạng thái lơ
lửng khi lu tốc dòng chảy vợt giới hạn cho phép từ 0.2 đến 1.0 m/s.
Phần trên của lớp bùn gần nh lớp chất lỏng nhớt v lớp ny có thể bơm hút rất dễ
dng. Tuy nhiên, nếu xem l vật chất thì dung trọng của lớp bùn lỏng ny rất thấp, do
vậy năng suất bơm rất thấp. Một trong những biện pháp cải thiện năng suất nạo vét l
nạo vét lớp dới v gom những vật chất lớp trên xuống hố vừa nạo vét để chúng cố kết
ở đó. Tuy nhiên, biện pháp thu gom l rất quan trọng. Hiện nay ngời ta thờng sử
dụng 2 biện pháp sau:
- Nếu khu vực nạo vét có độ dốc thì nên nạo vét đầu tiên ở phía cuối dốc để dới tác
dụng của trọng lực lớp bùn lỏng ở phía trên sẽ tự trợt xuống hố đã tạo ra do nạo
vét.
- Biện pháp thứ 2 dựa trên ứng suất trợt tồn tại khi nớc chảy phía trên lớp bùn
loãng tạo ra lực dẫn cho lớp bùn nhão chuyển động. Tuy nhiên nếu lực trợt quá lớn
thì thì lớp bùn loãng bị khuấy lên v rất dễ trở lại trạng thái lơ lửng.
9.3.5 Một số biện pháp kiểm soát dòng mật độ trong sông
Có rất ít giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa kinh tế cao nhằm kiểm soát tình trạng nêm mặn
lấn vo trong sông. Phần lớn các giải pháp kỹ thuật chỉ tập trung vo những khu vực
nhỏ có ý nghĩa kinh tế cao nh lồng tu v khu vực cảng. Có thể dễ dng nhận ra rằng

có thể hạn chế đợc quá trình xâm nhập của nêm mặn nếu giảm độ sâu nớc mặn hoặc
tăng lợng nớc ngọt từ trong sông chảy ra. Ngời ta có thể lm đập ngầm bằng cuội
sỏi ngăn chặn nêm mặn tiến vo do lm giảm độ sâu nớc khu vực tạo đập. Các giải
pháp ny đợc ứng dụng rộng rãi ở khu vực luồng vo cảng ở cac cảng lớn trên thế giới
nh cảng Rotterdam (H Lan), trên sông Mississippi để kiểm soát mặn cho cửa lấy
nớc ở New Orleans.
Dòng mật độ do nhiệt gây ra có thể kiểm soát đợc bằng việc đẩy nhanh quá trình xáo
trộn giữa 2 khối nớc hoặc tăng quá trình truyền nhiệt giữa các lớp nớc hoặc với khí
quyển. Chẳng hạn biện pháp thúc đẩy quá trình xáo trộn giữa các lớp bằng cách tạo ra
quá trình không ổn định của dòng có nhiệt độ cao hoặc tạo ra hiện tợng không ổn
định trong các tầng nớc. Giải pháp xây dựng các mố trụ hoặc đê ngầm tại cửa ra kênh
nớc nóng sau khi đi qua nh máy nhiệt điện sẽ đẩy nhanh quá trình rối v đẩy nhanh
quá trình xáo trộn giữa các lớp nớc. Cũng có thể sử dụng các bơm khí đặt dới n
ớc
để tạo ra hiệu ứng tơng tự. Hiện tợng rối tự nhiên xảy ra khi nêm nớc thải nóng hơn
nhng có độ muối nhỏ hơn đợc bố trí cho chảy ra biển ở gần đáy. Khi đó hiện tợng
nớc có mật độ thấp hơn, nóng hơn có xu thế nổi lên trên v tạo nên quá trình xáo trộn.
222

