Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 7 pot

202



Chơng 7. Phơng pháp luận đối với đo đạc và Quan
trắc
7.1 Giới thiệu
Trong môi trờng biển sự trải rộng hớng ngang của chất hoà tan có xu hớng phụ
thuộc nhiều vào sự phát tán xuất hiện từ những biến đổi dòng chảy trung bình hơn là vào
mức độ rối. Nh vậy những hệ số khuyếch tán hớng ngang, có thể đánh giá từ những
xác định trực tiếp cờng độ rối (mục 4.3.2), ít khi thể hiện mức độ lan truyền ngang. Tuy
nhiên, những đánh giá hệ số khuyếch tán thẳng đứng từ những đo đạc rối chứng tỏ là
hữu ích bởi vì tham số này là một yếu tố then chốt trong việc định lợng sự phát tán do
trợt thẳng đứng trong dòng chảy trung bình. Không may, rối trong các cửa sông và nớc
ven bờ có xu hớng biến đổi đáng kể theo không gian và thời gian. Nh vậy, sự giải thích
đối với những bản ghi rối thờng là khó, nh đã thảo luận trong mục 4.3.6, và áp dụng dữ
liệu nh vậy đối với những vấn đề thực tế có xu hớng không hữu ích. Thay cho việc xác
định trực tiếp là thực hiện những thực nghiệm chất chỉ thị mà cho thấy hiệu ứng toàn bộ
của những nhiễu động rối hơn là đi sâu vào chi tiết. Vì việc lấy trung bình những chuyển
động rối làm cho kết quả đặc biệt phù hợp với vấn đề thực tế để đánh giá sự lan rộng của
chất hoà tan, chơng này tập trung vào việc sử dụng những chất chỉ thị, thải một cách có
chủ ý và xảy ra một cách tự nhiên, để nghiên cứu hiện tợng phát tán.
Mục đích cơ bản của những thực nghiệm chất chỉ thị là nhận đợc độ lớn của
những tham số phát tán và liên hệ chúng với những đặc tính điển hình của khu vực
nghiên cứu. Khía cạnh này đặc biệt quan trọng, bởi vì nếu sự phụ thuộc này đợc hiểu rõ,
sẽ đánh giá đợc quá trình phát tán thay đổi dới những điều kiện khác nhau của gió,
thuỷ triều và phân tầng ra sao. Nh đã thể hiện trong Chơng 5, những hệ số phát tán
phụ thuộc vào sự biến đổi theo không gian của vận tốc trung bình và vào hệ số khuyếch
tán đo đợc qua gradient vận tốc. Cả hai yếu tố này bị ảnh hởng bởi mức độ ổn định của
cột nớc, và bởi vậy cần có những quan trắc phụ trợ về cấu trúc mật độ khi thực hiện các

thực nghiệm chất chỉ thị, để bảo đảm rằng có thể xem xét thích hợp hiệu ứng phân tầng.
Thỉnh thoảng, có thể nhận đợc các xác định trực tiếp sự trợt dòng chảy trung bình thỏa
đáng, và do đó kiểm tra đợc tính hiệu lực của trợt vận tốc sử dụng trong những mô
hình phát tán (mục 8.4.3). Trong hai mục tiếp theo xem xét phơng pháp luận thực
nghiệm cho những chất chỉ thị đợc thải ra và xuất hiện tự nhiên, tơng ứng, với việc mô
tả giai đoạn phân tích đầu tiên sử dụng trong mỗi ví dụ. Mục cuối cùng tóm lợc những
kiểu quan trắc phụ trợ nên có đối với những nghiên cứu nh vậy và mô tả kỹ thuật đo đạc
liên quan đang áp dụng hiện nay.

203



7.2 những chất chỉ thị đợc giới thiệu
7.2.1 Kỹ thuật thực nghiệm
Những chất chỉ thị màu phát quang
Một trong số những kỹ thuật đợc sử dụng rộng rãi nhất để định lợng những đặc
trng xáo trộn trong nớc ven bờ là áp dụng chất chỉ thị màu phát quang. Những chất
màu nh vậy có u điểm là chúng vô hại, tơng đối dễ kiểm soát và có thể phát hiện bằng
cách sử dụng một quang kế, thậm chí khi bị pha loãng đến những nồng độ mà chúng
không còn nhìn thấy. Khả năng thấy màu, ít nhất trong những giai đoạn phát tán ban
đầu, là một u điểm đáng kể trong việc lấy mẫu một đốm loang hoặc vệt loang chất chỉ
thị. Nếu nớc pha màu đợc nhìn thấy, thì chế độ lấy mẫu có thể điều chỉnh để cải thiện
chất lợng của dữ liệu thu thập.
Mặc dầu chất phát quang màu xanh lá cây thờng đợc sử dụng nhiều nhất cho
công việc về chất chỉ thị trong sông, không dễ phát hiện ra nó trong một phạm vi pha
loãng rộng nh chất màu đỏ rhodamine. Ví dụ, rhodamine - B có thể phát hiện ở nồng độ
khoảng 3 x 10
-8
kgm

