Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 7 pptx

121

21 Đo đạc triều trên sông
E.W. Bijker
21.1 Mở đầu
Một trong những yêu cầu quan trọng nhất về số liệu điều tra, khảo sát các
sông có triều là mực nớc. Việc quan trắc triều, độ sâu lạch và địa hình đáy đều
liên quan tới vấn đề này.
Những số liệu này có thể thu đợc dễ dàng từ các trạm tự ghi mực nớc, qua
đó có thể xác định đợc mực nớc biển trung bình. Về nguyên tắc những số liệu
tơng tự có thể tiến hành đối với các vùng trong đất liền dọc theo các cửa sông
thông qua các kỹ thuật khác nhau, tuy nhiên công việc này thờng gặp rất nhiều
khó khăn đặc biệt đối với các vùng biển nhiệt đới, tại đó hầu nh không có đợc
các chuỗi quan trắc đảm bảo.
Một cách khác để xác định các số liệu mực nớc tại những khu vực nêu trên
sẽ đợc diễn giải trong phần tiếp theo. Cách này chủ yếu căn cứ vào chính đặc
điểm của sông.
Một trong những giả thiết quan trọng đợc sử dụng trong toàn chơng này là
việc cho rằng dòng nớc ngọt từ sông đổ ra là không đáng kể.
21.2 Cách đặt vấn đề cụ thể
Vấn đề đơn giản nếu chúng ta cần xác định mực biển trung bình tại cửa sông
theo số liệu trạm đo mực nớc. Chúng ta cũng dễ dàng tiến hành đo mực nớc tại
một điểm bất kỳ về phía thợng lu ( điểm A trên hình 21.1). Vấn đề đặt ra bây
giờ là xác định số liệu mực nớc trên cho điểm thứ hai nằm trên điểm B. Cho
rằng quy mô thời gian đo tại hai điểm nêu trên là đồng bộ.
Bài toán bây giờ có thể dẫn đến việc xác định thời điểm mà tại đó mực nớc
trên hai trạm A-B nh nhau không tạo nên độ nghiêng mặt nớc. Nh vậy giá trị
tuyệt đối của mực nớc tại hai trạm hoàn toàn nh nhau.
Vận tốc triều trên điểm C nằm giữa A và B cũng cần đợc xác định. Tất cả

các loại số liệu nêu trên đợc dẫn ra trong bảng 21.1 và hình 21.1 đối với cửa sông
nêu trên.



122

Hình 21.1 Sơ đồ sông





21.3 Ví dụ về phơng pháp giải đơn giản
Chuyển động triều trên sông có thể mô tả bằng phơng trình sau:
hC
VgV
x
z
q
t
V
x
V
V
2

(21.01)

trong đó:
C là hệ số ma sát Chezy
g là gia tốc trọng trờng
h là độ sâu
t thời gian
V là vận tốc dòng
x toạ độ dọc sông
z mực nớc tuyệt đối.
Phơng trình này hoàn toàn nh phơng trình 20.02 ở chơng trớc.
Nếu nh các số hạng quán tính trong vế trái phơng trình 21.01 có thể bỏ
qua, thì độ dốc mặt biển sẽ đạt đợc tại thời kỳ nớc đứng.
Rất tiếc vì điều này quá đơn giản. Do vai trò quán tính khá quan trọng nên
nớc tiếp tục chảy cho tới khi độ dốc theo hớng ngợc lại đợc hình thành. Điều
đó có nghĩa rằng độ dốc sẽ bằng zero tại thời điểm trớc khi nớc đứng một
khoảng t. Trong phần này ta cho rằng ảnh hởng của quán tính khi khi triều
cao cũng tơng tự nh khi triều thấp và do đó:
t
f
= t
e
(21.02)

Nói cách khác tại thời điểm trớc khi nớc đúng lên t
f
và trớc khi nớc
đứng rút t
e
, giá trị mực nớc tuyệt đối trên hai đờng cong triều là nh nhau.
Giả thiết 21.02 sẽ đảm bảo nếu nh không có dòng nớc ngọt từ sông đổ ra.
Trong trờng hợp lu lợng nớc sông lớn, sai số của phép xấp xỉ này sẽ trở nên
đáng kể. Trong trờng hợp đó, phơng pháp chúng tôi trình bày trong phần sau


123

sẽ đa ra kết quả tốt hơn. Tuy nhiên những trờng hợp lu lợng lớn cũng làm
biến đổi đáng kể các kết quả tính toán.
Vấn đề đợc giải bằng toán đồ bằng cách dịch chuyển đờng cong triều tại
điểm B theo hớng thẳng đứng qua đờng cong A. Khi vị trí đợc trùng với giá trị
t, mực nớc tại A và B nh nhau tơng ứng với tỷ lệ trục thẳng đối với A cũng
nh đối với B. Hai đờng cong triều trong vị trí mô tả trên đây đợc thể hiện trên
hình 21.3.
Trên hình này đờng cong triều A đợc thể hiện bằng đờng đậm liền. đờng
cong của điểm đợc thể hiện bằng đờng ngắt và thời điểm nớc đứng cũng nh
trên hình 21.2. Giá trị thu đợc của t không có ý nghĩa đặc biệt nào. Chúng ta
thực sự quan tâm đến giá trị zero đợc sử dụng trong chuỗi mực nớc tại B vì nó
tơng đơng với 0,53 m so với mực nớc trung bình. Nh vậy chuỗi mực nớc
tại B có thể so sánh với mực nớc trung bình bằng cách lấy giá trị trong bảng 21.1
trừ đi 0,53 mét.