Một giải pháp khác để kiểm soát ô nhiễm dạng nhiệt l lm lạnh nớc thải nóng trớc
khi xả chúng trở lại nguồn. Giải pháp ny có thể kết hợp với việc đổ tạm chúng ra
những hồ nông hoặc cho chảy tuần hon qua các tháp lạnh. Cũng có thể lm lạnh một
cách đơn giản bằng việc sử dụng một kênh dẫn nớc ra khá rộng v di.
Tất cả các giải pháp trên l truyền nhiệt trong các lớp nớc khác nhau hoặc ra khí
quyển. Khi xây dựng các tháp lm lạnh cần quan tâm đến việc bảo vệ khu vực giữa của
lấy nớc v cửa tháo nớc.
Ví dụ: Ngỡng trn ngầm chống nêm mặn xâm nhập trên sông Mississippi
Hiệp hội kỹ s quân đội Hoa Kỳ đã xây dựng một ngỡng trần ngầm với chiều cao 9 m
ở đáy sông Mississippi để chống xâm nhập của nêm mặn khi các hộ dùng nớc lấy
nớc trong sông khá lớn. Chiều di của đập ngầm l 518 m cắt ngang qua sông. Việc

xây dựng ngỡng trn ngầm không khó, vấn đề đặt ra l sau khi xây dựng thì diễn biến
của dòng sông khu vực đó sẽ nh thế no.
Hiệp hội kỹ s quân đội Hoa Kỳ giám sát nêm mặn hng năm v khi xác định tốc độ
lấn của nêm mặn ảnh hởng tới các cửa lấy nớc sẽ ra quyết định cần phải xây dựng
các ngỡng trn ngầm nh thế no để tránh thảm họa cho hơn 1 triệu ngời cùng các
hoạt động kinh tế xã hội ở thnh phố New Orleans.
Hình 9.5a: Mặt bằng ngỡng trn ngầm chống mặn xâm nhập trên sông Mississippi
Công trình xây dựng ny, dới hạ lu thnh phố New Orleans khoảng 48 km v hon
tất trong vòng 30 ngy.
Khi lu lợng nớc sông nhỏ hơn (7,080 m
3
/s), nớc mặn từ cửa vịnh Mexico, cách
thnh phố New Orleans 167 km bắt đầu tiến dần vo trong sông. Trong thời kỳ mùa hè
khô hạn, nêm mặn tiến xa lên thợng nguồn, ảnh hởng đầu tiên đến công trình lấy
nớc uống tại Belle Chasse, khoảng 32 km ở phía nam của New Orleans.
223

Một vấn đề đợc tính toán rất kỹ khi xây dựng ngỡng trn ngầm l sử dụng loại vật
liệu gì v vị trí ở đâu để chống xâm nhập của nêm l hữu hiệu nhất. Tại vị trí lựa chọn,
độ sâu l 24 m. Bằng các tính toán chi tiết, cuối cùng ngời ta chọn giải pháp sử dụng
611,840 m
3
cát đổ xuống khu vực đó hình thnh một ngỡng trn ngầm có nơi rộng
đến 457 m , nhng không đợc cao hơn 9 m, ảnh hởng tới vận tải thủy. Tuy nhiên khi
lu lợng nớc sông lớn hơn 11,328 m
3
/s), vấn đề xói chân công trình rất lớn v l vấn
đề khó giải quyết nhất của công trình.
9.4 Dòng mật độ trong cảng
Thủy triều tạo ra dòng chảy ra vo cảng v trong phơng trình chuyển động của nó thì

số hạng quán tính không lớn. Điều đó có nghĩa l nếu nh không có vai trò khác nhau
của mật độ thì tại khu vực đỉnh triều v chân triều lu tốc dòng chảy coi nh bằng
không. Tuy nhiên, do thủy triều, dòng mật độ bao giờ cũng tồn tại. Nếu ảnh hởng ny
tồn tại thì mặt phân cách nằm ngang sẽ đợc thay thế bằng mặt ngăn cách thẳng đứng.
Hình 9.6: Phân bố áp lực thủy tĩnh tại 2 phía của cửa ngăn triều.
Hiện tợng ny có thể hình dung khi nớc mặn v nớc ngọt tồn tại ở 2 phía của cống
ngăn triều m phân bố áp lực thủy tĩnh đợc biểu diễn trên hình 9-6. Ta chỉ có thể mở
cống khi mực nớc ở 2 phía ngang bằng nhau. Trong trờng hợp ny vẫn tồn tại một
lực tổng hợp nằm ngang nhỏ tác dụng lên cửa cản trở việc mở cống. Lực ny sẽ triệt
tiêu khi:
2
22
2
11
2
1
2
1
ghgh
UU
(9.12)
với:
U
1,
U
2
= mật độ của nớc ngọt v nớc mặn
g = gia tốc trọng trờng
h = độ sâu
vì U