- 3
và một kg có thể sử dụng để nhận biết một thể tích nớc ba mơi
lần lớn hơn trọng lợng đó của chất phát quang. Hơn nữa, biển có xu hớng phát quang
nền tại những bớc sóng màu xanh da trời và xanh lá cây, ít thuận lợi cho chất màu xanh
lá cây so với màu đỏ; nói chung, rhodamine - B đợc thấy rõ trên mặt biển với những
nồng độ lớn hơn khoảng 10
-4
kgm
- 3
. Một hạn chế đặc biệt của rhodamine - B là nó có xu
hớng hút bám trên bề mặt những chất rắn và bởi vậy không phải rất thích hợp đối với
nghiên cứu chất chỉ thị trong những khu vực có nồng độ những chất rắn lơ lửng cao.
Talbot và Henry (1968) đã thực hiện một vài đánh giá mức độ hấp thụ của rhodamine - B
dới những nồng độ khác nhau của những chất rắn lơ lửng, và phát triển một công thức
kinh nghiệm liên kết nồng độ rhodamine khi không có sự hấp thụ với nồng độ quan trắc ở
một mức xác định của chất rắn lơ lửng. Những chất chỉ thị màu thay thế ít bị hút bám
gồm có rhodamine - WT và lissamine FF, nhng chúng tơng đối đắt so với rhodamine - B
((Smart và Laidlaw, 1977). Rhodamine - WT và pontacyl lóng lánh hồng đã trở thành các
chất chỉ thị màu thờng sử dụng nhất trong các hệ thống biển, nơi những tải lợng chất
rắn lơ lửng cao. Trong một vài trạng thái, có thể áp dụng nhiều chất chỉ thị - điều này có
u điểm là những hạn chế của một loại chất chỉ thị có thể khắc phục bởi những u thế
của chất chỉ thị khác thải cùng lúc (Thomas, 1962).
Những chất màu có thể ở dạng bột khô nhng chúng thờng khó bảo quản, đặc
biệt trong những khu vực phơi trớc gió. Rhodamme thờng sẵn có ở dạng dung dịch
trong a-xít axetic đóng băng, nhng vì dung dịch này có mật độ khoảng 1200 kgm
-3
, nó rõ
ràng đậm đặc hơn nớc biển và sẽ có xu hớng chìm nếu đơn giản đổ xuống biển. Để
tránh tình trạng này, thực hành nói chung là điều chỉnh mật độ của chất chỉ thị bằng
cách pha loãng chất màu hoà tan với một chất nổi nh Metanola có mật độ là 800 kgm

-3
.
Những tỉ lệ chính xác của dung dịch Metanola và màu áp dụng thờng đợc lựa
chọn để mang lại mật độ kết quả gần nh mật độ của nớc biển bao quanh, nói chung lên
xuống từ 1015 đến 1025 kgm
-3
trong các cửa sông và nớc ven bờ. Tuy nhiên, đối với một

204



vài khảo sát đặc trng có thể nên điều chỉnh mật độ của dung dịch chất chỉ thị để nó có
mật độ thấp hơn hoặc cao hơn xung quanh.


Hình 7.1 Chai mariotte để đổ chất chỉ thị với một mức độ ổn định

Phơng pháp thải một chất chỉ thị màu phải không ảnh hởng đến sự phát tán
sau đó. Để thải màu lên trên mặt nớc biển, ví dụ, cần phải làm cho nó dễ dàng chảy ra
ngoài từ một thùng lớn kiểu cổ chai đợc định vị ngay trên mặt nớc. Màu đợc rót ra
nhanh chóng từ độ cao nào đó ở trên mặt nớc có xu hớng chìm xuống nớc do động
lợng đi xuống của nó. Những chỉ đạo này áp dụng cho việc thải, đợc thiết kế để hình
thành đốm loang chất chỉ thị phát tán. Đối với việc thải liên tục đợc thiết kế để hình
thành những vệt loang, mức thể tích của chất thải thờng chậm hơn nhiều và hiệu ứng
của động lợng ít khi có vấn đề. Màu có thể đợc bơm vào nớc tại một độ sâu đợc chọn
hoặc có thể đa vào bằng cách sử dụng một chai mariotte (hình 7.1). Thiết bị này gồm
một thùng kín hơi chứa màu, với một ống đặt thẳng đứng cho phép xâm thực của không
khí. Khi dung dịch chảy ra thông qua một cái lỗ gần đáy chai, không khí đợc đẩy vào
trong thông qua cái ống, nh vậy giữ cho khoảng không ở trên chất màu có áp lực không