Bảng 21.1 Số liệu mực nớc và dòng chảy
Thời gian

(h)
Mực triều tại A
(m)
Mực triều tơng đối tại B
(m)
Dòng chảy tại C
(m/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
+0,15
-0,35
-0,75
-1,00
-1,00
-0,75
-0,20
+0,30

+0,72
+0,95
+0,98
+0,80
+0,37
-0,18
-0,68
+0,99
+0,69
+0,22
-0,06
-0,21
-0,13
+0,15
+0,49
+0,91
+1,14
+1,32
+1,31
+1,11
+0,77
+0,39
-0,10
-0,35
-0,52
-0,60
-0,57
-0,45
-0,24
+0,10

+0,38
+0,50
+0,50
+0,37
+0,07
-0,25
-0,44


124


Hình 21.2. Mực nớc nớc triều tại A (trên), B (giữa) và dòng chảy tại C (dới)

Hình 21.3. Hiệu chỉnh các đờng cong triều

21.4 Lời giải chính xác hơn
Giả thiết cơ bản đợc sử dụng trong phần trớc đó là các khoảng thời gian t
f

và t
e
nh nhau (phơng trình 21.02). Giả thiết này thờng không đợc đảm bảo,


125

đặc biệt trong trờng hợp khi đờng cong vận tốc tại điểm C trên hình 21.1 không
đối xứng.
Cơ sở lý thuyết vẫn dựa vào phơng trình 21.01 mà chúng tôi một lần nữa

nhắc lại đây để tiện trình bày:
hC
VgV
x
z
q
t
V
x
V
V
2










(21.01)

Đối với các bài toán triều:

t
V
x
V

V






(21.03)
Điều này càng chính xác khi vận tốc trở nên bé gần điểm nớc đứng. Mặt
khác tại thời điểm quan tâm:
0


x
z

(21.04)

Nh vậy, khi thay 21.04 và bỏ qua các thành phần nhỏ không đáng kể trong
phơng trình 21.01, sẽ có:
h
C
VgV
t
V
2

(21.05)

có thể đợc thay bằng đạo hàm toàn phần trong 21.05:
h
C
VgV
dt
dV
2


(21.06)

Các biến có thể tách:

hC
gdt
VV
dV
2


(21.07)


Tích phân biểu thức này cho ta:
g
hC
tV
2

(21.08)

Phơng trình 21.08 cho ta mối tơng quan giữa V và t gần thời điểm nớc
đứng, khi
0


x
z
. Một cách tơng tự nh trên ta có thể cho ta tơng quan đối với
t
V


.
Do độ sâu nớc, h, tại cả hai điểm A và B có thể đo đợc vào thời điểm nớc
đứng cục bộ, chúng ta chỉ cần đánh giá hệ số ma sát Chezy để sử dụng phơng
trình 21.08. Sau khi thu đợc các giá trị cần thiết có thể xây dựng toán đồ đối với
g
hC
consttV
2

cho điểm đứng triều cao tại B và điểm đứng triều thấp tại A.
Các đờng cong này có thể kết hợp với đờng đo vận tốc tại C với điểm gốc toạ độ
trùng nhau. Đờng V-t từ phơng trình 21.08 chuyển dịch dọc trục thời gian
nhằm tìm ra các điểm trên đó nó là tiếp tuyến của các đờng cong mực nớc. Thời

126

điểm trên trục thời gian liên quan tới các điểm cắt đó chính là thời điểm tơng
ứng
0


x
z
và nh vậy các đờng cong triều A và B sẽ cắt nhau.
Các thủ tục tiến hành vừa trình bày sẽ đợc chi tiết hoá trong ví dụ giả định
sau.
21.5 Ví dụ
Ví dụ này áp dụng cho cùng đối tợng sông nh đã trình bày trên hình 21.1.
Lần này số liệu đợc dẫn ra trong bảng 21.2 và hình 21.4. Hệ số Chezy đợc chọn
bằng 60 m
1/2
/s.
Bảng 21.2. Số liệu triều và dòng chảy
Thời gian
(h)
Mực nớc tại A
(m)
Mực nớc tơng đối
tại B (m)
Dòng chảy tại C
(m/s)
0
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
+0,45
0.00
-0.33
-0,67
-0,90
-0,98
-0,79
-0,30
+0,40
+0,83
+1,00
+0,87
+0,60
+0,25
-0,15
0,75
+0,33

-0,04
-0,35
-0,55
-0,62
-0,47
-0,15
+0,35
+0,75
+0,98
+1,05
+0,87
+0,55
+0,15
+0,21
+0,07
-0,08
-0,21
-0,37
-0,50
-0,60
-0,62
-0,20
+0,40
+0,50
+0,42
+0,32
+0,14
-0,05

Độ sâu, h, tại điểm B trong khi nớc đứng cao là 8 mét và tại B khi nớc

đứng thấp là 7 mét. Nh vậy, đối với điểm A:
2568
81,9
)7()60(
22

g
hC
m
(21.09)

và điểm B:

2935
81,9
)8()60(
22

g
hC

(21.10)




127

Các đờng cong hình 21.08 sử dụng các hằng số xác định từ hai phơng trình
trên đợc dẫn ra trên hình 21.05.

Hình 21.4 Số liệu triều và dòng chảy
Mỗi đờng cong trên hình 21.5 đợc trích riêng từ hình 21.4. đờng V-t đợc
dịch chuyển ngang dọc theo trục toạ độ của đờng vận tốc cho đến khi hai đờng
này tiếp tuyến với nhau. Điểm này đợc chiếu lên đờng cong triều A. Tơng tự
có thể tiến hành đối với đờng V-t thứ hai đối với đờng cong triều A.


128


Hình 21.5 Các đờng cong vận tốc

Hình 21.6 Phơng án giải bằng toán đồ
Nếu nh tất cả các giả thiết đa ra là chính xác, thì đờng cong triều B có
thể đặt lên đờng cong triều A và từ đó xác định các điểm cắt nhau nh vừa tiến
hành. Thông thờng điều này khó có thể thành hiện thực, chúng ta có thể thu
đợc kết quả cuối cùng bằng cách dịch chuyển đờng cong triều B theo hớng
thẳng đứng cho đến khi khoảng thời gian giữa các điểm cắt nhau theo lý thuyết
và thực tế nh nhau.
Hình 21.6 cho ta đờng cong vận tốc đợc đặt với các đờng V-t. Các điểm cắt
nhau đợc chiếu lên các đờng cong triều. Hai khoảng thời gian bằng nhau cũng
đợc đa ra. Các số liệu của đờng cong B đợc giảm đi 0,21 mét so với mực nớc
trung bình.