2
> U
1
, phơng trình (9.12) biến đổi thnh:
224

1
2
2
1
U
U

h
h
(9.13)
Trong khi lực tổng hợp tác động lên cửa triệt tiêu thì chuyển động do nó tạo ra lại khác
không. Khi mở cửa điều kiện ny không ổn định v dẫn tới mẫu dòng chảy nh biểu
diễn trong hình 9-7. Dòng chảy ở lớp có mật độ lớn hơn giống hình ảnh dòng chảy qua
đập khi mở cửa đột ngột. Đờng cong phân bố nh trên hình 9-7. Nh trên hình vẽ ta
thấy rằng tại đáy sông có một đoạn cong ngợc lại, đó l vì hiệu ứng ma sát đáy.
Vì dung tích của âu tu l không thay đổi, nên khi chịu ảnh hởng của dòng mật độ thì
lợng nớc chảy ra phải cân bằng với nớc nớc chảy vo. Giả thiết đơn giản nhất l
dòng chảy có cùng hớng xảy ra ở mỗi nửa độ sâu v điều ny dờng nh hợp lý đối
với kênh chữ nhật.
Hình 9-7: Đờng phân bố lu tốc dòng chảy tại ví trí cửa đóng mở
Lu tốc trung bình tính bằng biểu thức:
V
D
= 0.45 gh

G
(9.14)
Với: G = (U
D
- U) / U
h = Chiều sâu nớc
Hệ số không thứ nguyên 0.45 phụ thuộc vo ma sát đáy v do Simpson (1987) đề nghị.
Trong thực tế giá trị ny có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn chút ít.
Với các cảng vùng ảnh hởng triều v cho cả âu tu dòng chảy vo cảng l tổng hợp
của dòng trn vo v dòng do mật độ tạo ra. Vì thế phân bố lu tốc l tổng hợp của 2
thnh phần, trong khi phân bố bùn cát không cùng kiểu trừ trờng hợp hm lợng bùn
cát nh nhau theo phơng thẳng đứng (trờng hợp ny rất ít khi xảy ra)
Điều kiện thực tại cảng Rotterdam ở vùng lân cận cảng dầu số 2 cũng đợc đa ra nh
một ví dụ. ở ví dụ trớc, chúng ta đã biết tác dụng quá tính tồn tại trong dòng chảy lũ
trong sông sau đỉnh lũ. Tuy nhiên trong cảng, thnh phần quán tính ảnh hởng ít hơn
nhiều v dòng chảy ở vùng cửa sông sẽ dừng hẳn ngay sau thời điểm đỉnh triều hoặc
chân triều. Điều ny đúng khi không có ảnh hởng của mật độ. Bảng 9-1 đa ra bảng
ti liệu đợc sử dụng để vẽ hình 9-8 biểu diễn trạng thái triều trên đờng vo cảng
225

Rotterdam, phía trớc của cảng dầu số 2 nh đã nói ở trên. ảnh hởng của dòng mật
độ không đợc xem xét trong bảng số liệu trên. Vì lu tốc dòng chảy tại cửa vo của
cảng rất nhỏ, khoảng cm/s. Các hình ny về cơ bản giống với các số liệu đã cho trong
bảng 9-1.
Thời gian (hrs) Mực nớc triều
(m MSL)
Dòng chảy trong
sông (m/s)
Dòng chảy trn
vo cảng cm/s)

0 -0.69 -0.15 +0.90
1 -0.50 +0.08 +2.20
2 - 0.03 +0.60 +3.20
3 +0.52 +0.75 +2.20
4 +0.91 +0.44 +1.10
5 +1.04 +0.07 0.00
6 +0.91 -0.44 -1.50
7 +0.61 -0.73 -2.10
8 +0.25 -1.03 -1.60
9 -0.15 -1.05 -1.10
10 -0.47 -0.85 -1.50
11 -0.58 -0.52 -0.80
12 -0.62 -0.30 0.00
Bảng 9-1: Số liệu đo đạc tại khu vực cảng dầu số 2 (đờng vo cảng Rotterdam )
226