khí. Điều này cho phép nhận đợc một cột áp suất không đổi theo bất cứ độ sâu nào của
dung dịch trong bình, và nh vậy lu lợng thể tích cũng không đổi. Độ lớn của dòng
chảy này đợc kiểm soát bởi kích thớc của lỗ. Chai mariotte có thể đặt lên một cái phao
neo hoặc trên thuyền trong khu vực nghiên cứu, với một cái ống từ miệng chai đặt đến độ
sâu phun đòi hỏi, do đó phát sinh một vệt loang liên tục của chất chỉ thị trong dòng chảy.
Kỹ thuật tạo ra vệt loang màu nh thế đã đợc dùng trong những hồ Lớn (Csanady,
1973), và trong vùng ven bờ và cửa sông (Bowden và Lewis, 1973; Bowden và nnk.,
1974).

205



Đo đạc phát quang
Nguyên lý cơ bản vận hành một quang kế là ánh sáng từ một đèn cực tím đi qua
bộ lọc sơ cấp P và làm cho bất kỳ vật chất phát quang nào đang có trong một ngăn kính sẽ
phát quang (hình 7.2). Tia sáng phát ra đi qua một bộ lọc thứ cấp S và kích hoạt một bộ
nhân quang đến bộ chặn tia sáng. Tia sáng bị ngắt cũng đạt đến bộ nhân quang bởi một
đờng dẫn tia sáng phía sau. Một đầu dò có độ nhạy về pha so sánh cờng độ của tia sáng
từ ngăn dòng chảy với tia từ đờng dẫn tia sáng phía sau. Đầu ra từ đầu dò pha dẫn cam
lái tia đi qua một mô tơ phụ, chuyển động của nó cân bằng với cờng độ của tia sáng nhận
từ ngăn dòng chảy và đờng dẫn tia sáng phía sau. Mức độ chuyển động của cam là số đo
phát quang của màu trong ngăn dòng chảy. Điện áp đầu ra từ quang kế, tỷ lệ với chuyển
động này, cho phép những biến đổi phát quang sẽ đợc hiển thị trên một máy ghi biểu đồ
hoặc ghi lên một bộ lu số liệu nh một bản ghi đợc số hoá.


Hình 7.2 Nguyên lý vận hành của quang kế đối ngẫu

Hệ thống đờng dẫn tia sáng kép này có u điểm là những biến đổi điện áp hoặc

độ nhạy đầu dò là cân bằng nhau. Một vài quang kế có thể không có hệ thống này nhng
những kết quả chúng tạo ra cần đợc xử lý thận trọng bởi độ nhạy của chúng đối với
những dao động điện áp. Một đờng dẫn tia sáng về phía trớc đợc cung cấp bởi vì bộ
nhân quang luôn luôn đòi hỏi tia sáng đi đến nào đó phải giữ cho mô tơ phụ vận hành
chính xác. Khi một số lợng nhất định của chất phát quang tự nhiên tồn tại trong biển, có
một điều khiển tập hợp trống trong đờng dẫn tia sáng phía sau để bù đắp đóng góp của
yếu tố này cho đầu dò.
Quang kế có thể có kiểu 'bench-top' và có thể thích hợp để lấy những mẫu rời rạc
hoặc đọc dòng chảy liên tục bằng việc thay đổi ngăn lấy mẫu. Để nghiên cứu chất chỉ thị
trong biển, thiết bị dòng chảy liên tục đợc sử dụng thờng xuyên nhất, mặc dầu một
ngăn rời rạc cũng có giá trị hiệu chỉnh các mẫu. Với dòng chảy liên tục nớc lấy mẫu đợc
bơm lên quang kế trong khi tàu khảo sát dịch chuyển qua một đốm loang hoặc vệt loang