129

21.6 Phân tích đánh giá
Cũng cần nhắc lại rằng phơng pháp vừa trình bày tuy thuộc loại tốt nhất,
nhng cũng chỉ đa ra các kết quả gần đúng. Những kết quả này cũng chỉ mới

đảm bảo cho các khảo sát ban đầu.
Khoảng cách dọc theo sông giữa các điểm A và B có thể biến đổi từ vài
kilômét đến hàng trăm kilômét. Điều quan trọng là việc đo đạc dòng chảy cần
tiến hành tại điểm giữa A và B.
Khi độ sâu trở nên nhỏ, số hạng ma sát trong phơng trình 21.01 tăng lên
đến các giá trị tơng đơng số hạng quán tính. Đối với độ sâu đủ nhỏ, số hạng
quán tính có thể bỏ qua và mặt nớc có thể trở nên ngang đúng nh vào thời
điểm nớc đứng. Trong trờng hợp này các đờng cong triều ngang và thẳng
đứng lệch pha 1/4 chu kỳ.
Các ảnh hởng của sự khác biệt mật độ trên các cửa sông sẽ đợc trình bày
trong chơng tiếp theo.



130

22 Dòng chảy mật độ trong sông
E.W. Bijker, L.E. van Loo, J. de Nekker
22.1 Mở đầu
Trong hai chơng trớc chúng ta đã xem xét triều ảnh hởng đến sông nhng
không để ý đến một thực tế rằng nớc sông nhạt và nớc biển mặn. Vai trò của
chênh lệch độ muối đó lên các quá trình cửa sông sẽ đợc xem xét trong chơng
này. Chơng 23 sẽ đợc xem nh một chơng bổ sung về ảnh hởng của các cảng
nằm dọc sông.
Cách tiếp cận sử dụng trong chơng này xuất phát hoàn toàn từ yêu cầu
thực tiễn. Các phơng pháp dẫn dắt tới những phơng trình sử dụng trong
chơng này có thể tìm đợc từ các tài liệu tham khảo cũng nh các sách chuyên
đề về các loại dòng chảy mật độ.
22.2 Biến đổi độ mặn theo triều
Nớc biển sẽ đi vào các cửa sông khi triều lên ngoại trừ trờng hợp nớc sông

đổ ra quá nhiều và chiếm lĩnh toàn bộ thể tích triều trong pha triều lên. Có rất ít
sông thờng xuyên đảm bảo lu lợng nớc để không cho phép nớc biển xâm
nhập ít ra là trong một thời kỳ ngắn.
Độ muối tại nhiều điểm trên sông biến đổi tuân theo chu kỳ triều. Cũng do
nớc từ biển xâm nhập vào sông nên độ muối trong sông đạt cực đại vào kỳ nớc
đứng cao. Điều này đợc minh hoạ bằng bảng 22.1 và hình 22.1 đối với
Rotterdam. Số liệu dòng chảy hoàn toàn giống nh trong bảng 20.1. Cũng nh
lần trớc, dòng chảy khi triều lên đợc xem là dơng.
Trong ví dụ này, độ muối cực đại đạt đợc ngay sau khi nớc đứng cao. Việc
giải thích hiện tợng này sẽ đợc trình bày trong phần 6 của chơng này.
Từ chơng 3 chúng ta đã biết rằng độ muối nớc biển vào khoảng 35%o, nh
vậy nớc biển thực không bao giờ đạt tới Rotterdam. Các quá trình xáo trộn đã
khuyếch tán nớc biển vào nớc sông và hình thành nên nớc lợ. Nếu điểm quan
trắc đợc tiến hành tại khu vực gần biển hơn thì có thể thu đợc độ muối cực đại
cao hơn. Càng đi sâu vào trong sông thì giá trị cực đại này sẽ trở nên thấp hơn.


131


H×nh 22.1 Dßng ch¶y vµ ®é muèi t¹i Rotterdam
B¶ng 22.1 Sè liÖu triÒu t¹i Rotterdam
Thêi gian
(h)
Dßng ch¶y
(m/s)
§é muèi s«ng
(%o)
0
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-0,15
+0,08
+0,60
+0,75
+0,44
+0,07
-0,44
-0,73
-1,03
-1,05
-0,85
-0,52
-0,30
2,48
2,47
2,83
3,64
5,08
7,25

8,06
7,16
6,08
4,90
3,64
2,65
2,48




132

Mức độ xáo trộn nớc trên khu vực cửa sông có thể đánh giá gần đúng thông
qua tỷ số giữa thể tích triều và lu lợng sông. Trong bảng 22.2, tham số xáo
trộn, M, đợc xác định theo biểu thức:
P
TQ
M
r
'


(22.01)

trong đó:
M là tham số xáo trộn,
P là thể tích triều,
Q
r

là lu lợng nớc ngọt từ sông,
T là chu kỳ triều, tính bằng giây (s).
Trên các sơ đồ mặt cắt dọc sông, ta xem biển nằm về bên trái, các đờng đẳng
độ muối đợc dẫn ra.