H×nh 9-8: TriÒu ®o ®¹c t¹i c¶ng dÇu sè 2 (§êng vμo c¶ng Rotterdam)
H×nh 9-9: Dßng mËt ®é ®o ®¹c t¹i c¶ng dÇu sè 2
227

Sự khác nhau về độ muối v dòng mật độ sinh ra đo đạc tại cửa vo cảng dầu số 2 cho
tại bảng 9-2 v hình 9-9. So sánh các số liệu đo đạc với kết quả tính toán theo phơng
trình (9-14) thấy rằng có sự khác nhau giữa lý thuyết v thực tế.
T.gian
(giờ)
S()
Trong sông
S()
Trong cảng
G

V
D
tại mặt
0 2.38 3.96 1.149 x 10
-3
3.0
1 2.47 3.30 5.952 x 10
-4
4.0
2 2.83 3.04 1.619 x 10
-4
1.2
3 3.64 2.63 7.830 x 10
-4
-5.0
4 5.08 3.01 1.600 x 10
-3
-8.0
5 7.25 3.91 2.567 x 10
-3
-10.7
6 8.06 5.23 2.180 x 10
-3
-10.3
7 7.16 6.56 4.616 x 10
-4
-1.4
8 6.08 6.69 4.679 x 10
-4
2.1

9 4.90 6.37 1.128 x 10
-3
2.5
10 3.64 5.43 1.379 x 10
-3
2.5
11 2.65 4.36 1.325 x 10
-3
2.1
12 2.38 3.82 1.039 x 10
-3
2.1
( computed from salinities at T = 16
0
C)
Bảng 9-2: Độ mặn đo đạc tại khu vực cảng dầu số 2 (Rotterdam)
Hình 9-10 biểu diễn phân bố lu tốc lý tởng theo thủy trực tại cửa ra có xét tới ảnh
hởng tổng hợp của dòng trn v dòng mật độ.
Trong nghiên cứu trên, giả thiết rằng cảng có chiều di vô hạn, điều ny không đúng
với thực tế. Độ mặn trung bình tăng phía trong cảng v độ lớn dòng mật độ phụ thuộc
vo hình dạng của cảng. Để tính toán đợc nêm mặn xâm nhập sâu bao nhiêu vo trong
cảng, cần tính toán sự liên tục của quá trình tiến vo của nêm. Các điều kiện đó l:
1. Nớc mặn xâm nhập vo đến một vị trí no đó.
2. Chuyển động ny do lực khởi động sinh ra do sự khác nhau về độ muối.
Điều kiện đầu phụ thuộc vo hình dạng lu vực cảng; điều kiện thứ 2 phụ thuộc vo
điều kiện thủy lực dòng chảy.
228

Hình 9-10: Phân bố lu tốc lý tởng trên thủy trực v
tổng hợp các thnh phần tại các thời điểm khác nhau.

Ví dụ:
Để phân tách các điều kiện ny, giả thiết rằng tại thời điểm ban đầu nớc trong cảng v
sông lân cận có mật độ nh nhau v bằng 1005 kg/m
3
. Tại một thời điểm no đó, mật
độ trong sông tăng lên 1015 kg/m
3
, v đây l điều kiện xuất hiện lực do chênh lệch mật
độ, mặc dù không có thủy triều. Giả sử mặt cắt khu vực cảng l chữ nhật với độ sâu h =
7m v chiều di L = 2500 m nh hình 9-11.
229