206



của nớc biển có màu. Quy trình này chắc chắn có nghĩa là có sự gián đoạn giữa lấy mẫu
bằng ống trong biển và xác định sự phát quang của nó. Đó có thể là một bất lợi đáng kể vì
sự xáo trộn trong ống có thể làm trơn các chi tiết và tàu có thể đã dịch chuyển một
khoảng cách nào đó trớc khi nhận thức rằng giới hạn của nớc màu đã đạt đến. Một
quang kế kéo chìm cung cấp hầu hết số đọc tức thời của chất phát quang và là một biện
pháp u tiên của việc lấy mẫu màu trong biển. Kiểu dụng cụ này thờng sử dụng một hệ
thống đờng dẫn tia sáng kép và điện áp đầu ra thích ứng một cách tuyến tính với sự
tăng nồng độ của hợp chất phát quang; sự thích ứng phi tuyến có thể xuất hiện tại những
nồng độ màu cao do chùm tia kích hoạt bị 'dập tắt' bởi chiết xuất quang học của dung
dịch.
Bộ lọc quang kế đợc điều chỉnh để bảo đảm rằng độ nhạy lớn nhất của đầu dò
đợc áp dụng cho chất chỉ thị màu đã chọn. Đối với rhodamine - B bộ lọc sơ cấp cần phải
là 546 m cho màu xanh lá cây và bộ lọc thứ cấp cần phải là 460 m cho sự kết hợp màu

xanh da trời và màu vàng. Bộ lọc thích hợp với những chất chỉ thị màu khác đợc cung
cấp bởi những nhà sản xuất quang kế.
Những chất chỉ thị phóng xạ
Những chất chỉ thị phóng xạ, nh brôm - 82 hoặc tritium, đợc sử dụng để xác
định những đặc trng phát tán theo cách tơng tự nh chất chỉ thị màu. Trong một thực
nghiệm tiêu biểu, một sự thải tức thời 500 mCi của brôm - 82 có thể còn thấy trong vòng 4
giờ trong nớc ven bờ. Phân bố của đốm loang kết quả có thể quan trắc nhờ sử dụng một
máy đếm nhấp nháy đợc kéo chìm, độ dò có thể xuống đến 0,1 mCil
-1
(một mức đếm xấp
xỉ hai lần mức nền).
Cũng có một số hạn chế đối với việc sử dụng những chất chỉ thị phóng xạ trong
biển, nh sau:
1. Những chất chỉ thị phóng xạ phải có một nửa cuộc sống ngắn ngủi để chúng chấp
nhận đợc đối với việc thải xuống môi trờng biển; điều này hạn chế sự chọn lọc những
chất có thể sử dụng.
2. Những chất chỉ thị phóng xạ không thể thấy và, trừ phi chuyển động đợc hạn chế
bởi những bờ bao hoặc những đặc điểm khác, nhiều nỗ lực lấy mẫu có thể hớng tới
những khu vực trong đó không có chất chỉ thị.
Không phải tất cả việc thải những chất chỉ thị phóng xạ đợc lên kế hoạch nh
một phần của khảo sát thực nghiệm. Ví dụ, nhà máy điện hạt nhân có thể thải ở mức độ
thấp chất phóng xạ vào cửa sông hoặc vùng ven bờ. Một so sánh mức độ của Xêdi -137
trong lòng dẫn Bristol với độ mặn giả thiết rằng có thể xem xét những hệ số phát tán dọc
tơng tự với những phân bố đợc quan trắc, và rằng ngập tràn Xêdi -137 từ cửa sông chủ
yếu do tác động của phát tán theo trục (Uncles, 1979). Xêdi -137 đợc thải liên tục xuống
biển Ai len từ nhà máy tái chế Sellafield và nó hình thành một vệt loang có thể nhận thấy
ngay trên bờ biển phía tây của Scotland và đổ vào Biển Bắc (Livingston và nnk., 1982).
Bằng việc lấy những tỷ lệ phóng xạ hạt nhân khác nhau, có thể biết mức độ vận chuyển
nhiều hơn so với việc sử dụng một hạt nhân riêng biệt. Kỹ thuật này chỉ ra rằng phóng xạ
hạt nhân đợc giữ lại trong biển Ai len vào khoảng hai năm trớc khi đợc vận chuyển