Bảng 22.2. Các đặc trng xáo trộn sông
M Mô tả Sơ đồ


0


Xáo trộn






0,1



Phân tầng
một phần

1,0




Phân tầng
mạnh


Ghi chú: Các sơ đồ không trình bày theo tỷ lệ,
Trên mỗi sơ đồ độ muối tăng về phía trái.
Một hớng nghiên cứu cơ bản hơn để giải quyết vấn đề này đã đợc Ippen và
Harleman (1961) áp dụng đối với các quá trình xáo trộn thông qua tham số phân
tầng không thứ nguyên. Tham số này đợc xác định theo tỷ số sau:


133

22.3 Năng lợng tản mát / phần d của thế năng
đợc tính cho một đơn vị khối lợng chất lỏng. Năng lợng tản mát thực tế là
phần suy giảm năng lợng triều trong cửa sông, còn phần d của thế năng là
phần thế năng thu đợc khi nớc tăng mật độ (độ muối) trong quá trình chảy
xuôi dòng.
Harleman và Abraham (1966) đã cho rằng tham số phân tầng chỉ phụ thuộc
duy nhất vào tham số không thứ nguyên của cửa sông, đợc định nghĩa theo hệ
thức sau:
M
F
TQ

PF
E
r
22
'


(22.02)

trong đó: F là số Froude tính theo vận tốc triều lên cực đại tại cửa sông.
Do có thể xác định đễ dàng hơn nên tham số cửa sông tiện lợi hơn trong sử
dụng so với tham số phân tầng. Ngợc với tham số xáo trộn, quá trình xáo trộn
cửa sông tăng lên cùng với sự gia tăng của tham số cửa sông. Cửa sông sẽ đợc
xem là xáo trộn mạnh nếu nh tham số cửa sông lớn hơn 0,15.
Một vấn đề khác liên quan tới cửa sông là việc xác định phân bố độ muối
trong cửa sông. Harleman và Abraham (1966) đã thử giải quyết vấn đề này bằng
cách sử dụng mô hình lý thuyết 1 chiều đối với phân bố độ muối trong cửa sông.
Trong mô hình trục toạ độ x đợc lấy theo hớng ngợc dòng tính từ cửa vào theo
trục lạch. Với mô hình 1 chiều, độ muối chỉ đợc xem biến đổi theo một hàm của
thời gian và vị trí dọc theo trục lạch. Hơn nữa họ cho rằng phân bố độ muối đợc
xác định bởi sự cân bằng giữa khuyếch tán đi vào và bình lu đi ra đối với dòng
nớc ngọt từ sông.
Do các trạng thái tới hạn của phân bố độ muối (xâm nhập cực đại và cực tiểu)
xuất hiện vào các thời điểm nớc đứng (tơng ứng nớc đứng cao và nớc đứng
thấp) chúng ta có thể nghiên cứu các trạng thái này sử dụng phơng trình đạo
hàm thờng đơn giản:
dx
dS
DSV
S

Sr


(22.03)

trong đó:
S
s
là độ muối vào thời điểm nớc đứng,
V
r
là vận tốc dòng nớc ngọt (có giá trị âm),
x là trục toạ độ (dơng theo chiều ngợc dòng),
D là hệ số khuyếch tán thực bao gồm tất cả các quá trình xáo trộn.
Để giải đợc phơng trình này, hệ số D cần đợc xem nh một hàm của x.
Biểu thức sau đây đã đợc sử dụng:
B
x
BD
D


0

(22.06)

trong đó:
B là khoảng cách tính từ cửa sông đến địa đIểm độ muối bằng độ muối đại
dơng, và
D

0
là hệ số khuyếch tán tại x = 0.


134

Tại x = - B và D = quá trình xáo trộn dẫn tới độ muối không đổi. (Các công
thức 22.04 và 22.05 đã đợc lợc bỏ trong lần hiệu đính này).
Thay 20.06 vào 20.05 và lấy tích phân ta có:


BD
B)xV
tconsS
r
S
0
2
2
tanln



(22.07)

Hằng số tích phân đợc xác định theo định nghĩa B:

0
SS
BxS

độ muối đại dơng
(22.08)

Theo đó công thức 22.07 trở thành:










2
00
2
exp Bx
BD
V
S
S
rS

(22.09)

S
S
sẽ giảm khi x tăng, do V
S

có giá trị âm.
Đối với từng cửa sông, hai ẩn số trong 22.09 là B và D
0
, có thể xác định đợc
nếu nh S
S
đợc xác định từ số liệu quan trắc tại hai điểm khác nhau. Đôi khi
có thể biến đổi 22.09 bằng cách sử dụng mối tơng quan giữa D
0
và B đối với V
r
.
Điều này có thể thu đợc nh ví dụ sau đây đối với sông Chao Phya, Thái lan.
Phơng trình thu đợc đối với nớc đứng thấp có dạng:


2/1
2
0
045,0)610)(18(exp
rrS
QxQSS

(22.10)

Trong phơng trình 22.10, Q
r
có thứ nguyên m
3
/s và có giá trị dơng, x thứ

nguyên km.
22.4 Tơng quan độ mặn mật độ
Biến đổi của độ muối sẽ dẫn tới sự biến đổi của mật độ, điều này cũng giống
nh trờng hợp khi nhiệt độ biến đổi. Tơng quan giữa mật độ với nhiệt độ và độ
muối đã đợc đề cập tới trong chơng 3. Trong khoảng biến đổi thực tế của hai
yếu tố này, vai trò của độ muối đối với biến đổi mật độ lớn hơn nhiều so với nhiệt
độ.
Sự chênh lệch của mật độ trong thuỷ vực sẽ đợc xem nh một biến độc lập
trong những phần trao đôỉ tiếp sau đây. Các chênh lệc này có thể do nhiệt độ
hoặc độ muối gây nên. Tuy nguyên nhân của sự biến đổi mật độ có thể sẽ quan
trọng đối với các bài toán nhiệt động học hoặc ô nhiễm nhng không quan trọng
nếu xét từ góc độ hình thành dòng chảy. Vì lý do đó trong các phần sau chúng ta
sẽ ít chú ý tới nguyên nhân của biến đổi mật độ, ngoại trừ một số trờng hợp
riêng.
22.5 Đặc trng tĩnh của các khối nớc phân tầng
Có hai trờng hợp tới hạn cân bằng tĩnh giữa hai khối nớc có mật độ khác
nhau căn cứ vào vị trí của các mặt phân cách.
Trờng hợp đơn giản nhất khi mặt phân cách này là một mặt phẳng nằm
ngang. Nếu nh khối nớc trên có mật độ nhỏ hơn thì phân tầng sẽ ổn định.
Trong thực tế mặt phân cách này có thể giữ ổn định kể cả trờng hợp có chuyển


135

động của nớc. Sự phân tầng này do chênh lệch nhiệt độ và độ muối có thể tồn tại
trong các đại dơng và trong các hồ.
Trong trờng hợp thứ hai, tồn tại một mặt phân cách thẳng đứng không ổn
định. Những mặt phân cách nh vậy có thể quan trắc thấy tại cửa ra vào các âu
chuyển tàu. Trên hình 22.2 cho ta thấy sự phân bố của áp suất trên cửa âu tàu.
Lực tổng cộng tác động lên cửa sẽ bằng zero, vì vậy:

2
22
2
11
2
1
2
1
ghgh



(22.11)

trong đó:
g là gia tốc trọng trờng,
h là độ sâu,

là mật độ nớc,
các chỉ số 1 và 2 trong 22.11 tơng ứng các khối nớc khác nhau.