Sử dụng phơng trình (9-14) với việc sử dụng hệ số 0.35 thay cho 0.45, ta tìm đợc
dòng mật độ có vận tốc 1042 m/h. Với lu tốc ny, nêm mặn tiến vo điểm cuối cùng
của cảng trong thời gian 2giờ 24 phút nếu nh không có bất kỳ cản trở no. v sóng
tiến sẽ bị phản xạ tại phía cuối của cảng trở ra phía cảng với tốc độ truyền sóng tơng
tự v sau 4 giờ 48 phút thì hon thnh một chu kỳ của nó. Vị trí của nêm mặn sau mỗi
khoảng thời gian nửa giờ đợc thể hiện bằng hình đứt nét trên hình 9-11. Khi nêm mặn
trở lại phía cửa vo thì quá trình chuyển động cũng dừng lại vì không có sự khác nhau
về mật độ trên mặt cắt cửa vo.
Điều gì xảy ra khi nớc trong cảng có mật độ thấp? Loại nớc ny chiếm phần lớn khu
vực sông phía ngoi cảng với một lớp mỏng, nơi sóng sẽ lm tăng thêm quá trình xáo
trộn xuống lớp dới sâu hơn. thời gian cần thiết để dòng mật độ vo cảng v xáo trộn
với nớc trong cảng chính l thời gian lệch pha giữa thời điểm có độ muối lớn nhất ở
trong sông v trong cảng. Nớc trong sông v cảng sẽ pha trộn với nhau khi xuất hiện
lực mật độ v khi sự pha trộn hon ton xảy ra thì lực đó cũng triệt tiêu.
ở khía cạnh khác thì phức tạp hơn khi không đủ thời gian để quá trình xáo trộn hon
ton. Vấn đề ny đợc trình by trong ví dụ dới đây.
230

Cũng nh trong ví dụ trớc, giả sử nớc trong cảng có mật độ U = 1005 kg/m
3
v mật
độ nớc sông phía ngoi cửa cảng thay đổi từ 1005 to 1015 kg/m
3
. Thời gian duy trì độ
muối 1015 kg/m
3
l 1giờ 12 phút, sau đó mật độ nớc sông lại trở lại 1005 kg/m
3
. Quả
thực sau 1 giờ 12 phút, tình hình trở lại đúng nh ví dụ ở phần trớc, nghĩa l sau 1 giờ
12 phút tình hình đợc mô tả nh hình 9-12 v lực khởi động bị triệt tiêu. Tuy nhiên,
do mô men quán tính, khối nớc với mật độ U = 1005 kg/m
3
tiếp tục chuyển động
chậm dần vo phía trong, nhng mặt tiếp xúc phía trong của 2 khối nớc có mật độ
khác nhau rất không ổn định v tồn tại ở lớp dới với độ dy 3.5 m v theo thời gian độ
dy lớp ny mỏng dần.
Quá trình xâm nhập của nớc mặn vo cảng l kết quả của quá trình vận chuyển một
khối lợng bùn cát đáng kể vo cảng.
Hình 9-12: Dòng mật độ trong cảng
231

Trong thực tế, các mô hình vật lý v các công thức kinh nghiệm có thể sử dụng để dự
báo lợng bùn cát phải nạo vét v giải pháp để giảm thấp tốc độ bồi lắng. Có thể nói có
tới 80% lợng bùn cát bồi lắng l do dòng mật độ hình thnh do sự trao đổi nớc có
mật độ khác nhau. Sự trao đổi ny phụ thuộc vo hình dạng của cửa vo. Nhân tố dòng
xoáy v dòng chảy trong sông cũng góp phần lm tăng quá trình bồi lắng.
9.4.1 Bồi lắng trong cảng

Sự thay đổi độ muối l nguyên nhân liên kết của các hạt mịn để hình thnh hạt có kích
thớc lớn hơn v tăng nhanh quá trình bồi lắng. Quá trình ny thậm chí xảy ra nhanh
hơn ở trong cảng so với ngoi sông do nớc trong cảng tĩnh lặng hơn ở ngoi sông. Tất
cả các nguyên nhân nêu trên l điều kiện để quá trình bồi lắng trong cảng xảy ra.
Với việc nạo vét thì tổng lợng bùn cát bồi lắng l thông tin quan trọng. Lợng bùn cát
ny, tính toán sơ bộ bằng lợng nớc trao đổi trong một chu kỳ triều nhân với chênh
lệch nồng độ bùn cát của dòng mang vo v chảy ra. Kết quả tính toán có thể kiểm
nghiệm bằng các số liệu đo đạc thực tế v sẽ đợc trình by ở phần sau.
9.4.2 Bi toán thực tế
Vấn đề thảo luận trên đây chỉ đúng khi giả thiết thỏa mãn. Tuy nhiên, giả thiết mật độ
nớc sông thay đổi đột ngột l không đúng trong thực tế. Hơn nữa phần lớn mặt cắt
ngang của cảng không phải l chữ nhật. Đa ra một tính toán lý thuyết có thể chấp
nhận đợc cho mặt cắt tùy ý l rất phức tạp. Vì lý do đó, nghiên cứu trên các mô hình
vật lý bao giờ cũng l một lựa chọn đợc các nh nghiên cứu quan tâm.
Hớng thứ 2 cũng đợc quan tâm, đó l xây dựng những công thức kinh nghiệm hay
bán kinh nghiệm về sự trao đổi nớc cũng nh các hệ số kinh nghiệm, dựa trên các số
liệu quan trắc ở những cảng cụ thể. Các công thức loại ny đợc dùng để dự báo cho
các cảng có điều kiện gần tơng tự nhau. Vì thể tích có thể tính bằng tích tốc độ với
mặt cắt ớt v thời gian nên có thể thấy rằng căn bậc 2 của chênh lệch mật độ nhân với
độ sâu sẽ bằng tốc độ nhân với diện tích mặt cắt ớt tại cửa vo A
e
. Kết quả khảo sát
thực địa ở khu vực cảng Rotterdam đã đa đến biểu thức kinh nghiệm dới đây:
hAGV
ed
'
G
(9.15)
Trong đó:
V