207



tơng đối nhanh đến Biển Bắc. Thời gian c ngụ của những chất chỉ thị này trong biển
Bắc làm chúng thâm nhập về phía Nam nhiều hơn, các đánh giá nằm trong phạm vi từ
một vài tháng đến ít hơn hai năm trớc khi chúng cuối cùng tràn vào Đại Tây Dơng bởi
dòng chảy ven bờ Na Uy.
Những chất chỉ thị vi khuẩn
Những chất chỉ thị vi khuẩn là hữu ích để thực thi những kết quả thực nghiệm
chất chỉ thị màu và để đánh giá mức độ vi khuẩn chết trong biển. Kỹ thuật bao gồm việc
thu thập những mẫu riêng biệt đợc bọc trong một chất gien agar và cho phép lớn lên
trong những điều kiện nhiệt độ kiểm soát đợc. Số lợng vi khuẩn lớn lên trong chất gien
đợc đếm và sử dụng để đánh giá số lợng vi khuẩn trên thể tích đơn vị nớc biển lấy
mẫu. Mặc dầu kỹ thuật có nhợc điểm là nó không thể sử dụng đối với dòng chảy liên tục,
nhng có thể sử dụng với những mức pha loãng lớn hơn mà một màu phát quang có thể
có.
Escherichia coli (E.coli) là một sinh vật tự nhiên xuất hiện trong ruột ngời và
đợc sử dụng nh một chỉ tiêu có mặt của chất thải. Nồng độ của E.coli trong biển đã trở
thành cơ bản cho Chỉ thị nớc tắm của EC, xác định liệu nớc có thích hợp để tắm, lớt
sóng và những hoạt động tơng tự hay không. Hiện tại giới hạn bắt buộc đối với E.coli
trong nớc tắm là 2000 faecal trực khuẩn trên 100 ml, giới hạn chỉ tiêu đợc khuyến cáo
là 100 coliforms trên 100 ml. Trong những khu vực có nguồn chất thải đáng kể, nồng độ
E.coli có thể sử dụng để đánh giá mức độ phát tán. Tuy nhiên, đối với những mục đích
thực nghiệm tốt nhất là áp dụng một chất chỉ thị vi khuẩn có thể đổ xuống với mức độ
kiểm soát đợc trong bất kỳ khu vực đợc chọn nào. Một chất chỉ thị tiêu biểu của loại
này là vi khuẩn Serratia marcesens. Loại này tơng đối dễ thu đợc và nuôi cấy, và quản
lý an toàn một cách cơ bản.
Serratia cũng họ hàng với E. coli và mức độ Serratia chết trong biển đợc sử dụng

để suy ra mức độ chết faecal trực khuẩn. Kỹ thuật thực hiện bao gồm việc thải Serratia
và phát quang màu cùng nhau, hoặc thải liên tục hoặc thải rời rạc, và đo sự thay đổi nồng
độ của cả hai theo thời gian. Một khi nồng độ màu chủ yếu phụ thuộc vào sự pha loãng,
trong khi nồng độ vi khuẩn phụ thuộc vào sự pha loãng và chết đi, tỷ lệ của chúng là số
đo của mức độ vi khuẩn mất mát. Sự chết của vi khuẩn trong biển do tia tử ngoại và do bị
đói là tin cậy về mặt nguyên lý. Lý do trớc giả thiết rằng mức độ chết ít hơn vào ban đêm
và lý do sau nói lên rằng sự tồn tại phải thấp hơn trong những khu vực mà ở đó những
chất dinh dỡng thấp, mà nói chung ứng với những khu vực có độ mặn cao hơn
(Gameson, 1984). Thực nghiệm cho thấy với những nồng độ màu thấy trong một thực
nghiệm chất chỉ thị tiêu biểu, mức độ chết của vi khuẩn đợc thải cùng lúc không bị ảnh
hởng bởi sự có mặt của màu (Jensen và Kristensen, 1989).
Một dạng khác của chất chỉ thị là vi khuẩn thực khuẩn. Thực khuẩn kháng cự đặc
biệt với những điều kiện đặc thù trong biển và sự tồn tại kéo dài này có u điểm là có thể
sử dụng thực khuẩn để xác định sự phát tán của những chất thải qua một vài chu kỳ
thủy triều. Tuy nhiên, một hạn chế sử dụng của thực khuẩn ở chỗ chúng có thể sống

208



trong trầm tích và một khi đã sử dụng trong một khu vực, thì không thể sử dụng thêm
nữa đối với chất chỉ thị này cho một thời gian đáng kể, ví dụ một vài năm.
7.2.2 Các ví dụ ứng dụng
Quy trình khảo sát và phân tích số liệu
Để minh họa cho sự phân tích và ứng dụng dữ liệu từ những thực nghiệm chất chỉ
thị, mục này mô tả những quy trình tiêu biểu và soi sáng các bớc trong quy trình phân
tích kết quả từ một thực nghiệm ngoài bờ biển Wales. Cách tiếp cận đơn giản đã đợc
chọn một cách cân nhắc để làm rõ từng bớc, nhng ngời đọc cần ý thức rằng kỹ thuật
mô hình hoá tiên tiến hơn cho sự phân tích nh vậy đang trở nên tơng đối tổng quát.
Thực nghiệm chất chỉ thị đã mô tả đợc thực hiện nh một phần của nghiên cứu