Hình 22.2 áp suất lên mặt phân cách thẳng đứng
Khi

2
>

1
thì 22.11 có dạng:
1

2
2
1



h
h

(22.12)

Khi lực tổng cộng tác động bằng zero, hình 22.2 chỉ ta thấy momen tổng cộng
cũng bằng zero.
Dạng phân tầng mật độ nh trên có thể xem nh một dạng lý tởng hoá một
hiện tợng tự nhiên có thực khi trên cửa sông vào cảng có sự biến đổi đột ngột
trong chu kỳ triều. Hiện tợng này, bao gồm lý thuyết về nó và các hệ quả sẽ đợc
xem xét trong chơng 23.
22.6 Sóng nội
Khi có sự tồn tại của mặt phân tầng ngang trong chất lỏng sẽ xuất hiện sóng
trên bề mặt đó ngay trong lớp nớc nằm trên. Trong khi đó, lớp nớc trên lại có


136

mặt phân cách giữa nớc và không khí. Tuy nhiên đối với sóng nội trên mặt phân
cách giữa hai lớp nớc thì mật độ lớp nớc trên không khác nhiều so với mật độ
lớp nớc dới. Sự khác biệt không lớn về mật độ này có thể gây ảnh hởng đáng
kể đến các hiện tợng liên quan, nếu nh chúng ta đem so sánh với sóng gió trên
mặt biển.
Sóng nội có thể xuất hiện từ nhiễu động do tàu chạy, động đất hay lở đất.

Chúng cũng có thể xuất hiện khi hai lớp nớc này chuyển động tơng đối với
nhau.
Vận tốc của sóng trên mặt phân cách này có thể thu đợc từ biểu thức:
2112
2112
)(





g
c

(22.13)

trong đó:
c là vận tốc sóng,

là độ dày của các lớp với các chỉ số 1, 2 tơng ứng.
Trên hình 22.3 các mũi tên chỉ hớng chuyển động của nớc. Phơng trình
22.13 sẽ chuyển về dạng 5.05b khi

1
=0.
Do

1
gần nh bằng

2
trong phơng trình 22.13, nên có thể lấy gần đúng
trong dạng sau đây:
h
g
c
1
2112
)(





(22.14)

h
g
c
21




(22.15)

trong đó:
1
12

là mật độ tơng đối của các khối nớc và h là độ sâu tổng cộng:
h =

1
+

2
.

Hình 22.3 Sóng nội
Các loại sóng này có thể có biên độ rất cao, do ảnh hởng của gia tốc trọng
trờng không lớn. Chúng thờng kèm theo các dao động sóng ngợc dấu không
lớn trên mặt biển nh đợc thể hiện trên hình 22.3. Nhìn chung đối với phép xấp
xỉ bậc nhất tỷ số giữa độ cao sóng mặt và sóng nội có thể xem bằng .


137

Các loại sóng này có khả năng hấp thụ đại bộ phận năng lợng của nớc
chết do tàu tạo ra. Điều này có thể lý giải thông qua ví dụ.
Một con tàu có mớm nớc 4 m chuyển động trên cảng có phân tầng với lớp
nớc trên dày 3 m (độ muối 5%o, nhiệt độ 2C) và lớp dới dày 7 m (độ muối 36
%o, nhiệt độ 4C). Vậy con tàu có thể đạt tới vận tốc cực đại bằng bao nhiêu?
Từ bảng 3.3, chơng 3 ta có:
3
22

3
11
70,1028;70,28
00,1004;00,4
m
kg
m
kg
t
t





(22.16)

Với

1
=3 m,

2
= 7 m, sử dụng 22.13 ta có:

smc /709,0
)3)(7,1028()7)(1004(
)7)(3)(81,9)(10047,1028(

(22.17)

Chỉ có một cách để tàu có thể chạy nhanh hơn sóng là phải cắt qua hoặt trợt
trên đó.
Hiện tợng nớc chết đóng một vai trò hết sức quan trọng trong trận thuỷ
chiến gần Copenhagen cách đây mấy thế kỷ. Tại khu vực này nớc nhạt biển Ban
tích chảy ra trên lớp nớc mặn từ Skagerrak vào.
22.7 Nêm mặn tĩnh
Nêm mặn xuất hiện khi nớc ngọt từ sông đổ ra biển gặp nớc mặn. Nớc
biển xâm nhập vào đáy sông nằm ngay dới lớp nớc ngọt đó. Độ dài của nêm
nớc mặn xâm nhập đợc xác định dựa vào sự cân bằng giữa ma sát
1
trên mặt
phân cách và gradien áp suất tổng cộng do độ nghiêng của bề mặt. Khi sự cân
bằng này đợc đảm bảo thì nêm mặn đợc giữ vị trí ổn định và nớc ngọt chảy từ
sông ra sẽ lan truyền trong dạng một lớp mỏng trên mặt biển. Vai trò của nêm
mặn sẽ đợc xem xét kỹ trong các phần tiếp theo.
Schijf và Schonfeld (1953) đã rút ra một biểu thức đối với độ dài nêm mặn
cho trờng hợp lý tởng đối với kênh hình chữ nhật, nớc đổ vào biển không giới
hạn và không có triều. Trong trờng hợp không có xáo trộn qua mặt phân cách,
biểu thức có dạng:

3/43/2
2
1
5
6
32
5
12
FF
F
f
h
L
w

(22.18)


2121
1
8
VVVV
f
l

(22.19)

gh
V
F
r



(22.20)

trong đó:
L
w
là độ dài của nêm mặn,
V
r
là vận tốc dòng sông đoạn trên nêm mặn,
V
1
là vận tốc nớc ngọt lớp trên nêm mặn,
V
2
là vận tốc trong nêm mặn,


138


1

là ứng suất ma sát dọc mặt phân cách.
Tất cả những ký hiệu này đợc trình bày trên hình 22.4.