d
=Tổng lợng nớc đi qua mặt cắt ngang cửa vo dới tác dụng của dòng mật độ
trong một chu kỳ triều.
A
e
= Diện tích mặt cắt ngang cửa vo (m
2
)
G = Hệ số phụ thuộc vo mỗi cảng
h =Chiều sâu nớc trung bình trong cảng (m)
'
G
= mật độ tơng đối xác định bằng biểu thức sau:
232

U
U
U
G
minmax
'


(9.16)
với:
U
min
= Mật độ nhỏ nhất trong sông
U
max

= Mật độ lớn nhất trong sông
U
= Mật độ trung bình trong sông trong một chu kỳ triều.
Phơng pháp tính toán ở trên ứng dụng đối với các cảng sông chịu ảnh hởng của thủy
triều. Hơn nữa, kích thớc v hình dạng cảng dự kiến xây dựng thờng khác với các
đặc trng của những cảng đã có sẵn. trong những trờng hợp ny, các sơ đồ đã trình
by trên không thể áp dụng trực tiếp đợc v không thể lấy trực tiếp hệ số G. Chính vì
vậy hớng sử dụng mô hình toán cũng đợc quan tâm. Tuy nhiên khi sử dụng mô hình
cần chú ý nó cho phép mô phỏng thnh lớp v thông thờng mô hình 1 chiều không đủ
mạnh để tính toán.
Dòng mật độ thực sự quan trọng trong quá trình lắng đọng của bùn cát, vì nó liên quan
đến giá cả nạo vét. Vì vậy, ớc tính độ lớn dòng mật độ l rất quan trọng trong giai
đoạn nghiên cứu khả thi, thậm chí các ớc lợng cũng rất có ý nghĩa. Kỹ thuật tính
toán đợc thể hiện trong ví dụ dới đây.
Một cảng đợc bố trí trong sông chịu ảnh hởng triều có hm lợng bùn cát l 77mg/l.
Cảng có chiều di 2000m v mặt cắt hình thang với độ dốc mái m = 4, độ lớn thủy
triều l 1.7 m v chiều sâu tại mực nớc triều thấp nhất l 13.5 m
Hình 9-13 thể hiện cảng dự kiến nh vậy với chiều rộng đáy l 400 m. Sông có độ
muối tối đa l 8.06 () v tối thiểu l 2.47 (). Với nhiệt độ nớc T = 16
0
C mật độ
nớc sông đạt giá trị lớn nhất l 1005.18 kg/m
3
v nhỏ nhất l 1000.85 kg/m
3
, kết quả
l:
3'
1032.4
02.1003

85.100018.1005



x
G
(9.17)
Độ sâu nớc trung bình trong cảng l:

mxh 35.147.1
2
1
5.13 (9.18)
Độ rộng tại mực nớc tơng ứng l:
400 + (14.35 x 8) = 515 m (9.19)
Diện tích mặt cắt ớt tơng ứng:
2
6565)35.14)(515400(
2
1
mA
e
(9.20)
Thể tích nớc triều mang vo do dòng trn, trong một chu kỳ triều sẽ l:
P = (515)(2000)(1.7) = 1.75 x10
6
m
3
(9.21)
233