để xác định vị trí tối u cho một nguồn đổ dài trên biển để xả một nguồn chất thải đã xử
lý từ thành phố Aberystwyth trên bờ phía Tây của Wales (hình 7.3). Mỗi thực nghiệm
gồm sự rót màu nhẹ nhàng lên mặt biển từ một côngtenơ có miệng rộng, sao cho chuyển
động xuống dới do tác động rót là ít nhất; toàn bộ việc thải đợc hoàn thành trong một
vài giây. Một dung tích khoảng 20 lít của 40 % rhodamine - B pha loãng với Metanola
đợc xả. Khảo sát thực hiện trong Tháng bảy 1976, là thời kỳ đặc biệt yên lặng chỉ với gió
rất nhẹ và bất kỳ sự phát tán nào do gió là không đáng kể. Thời tiết đầy nắng sáng, tạo ra
một gradient nhiệt độ thẳng đứng xấp xỉ 1
o
Cm
-1
, tơng đơng với gradient mật độ thẳng
đứng là 0,174
t
đơn vị trên mét. Tham số
t
là một biểu thị khác của mật độ để giảm
những đơn vị đến một kích thớc quản lý đợc và lấy bằng (mật độ (kgm
-3
)) 1000. Độ sâu
nớc để thải khoảng 15 m.
Tàu khảo sát chuyển động ra xa đốm loang sau khi thải màu, để cho việc lan
truyền không bị nhiễu động khoảng 10 phút; trong thời gian đó đốm loang màu đỏ thể
hiện xấp xỉ dạng hình tròn có đờng kính khoảng 20 m. Mời phút sau khi thải màu, tàu
khảo sát dịch chuyển đến tâm của đốm loang và xác định những phân bố thẳng đứng của
nồng độ trong suốt 20 phút sau đó bằng cách hạ thấp ống lấy nớc của một quang kế ghi
liên tục trong cột nớc; một ví dụ của phân bố tiêu biểu trong thời gian này đợc cho
trong hình 7.4 (a). Tàu khảo sát sau đó đi qua đốm loang, lúc đầu là thẳng góc với hớng
trôi chính và sau đó dọc theo hớng đó, với đầu lấy nớc của quang kế đặt tại độ sâu cố
định 1,0 m.

Trong khi chuyển động qua đốm loang, vận tốc của tàu đợc giữ ở một mức ổn
định và chậm để tối giản sự nhiễu động của trờng màu. Những phân bố nồng độ màu
tiêu biểu ngang và dọc theo đốm loang đợc thể hiện trong những Hình 7.4 (b) và ( c).
Theo thời gian, đốm loang dần dần ngừng lại và có dạng hình vòng tròn và trở thành hình
êlíp hơi thô, trục chính thờng là, nhng không phải luôn luôn, thẳng hàng với hớng của
dòng chảy (xem Hình 7.3). Dòng triều xáo trộn màu trong toàn bộ cột nớc trong khoảng
2,5 giờ; có thể cho rằng mức độ xáo trộn tơng đối chậm này là do sự kìm hãm bởi
gradient thẳng đứng của mật độ. Những cuộc đi qua đốm loang đợc tiếp tục cho đến khi
sự pha loãng làm cho màu nớc quá khó để phân biệt với màu của biển bao quanh,
khoảng 3,5 đến 4 giờ sau thời gian thải.

209





Hình 7.3 Những vết các đốm loang chất chỉ thị màu đợc thải ngoài Aberystwyth khi triều lên và xuống -
triều xuống thải 10,36 BST, triều lên thải 16,50 BST. Hình dạng và kích thớc xấp xỉ của những đốm loang
tại những lần lấy mẫu thành công đợc chỉ ra. (Đợc sự đồng ý của Hyder plc)

Dữ liệu nhận đợc từ thực nghiệm đợc sử dụng để tính toán độ dài, chiều rộng và
độ sâu của đốm loang màu hình êlíp tại những thời điểm khuyếch tán khác nhau. Để xác
định độ dài và chiều rộng, độ biến thiên của những phân bố hớng ngang và dọc đợc tính
toán từ những phân bố nồng độ. Đối với một đốm loang hình êlíp, những biến thiên nằm
ngang đợc xác định bởi các phơng trình

dxdyyyxc
M
1
dxdyxyxc
M
1

22
y
22
x
),(
),(

(7.1)
trong đó M là toàn bộ khối lợng của chất chỉ thị trong lớp mặt (bề dày dz) của đốm loang
và liên quan đến nồng độ mặt nớc c(x, y) bởi

dxdyyxcM ),(
. (7.2)