Hình 22.4 Nêm mặn tĩnh trên cửa sông
Biểu thức này cho ta thấy vai trò của độ sâu h, lu lợng nớc ngọt, V
r
, và
chênh lệch mật độ khi mặn xâm nhập. Giá trị tơng đối chấp nhận đợc của f
1

vào khoảng 0,1. Cách giải bằng đồ thị của biểu thức trên đợc Partheniades và
các cộng tác viên xem xét vào năm 1980.
Tất nhiên trong điều kiện cân bằng lý tởng thì V
2
= 0. Trờng hợp này tơng
ứng không có ma sát trên đáy nh đợc trình bày trên hình 22.4. Các số liệu sử
dụng để vẽ hình 22.4 gồm: f
1
= 0,08; h = 10 m; V
r
= 0,2 m/s; = 0,0246, trong
trờng hợp đó L
w
= 2689 m. Hình vẽ đợc trình bày với sự khác nhau về tỷ lệ
đứng và ngang là 1:100.
Từ tĩnh đợc đặt trong dấu ngoặc kép bởi vì trong thực tế thờng tồn tại các
trạng thái cân bằng động. Quá trình xáo trộn sẽ diễn ra trên mặt phân cách các
khối nớc. Muối và nớc biển sẽ vận chuyển vào và nớc sông chảy ra biển. Trên
hình 22.4 đờng đậm cho ta thấy mặt phân cách giữa hai khối nớc. Vì tổng
lợng nớc đi ra và đi vào cửa sông phải cân bằng nhau nên ta có:

Q
1
= Q
r
+ Q
w
(22.21)

trong đó:
Q
w
là lu lợng đi vào,
Q
r
là lu lợng nớc ngọt từ sông đổ ra,
Q
1
là lu lợng thực đi qua mặt cắt.
Do cân bằng lu lợng muối cũng phải đợc bảo đảm. Cho nên:
Q
1
S
1
= Q
w
S
2
(22.22)

trong đó S

1
và S
2
là độ muối tơng ứng của hai khối nớc.
Nếu thay các giá trị khác nhau của V
r
vào phơng trình 22.18 (thông qua
22.20) có thể nhận thấy rằng L
w
giảm khi V
r
tăng, với F = 1 ta có L
w
= 0. Cần
nhắc lại rằng khi V
r
tăng cũng dẫn tới Q
r
tăng điều này có thể khác với quy luật
rút ra từ 22.01 và bảng 22.2. Theo bảng này thì sự tăng của Q
r
có thể dẫn tới sự
gia tăng độ phân tầng cửa sông và nêm mặn sẽ dài hơn thay vì ngắn hơn. Nghịch
lý này đợc giải thích bởi việc bỏ qua các tác động triều khi đa ra công thức
22.18, nh vậy việc so sánh trên đây là không có giá trị.


139

Tại các cửa sông, quá trình xâm nhập nêm mặn xẩy ra một cách hết sức phức

tạp. Lu lợng sông, Q
r
luôn biến đổi, trong thực tế luôn tồn tại các ảnh hởng
của triều và cửa sông không có dạng nêm.
Nhìn chung, ảnh hởng của triều là quan trọng nhất nó dẫn tới dao động
liên tục của toàn bộ hệ thống hai lớp nớc. Quá trình dao động sẽ đẫn tới sự gia
tăng của xáo trộn qua mặt phân cách. Khi ảnh hởng của triều mạnh và lu
lợng nớc sông không lớn, sự phân tầng sẽ bị phá huỷ và dẫn đến cửa sông xáo
trộn hoàn toàn. Cửa sông Tây Schelde là một trong những thí dụ nh vậy. Vào
một thời điểm nhất định, và từng nơi vẫn có gradient của độ muối theo phơng
thẳng đứng. Tại các cửa sông nh vậy, dòng muối trung bình vận chuyển ra biển
do dòng sông đợc cân bằng bởi dòng muối khuyếch tán từ ngoài vào.
ảnh hởng của khuyếch tán kết hợp động lợng dòng đi vào có thể làm lệch
thời gian độ muối trung bình cực đại so với thời điểm nớc đứng cao nh ví dụ
Rotterdam đợc thể hiện trên hình 22.1.
Nh đã trình bày trên, triều làm cho vị trí nêm mặn dịch chuyển theo hớng
sông-biển trên cơ sở chế độ triều. Các hệ quả của quá trình này lên sông và các
thuỷ vực kề cận sẽ đợc bàn đến trong mục tiếp theo.
22.8 Các vấn đề lắng đọng
Hệ quả trực tiếp của nêm mặn lên sông là tác động của nó lên quá trình lắng
động trong cửa sông. Từ hình 22.4 có thể thấy dòng chảy dọc đáy sẽ bị biến đổi do
tồn tại của nêm mặn. Với hớng đi lên từ đầu nêm mặn, dòng đáy thờng lại
hớng ra biển, còn phía bên trong lỡi mặn thì vận tốc dòng đi vào thờng không
lớn. Do vận tốc tại đầu nêm mặn có thể bị triệt tiêu, nên dẫn tới sự lắng đọng của
trầm tích trên đáy. Tại các cửa sông với ảnh hởng triều không lớn, và ví trí nêm
mặn đợc giữ tơng đối cố định có thể hình thành nên các bãi cạn ngầm. Trong
khi nguyên nhân hình thành nêm mặn là do độ muối, hiện tợng này còn có thể
quan trắc thấy tại các cứa sông khi chênh lệch mật độ lại do các nguyên nhân
khác gây nên trong đó có gradien nhiệt độ. Hiện tợng này còn có thể quan trắc
đợc khi có nguồn nớc lạnh đổ ra từ các nhà máy phát điện tại cả những khu