Hình 9.13: Sơ đồ hóa cảng tính toán
Mỗi m
3
nớc mang theo 77 g bùn cát. Tuy nhiên không phải ton bộ số bùn cát ny sẽ
lắng đọng trong cảng trong chu kỳ triều tính toán m một phần vẫn tồn tại dới dạng
bùn cát lơ lửng chảy theo dong nớc ra vo cảng. Lợng bùn cát do dòng chảy mang
theo l bao nhiêu thì hoặc xác định bằng số liệu đo đạc hoặc bằng các thí nghiệm trong
phòng. Trong ví dụ, giả thiết rằng lợng ny l 10 mg/l hay 10 g/m
3
, thì lợng bồi lắng
trong cảng l 67 g/m
3
.
Tổng lợng bùn cát lắng đọng sẽ l:
S
f
= (1.75 x10
6
)(67)(10
-3
) = 1.17x10
5
kg/chu kỳ triều (9.22)
ảnh hởng của dòng mật độ đợc tính bằng công thức (9-15). Thể tích nớc trao đổi do
dòng mật độ trong chu kỳ triều với giả thiết G = 8000 mg/chu kỳ triều sẽ l:
tidemxxxxV
d
/1031.1)35.14)(1032.4(65658000
373

(9.23)
Một nửa lợng nớc ny (6.53x10
6
m
3
/ chu kỳ triều) đi vo cảng phía đáy dới dạng
nêm mặn mang theo bùn cát S
d1
vo cảng, nghĩa l:
234

S
d1
= (6.53x10
6
) (67) (10
-3
) = 4.38x10
5
kg/chu kỳ triều (9.24)
Nửa còn lại, lợng nớc trao đổi phía trên mặt v nêm mặn di chuyển hớng ra cửa
thuộc nửa phía trên (xem hình 9 11). Vì nửa phía trên thờng có hm lợng bùn cát
nhỏ hơn, hay bùn cát giữ lại trong cảng cũng ít hơn. Đối với cảng Rotterdam, giả thiết
rằng dòng mặt chỉ mang theo 20% lợng bùn cát m bùn cát thờng rất mịn, nên quá
trình bồi lắng xảy ra rất chậm chạp. Giả thiết rằng chỉ có 10 mg/l đợc bồi lắng trong
cảng. Điều đó có nghĩa l:
S
d2

= (6.53x10
6
)(0.2x77-10)(10
-3
) = 3.53x10
4
kg/chu kỳ triều (9.25)
Các thnh phần bùn cát khác nhau lắng đọng trong cảng đợc thống kê ở bảng dới
đây. Ta có thể thấy rằng trên 80% lợng bùn cát lắng đọng l do dòng mật độ gây ra.
Bảng 9.3: Các thnh phần bùn cát lắng đọng trong cảng
Thnh phần Số lợng(kg/chu kỳ triều) % so với tổng số
Dòng trn 1.17 x 10
5
19.8
Nớc mặn đi vo 4.38 x 10
5
74.2
Nớc mặn đi ra 3.53 x 10
4
06.0
Tổng do dòng mật độ 4.73 x 10
5
80.2
Tổng cộng 5.90 x 10
5
100.0
Một câu hỏi thờng trực cho việc bảo dỡng thờng xuyên cảng l sau một năm cảng
bị bồi lấp bao nhiêu? vấn đề ny sẽ đợc lm rõ rng nếu dung trọng khô v dung trọng
tự nhiên của bùn cát đợc xác định. Thông thờng, dung trong khô của bùn cát l
2650 kg/m

3
v dụng trọng tự nhiên l 1200 kg/m
3
. Gọi V
v
lợng nớc lấp đầy lỗ rỗng
của 1 m
3
bùn cát thì:
1200 = (2650) (1-V
v
) + (1000) (V
v
) (9.26)
Từ đó tính đợc V
v
= 0.88. hay trong 1m
3
bùn cát chứa:
(1-0.88) (2650) = 318 kg (9.27)
các hạt khô. Nh vậy, theo bảng 9-3 thì thể tích bùn cát khô sẽ l:
(5.9 x 10
5
) / (318) = 1855 m
3
(9.28)
Giả sử khu vực nghiên cứu có chế độ bán nhật triều, nghĩa l trong 1 năm số lần nớc
vo ra cảng sẽ l:
(365.25)x (24) / (12.42) = 706 (9.29)
v lợng bùn cát bồi lắng trong cảng trong thời gian 1 năm sẽ l:

(1855) (706) = 1.31x10
6
m
3
/year (9.30)
235

giả thiết rằng thể tích bùn cát lắng đọng đều trong cảng thì độ dy lớp lắng đọng sẽ l:
(1.31 x 10
6
) / (2000)(400) = 1.64 m (9.31)
Kinh nghiệm cho thấy nếu nạo vét lớp bùn cát có chiều dy nhỏ hơn 2.5 m l không
kinh tế. Trong trờng hợp ny nên nạo vét với chu kỳ 18 tháng
Rõ rng rằng dòng mật độ có vai trò rất quan trọng, nếu bằng cách no đó loại bỏ đợc
vai trò của dòng mật độ thì chu kỳ phải nạo vét có thể tăng lên khoảng 5 lần (xem bảng
9-1) tơng ứng với khoảng thời gian khoảng 7 năm, nh vậy ý nghĩa kinh tế sẽ rất cao.
Các tính toán sơ bộ thờng không cho kết quả đáng tin cậy do dòng chảy tại cửa vo
cảng rất phức tạp. Tính phức tạp thể hiện ở hình trạng thái chảy vòng v chảy xoáy ở
cửa vo. Sự tơng tác giữa dòng chảy vo v dòng chảy vòng ở phía trên mặt v dới
đáy sẽ lm thay đổi lợng bùn cát mang vo trong cảng. Nếu cảng nhỏ, lợng nớc
trao đổi xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn v lợng bùn cát lắng đọng do quá
trình ny cũng kết thúc cùng với quá trình trao đổi, tuy nhiên dòng xoáy vẫn tiếp tục
tác dụng v có sự trao đổi bùn cát từ sông vo cảng. Vai trò của dòng xoáy khá trội đối
với các cảng nhỏ.
Dòng xoáy cũng ảnh hởng đối với những cảng lớn. Tuy nhiên, quá trình ny có xu thế
bị kích thích bởi các thnh phần dòng chảy khác ở cửa cảng nhiều hơn các thnh phần
dòng chảy trong sông. Nh vậy, chúng cung cấp lợng bùn cát nhỏ vo trong cảng.
Hãy tởng tợng rằng vùng cửa sông sẽ có sự cạnh tranh của các loại dòng xoáy, dòng
trn, dòng mật độ v dòng chảy sông ngòi v dòng chảy tổng hợp sẽ rất phức tạp.
Các tu nhỏ với mớn nớc nông thờng chịu ảnh hởng của dòng mặt, trong khi các

tu lớn với mớn sâu thì đáy của nó chạm vo khu vực mặt ngăn cách của các lớp nớc
nơi chịu ảnh hởng cùng lúc các loại dòng chảy v ta có thể tởng tợng đợc ngời
hoa tiêu trên tu sẽ gặp phải những khó khăn ngoi mong muốn nh thế no.
9.4.3 Giải pháp giảm ảnh hởng dòng mật độ trong cảng.
Các phơng pháp giảm ảnh hởng của dòng mật độ bao gồm:
1. Thu hẹp cửa vo cảng: Vì lợng nớc trao đổi thông qua cửa tỉ lệ thuận với diện
tích mặt cắt ớt. Vì vậy nếu thu hẹp chiều rộng thì sẽ giảm đợc lợng nớc trao
đổi. Trong thực tế, việc thu hẹp cửa không phải bao giờ cũng đạt kết quả nh mong
muốn. Dòng mật độ xâm nhập vo theo cả chiều ngang v chiều dọc của cảng. Điều
ny có xu thế tăng khi lực khởi động lm tăng độ dốc mặt ngăn cách giữa 2 khối
n
ớc. Tuy nhiên việc xác định dung tích của mỗi khối nớc không dễ dng.
2. Lắp đặt hệ thống cửa tại cửa vo cảng lm mực nớc trong cảng không đổi v nh
vậy dòng trn không vo đợc. Vì mực nớc trong cảng không đổi, điều ny thuận
tiện cho việc bốc xếp trong cảng, nhng không thuận tiện cho việc vận chuyển ra
236