210





Hình 7.4 Những nồng độ màu tiêu biểu từ những đo đạc phát quang lấy qua một đốm loang: (a) thẳng
đứng, (b) ngang và (c) dọc

Tuy nhiên, thấy rằng chỉ cần lấy những phân bố hớng ngang và dọc đi qua tâm
đốm loang là đủ cho nên, ví dụ, biến thiên dọc bằng



dxxxc
M
1
2
x
2
x
)(
(7.3)
trong đó

dxxcM
x
)(
. (7.4)
Tính toán độ biến thiên
Độ biến thiên đợc tính toán bằng việc đọc nồng độ c(x) tại những khoảng cách đều
nhau dọc theo hình vẽ phân bố nồng độ và sau đó sử dụng những phơng trình (7.3) và
(7.4). Những nồng độ này có thể sử dụng để đánh giá
x
2
bằng những phơng trình biểu
thị lại (7.3) và (7.4) ở dạng

2
i
ii
i
2
ii
2
x
c
xc
c
xc

(7.5)
trong đó số hạng trong những dấu móc vuông thể hiện vị trí trọng tâm của phân bố nồng
độ. Một định nghĩa tơng ứng có thể sử dụng để tính toán sự biến thiên
y
2
theo hớng y.
Ví dụ 1
Hình 7.5 cho thấy một phân bố tiêu biểu của nồng độ c
i
xác định tại mỗi khoảng
cách rời rạc x
i
từ một gốc tuỳ ý. Đây là một quy trình tơng đối dễ để tính toán

x
2
, bằng
cách sử dụng phơng trình (7.5) với những cặp giá trị này. Đối với phân bố đã chỉ ra, giá

211



trị tính toán của

x
2
là 11 960 m2, ứng với giá trị

x
là 109,4 m. Dựa vào phơng trình
(6.4), độ lệch chuẩn này đối với phân bố Gauss là tơng đơng với một đốm loang có độ
dài 437,6 m giữa những điểm bằng một phần mời nồng độ lớn nhất. Nh đợc dự kiến,
độ dài này ngắn hơn một ít so với độ dài phân bố toàn bộ là 500 m.
Trong hớng thẳng đứng, phân bố màu là xấp xỉ bán Gauss với cực đại của đờng
cong nằm tại mặt biển (xem Hình 7.4 (a)). Đối với một phân bố nh vậy của màu, biến
thiên thẳng đứng đơn giản thành




i
ii
z
c
zc
2
2

. (7.6)
Nh trờng hợp thông thờng, dữ liệu tại Aberystwyth về phân bố nồng độ thẳng
đứng là quá bất cập để tính toán độ biến thiên hữu ích và
z
2
đợc đánh giá bằng cách sử
dụng độ sâu H mà tại đó nồng độ phân bố hạ xuống một phần mời so với giá trị tại mặt
nớc. Độ biến thiên
z
2
, đợc đánh giá từ mối quan hệ với độ lệch chuẩn
z
= H / 2 đã cho
trong mục 6.2.


Hình 7.5 Những nồng độ màu c
i
lấy tại những khoảng rời rạc trên khoảng cách x
i
dọc theo trục chính
của một đốm loang màu từ một gốc tuỳ ý. Dạng một đờng cong Gauss, xấp xỉ với số liệu quan trắc,
cũng đợc chỉ ra trên hình vẽ.

Trong những trạng thái mà các lớp của một đốm loang khuếch tán đợc nhận thấy
rõ ràng, bằng cách đơn giản có thể đánh giá chiều dài L và chiều rộng W cho một đốm
loang từ vị trí cố định. Những mối quan hệ
x
= L / 4 và

y
= W / 4, bao hàm bởi phơng
trình (6.4) (mục 6.2), sau này có thể sử dụng để đánh giá những biến thiên ngang của
đốm loang tại những thời điểm khuyếch tán khác nhau. Cách tiếp cận này có thể thỏa
mãn nh một xấp xỉ đầu tiên, mặc dầu nếu biên đốm loang trở nên không rõ ràng, cần sử
dụng những biến thiên đã tính toán thay vào đó.
Để đánh giá độ lớn của những hệ số xáo trộn, những biến thiên của đốm loang
đợc vẽ theo những thời điểm khuyếch tán tơng ứng. Giả thiết rằng những hệ số không
đổi theo thời gian, độ dốc của một đờng có thể sử dụng để tính toán K
xe
từ công thức