vực toàn nớc ngọt nh các hồ.
Khi các trầm tích lơ lửng trong sông chỉ bao gồm bùn và lỡi mặn do gradient
độ muối gây nên thì các quá trình lý, hoá có thể ảnh hởng mạnh đến hiện tợng
lắng đọng tại các cửa sông.
Bùn sét trong nớc ngọt bao gồm các phần tử nhỏ với kích thớc cực đại
không vợt quá vài micrômét. Do đặc điểm hình thái, với diện tích bề mặt lớn, và
cấu trúc tinh thể của các khoáng sét, các phần tử này có điện tích âm trên mặt.
Do các phần tử nhỏ nên lực tĩnh điện trong chừng mực nào đó cùng với lực trọng
trờng kiểm soát các phần tử bùn sét và giữ chúng tách rời trong dạng lơ lửng.
Khi độ muối tăng lên, các iôn dơng (Na+, Mg++, Ca++, v.v ) có khả năng
cân bằng với lực tĩnh điện và tạo điều kiện cho các phần tử kết dính với nhau, khi
các khối này đợc đa vào nớc ngọt thì chúng lại đợc tách ra thành các phần tử
lơ lửng. Quá trình này sẽ có ảnh hởng làm biến động các kết quả quan trắc trầm
tích lơ lửng tại các khu vực có độ muối thấp và biến đổi.


140

Để hình dung mức độ ảnh hởng của nhân tố này lên quá trình lắng đọng
trầm tích có thể so sánh vận tốc lắng đọng của các phần tử sét rời rạc trong nớc
ngọt và của các khối phần tử liên kết trong nớc mặn (S > 5%o). Allersma,
Hoekstra và Bijker (1967) đã thu đợc tỷ số giữa hai vận tốc lắng đọng đó lớn hơn
1 : 50.
Lợng các vật liệu đáy sông tại các khu vực đó không đồng nhất với cấu trúc
sét. Trầm tích hình thành thờng do kết quả liên kết của các phần tử với một
lợng nớc đáng kể. Thể tích của trầm tích (các phần tử rắn và nớc) có thể lớn
hơn thể tích các phần tử từ 5 đến 10 lần. ( Trong thuật ngữ cơ học đất, độ xốp ở
đây cao hơn 10). Thông thờng với lợng nớc lớn nh vậy, mật độ trầm tích
thờng nhỏ, chỉ vào khoảng từ 1100 đến 1250 kg/m
3

. Vật liệu này giống nh một
chất lỏng nhớt với độ nhớt lớn hơn nớc từ 100 đến 1000 lần; có thể so ánh nó với
sữa chua (chỉ khác nhau về màu).



Dòng
chảy
(m/s)





Độ
muối
(%o)

Dòng
lơ lửng
(mg/l)


Hình 22.5 Các dòng lơ lửng tại Rotterdam
Vật liệu này thờng đợc gọi là bùn, nó rất khó xác định đợc khi dùng thiết
bị hồi âm, nó thờng tạo nên các đám mờ trên băng ghi của máy. Loại trầm tích
này mềm đến mức các tàu thuyền có thể vợt qua đợc.
Quá trình cô đặc của loại trầm tích này thờng xẩy ra rất chậm. Các lớp có độ
dày trên 2,5 m có thể giữa nớc trong vòng vài tuần lễ đối với cả trờng hợp
trong điều kiện ống nghiệm.

141

Các đáy bùn này có thể trở về dạng lơ lửng nếu nh vận tốc trên đó vợt quá
vận tốc tới hạn vào cỡ từ 0,2 đến 1,0 m/s.
Về đặc điểm của lớp bùn đáy chúng ta sẽ xem xét kỹ trong chơng 27 khi đề
cập đến địa mạo các bờ bùn.
ảnh hởng của độ muối lên mật độ của bùn lơ lửng tại Rotterdam đợc trình
bày trên hình 22.5. Các số liệu để vẽ các đồ thị này đợc dẫn ra trong các bảng
22.1 và 22.3.
Trong khoảng thời gian từ 5 đến 7 giờ độ muối có giá trị tơng đối cao đã làm
cho nồng độ các chất lơ lửng bị suy giảm, mặc dầu dòng chảy trở nên rất lớn. Từ 8
giờ rõi đến 10 giờ tồn tại quy luật nghịch đảo: độ muối giảm làm tăng nồng độ lơ
lửng mặc dù vận tốc trở nên yếu hơn. Mặt khác vào khoảng 0,6 giờ và một lần
nữa vào lúc 13 giờ, nồng độ trầm tích có giá trị cực tiểu do vận tốc dòng yếu.
Bảng 22.3 Dòng lơ lửng tại Rotterdam
Thời gian
(h)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

Vật liệu lơ
lửng (mg/l)
60

58

68

90

116

95

61

54

77

90

93

81

66


Thậm chí trong điều kiện không có sự kết dính trầm tích tại chỗ, vẫn có thể
quan trắc thấy lớp bùn đáy. Những lớp nh vậy có thể thấy tại khu vực Rotterdan
Europoort, mặc dù độ muối ở đây luôn lớn hơn 5 %o. Về các lớp này, nguyên nhân
hình thành và vận chuyển chúng sẽ đợc xem xét trong mục 27.6.
22.9 Cửa ra vào cảng Rotterdam
Các lớp bùn mềm có thể tìm thấy trên khu vực cửa ra vào Europoort và

đờng thuỷ Rotterdam. Bằng các thiết bị hồi âm hiện đại có thể đánh giá mật độ
của lớp bùn đáy này. Trên hình 22.6 cho ta một ví dụ về các kết quả đo trên cửa
vào cảng Rotterdam.
Tại lớp bùn trên mặt mật độ bùn vào khoảng 1030 kg/m
3
. Vật liệu này mềm
đến mức các tàu có thể vợt quan dễ dàng. Độ sâu của lạch thờng đợc lấy theo
đờng đẳng mật độ

= 1200 kg/m3.
Phần trên của lớp bùn có mật độ rất thấp nên khi dùng các thiết bị hút bùn
thì năng suất đạt đợc tính bằng lợng chất rắn trong một giờ thờng rất nhỏ.
Điều này cho phép hút tại các vùng sâu để các dòng bùn chuyển đến các vùng này
và lắng đọng dần. Bùn có mật độ cao có thể nạo vét từ đáy các khu vực sâu đó.
Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao đề bùn vận chuyển về các khu vực sâu hơn. Tồn
tại hai khả năng sau đây:
Nếu nh mặt đáy có một độ dốc vừa đủ đề lực trọng trờng làm cho bùn bị
trôi về nơi sâu hơn. Cách thứ hai dựa vào ứng suất đáy do các dòng chảy trên đáy
có thể do nguyên nhân triều. Điều nguy hiểm có thể xẩy ra khi ứng suất đáy trở
nên qua lớn, lớp biên giữa bùn và đáy trong chế độ rối và bùn trở về trạng thái lơ
lửng. Dòng trầm tích lơ lửng có thể bị vận chuyển vợt qua các khu vực sâu.


142

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đối với bùn trên khu vực cảng
Rotterdam do den Hartog (1979) tiến hành cho thấy rằng bùn ở đây có thể xem
nh chất lỏng nhớt. Nh vậy có thể sử dụng công nghệ nạo vét từ các bẫy sâu tại
một số vị trí nhất định đợc giữ ổn định bằng các thiết bị nạo vét.

Hình 22.6 Địa hình đáy lạch tàu
Việc tích đọng quá mức (mật độ bùn quá cao) trên đáy các bẫy sâu có thể gây
nên bất lợi, vì đòi hỏi sự tăng cờng công suất của máy hút và dẫn tới hiệu quả
thấp.
22.10 Những vấn đề ô nhiễm
Bên cạnh sự ảnh hởng của các dòng mật độ lên lắng đọng trầm tích tại các
cửa sông, một số khía cạnh môi trờng liên quan cũng đợc chý ý tới.
Một trong những vấn đề quan trọng là hiện tợng thẩm thấu nớc muối vào
nớc ngầm dọc theo bờ sông. Về tác hại của độ mặn nớc lên sự phát triển của
cây cối đã đợc các nhà nghiên cứu nông học phân tích. Vấn đề dự báo mức độ ô
nhiễm mặn của nớc ngầm đã đợc các chuyên gia nghiên cứu nớc ngầm quan
tâm tới.
Một vấn đề khác liên quan tới các dòng địa nhiệt cũng gây ra tác động tới môi
trờng. Một số loài sinh vật biển rất nhạy cảm với sự thay đổi nhanh của nhiệt độ
nớc do lỡi nớc nóng dịch chuyển trong một chu kỳ triều. Một số công trình
nghiên cứu tại Mỹ và Hà lan chú trọng đến các mô hình đánh giá mức độ tác
động của các lỡi nớc ấm từ các nhà máy điện nằm dọc sông. Việc đánh giá tác
động của các dòng nớc thải nóng lạnh đã đợc đa vào trong số các yêu cầu xây
dựng công trình.
Những biện pháp kỹ thuật nhằm đối phó với các tác động của dòng chảy mật
độ sẽ đợc xét đến trong phần tiếp theo.


143

22.11 Các phơng pháp khắc phục dòng chảy mật độ
Hiện nay có rất ít công nghệ có ý nghĩa kinh tế nhằm chống lại sự xâm nhập
của lỡi mặn đi vào sông. Rất nhiều công nghệ chỉ áp dụng cho một khu vực cụ
thể ví dụ cảng hay lạch tàu; những công nghệ này sẽ đợc xem xét trong chơng
tiếp sau.

Nh đã chỉ ra trong các phơng trình 22.18 , 22.19 và 22.20, độ dài của lỡi
mặn có thể giảm đợc thông qua việc giảm độ sâu nớc hoặc tăng lu lợng nớc
ngọt. Tại Hà Lan, ngời ta tăng lợng nớc ngọt qua hệ thống New Waterway
thông qua dự án Delta (đê và cống tại Volkerak, và âu thông tàu tại Haringvliet).
Ngoài ra sự phát triển của Cảng Europoort đã giảm thiểu yêu cầu đa các tàu lớn
đi theo New Waterway qua cửa Europoort. Trong thời gian gần đây, một phần
của New Waterway ở Rotterdam đã đợc lấp nhằm giảm độ sâu và kéo lỡi mặn
ra phía biển.
Các dòng chảy mật độ do nhiệt có thể đợc hạn chế bằng cách tăng quá trình
xáo trộn giữa hai lớp nhằm tăng trao đổi giữa nớc và không khí.
Mặc dầu không thật sự phổ biến, song quá trình xáo trộn có thể thông qua sự
gia tăng quá trình rối bằng biện pháp tạo ra các lớp phân tầng không ổn định.
Việc tăng thêm vận tốc dòng chảy và xây đựng hệ thống các vòi phun từ hệ thống
thoát nớc của các nhà máy điện có thể làm tăng xáo trộn do rối.
Sự phân tầng không ổn định thông thờng đợc tạo ra bằng các nguồn ấm với
độ muối thấp trong lớp gần đáy. Hệ thống thải nớc dạng này tạo nên các dòng
thăng và tăng xáo trộn rối cho phép tăng khả năng khuyếch tán các nguồn nớc.
Một phơng pháp khác làm giảm ô nhiễm nhiệt là việc làm lạnh các nguồn
thải trớc khi đổ ra biển. Điều này có thể thực hiện bằng cách đổ vào các hồ nông
hoặc cho chảy qua các bộ phận làm lạnh. Đôi khi hệ thống kênh thoát dài cũng có
thể xem nh một phơng pháp chống lại ô nhiễm nhiệt. Tất cả các bịên pháp trên
đều nhằm mục đích đa nhiệt thoát vào khí quyển.