212




dt
d
2
1
K
2
x
xe


. (7.7)
Những biểu thức tơng đơng có thể sử dụng để đánh giá K
y

và K
z
từ những biến
thiên
y
2 và



z
2

Ví dụ 2
Những giá trị đối với biến thiên dọc đợc vẽ theo thời gian cho chất thải màu khi
triều lên tại Aberystwyth trong hình 7.6. Từ phơng trình (7.7), độ dốc của đờng cho thấy
rằng K
xe
= 0,542 m
2
s
-1
. Mặc dầu không đủ những điểm dữ liệu trên hình vẽ để xác định
sự biến thiên có tăng tuyến tính theo thời gian hay không, hoặc tuân theo một xu hớng
không tuyến tính, có vẻ giả thiết đầu tiên là hợp lý để lấy gradient là hằng số trong thời
gian loang màu.


Hình 7.6 Biến thiên dọc theo thời gian đối với việc thải khi triều lên tại Aberystwyth.
(Đợc sự đồng ý của Hyder plc)
Biến đổi nồng độ tại tâm đốm loang

Hệ số K
xe
đã cho ở phơng trình trên nhấn mạnh rằng với sự có mặt của trợt
dòng chảy hớng dọc, hệ số thực tế là phát tán chứ không phải khuếch tán. Để minh họa
ứng dụng của những hệ số này, hãy xét mô hình của một đốm loang màu phát tán tại mặt
biển.
Nồng độ c(0, 0, 0, t) tại tâm đốm loang do phơng trình (6.13) phát biểu rằng
zyx
23
2
M
t000c

/
),,,(
. (7.8)
Thay thế những độ lệch chuẩn bằng những hệ số xáo trộn là hằng số (phơng
trình (4.17)), biểu thức này trở thành

2121
ze
21
ye
21
xe
23
pc
tKKK4
M
t000cc

/////
),,,(


. (7.9)

213




Hình 7.7 Biến thiên dọc
xs
2
theo t
3
đối với chất thải màu khi triều xuống tại Aberystwyth. (Đợc sự đồng ý
của Hyder plc)

Ví dụ 3
Để kiểm tra những giá trị K xác định từ những biến thiên, điều có ích là so sánh
nồng độ cực đại dự đoán trong một đốm loang với cực đại quan trắc. Để minh họa điều
này cho một thời gian trong chu kỳ lấy mẫu, tính toán cho thời gian phát tán là 30 phút.
Việc thải khi triều xuống tại Aberystwyth cho ta những giá trị của K
xe
, K
y
và K
z
, là 0,220

m
2
s
-1
, 0,025 m
2
s
-1
và 0,0023 m
2
s
-1
, tơng ứng. Khối lợng màu thải là khoảng 10 kg nên
khi thay vào phơng trình (7.9) ta có nồng độ cực đại sau 30 phút là
c
pc
=10/[(4 x

3/2
x (0,220 x 0,025 x 0,0023)
1/2
(30 x 60
3/2
)] = 1,65 mgl
-1

c
pc
là nồng độ dự đoán bằng cách sử dụng mô hình thể hiện bởi phơng trình (7.9).
Bây giờ ta xem một mô hình tiên tiến hơn, trong đó hiệu ứng trợt lên K

xe
đợc tính
đến một cách tờng minh, thay cho việc so sánh với dữ liệu sử dụng mô hình hằng số K
xe
.
Cho phép đối với phát tán trợt
Một khi những hệ số xáo trộn đợc giả thiết không đổi khi dẫn xuất biểu thức này,
mức độ giảm nồng độ tỷ lệ với t
1,5
. Tuy nhiên, để cho phép hiệu ứng trợt theo hớng dòng
chảy trung bình lên K
xe
, hữu ích hơn cả là phân tách sự lan truyền thuần túy khuếch tán
với lan truyền phát sinh bởi sự trợt. Điều này có thể đạt đợc bằng việc phân chia hai
quá trình này nhờ sử dụng một phơng trình có dạng của phơng trình (5.27), phát biểu
rằng

3
z
2
zxx
2
xs
tK
28
1
tK2
. (7.10)
Số hạng đầu tiên bên vế phải thể hiện đóng góp khuyếch tán thuần túy rối để làm
tăng sự biến thiên trong thời gian t, và khi rối đợc coi là đẳng hớng theo phơng nằm

ngang, K
x
= K
y
. Số hạng thứ hai bên phải thể hiện sự tăng biến thiên theo thời gian do tác
động kết hợp của thành phần dọc của trợt thẳng đứng và xáo trộn thẳng đứng. Cần thấy

214



rằng công thức này dựa vào giả thiết đốm loang chất vẫn trong quá trình xáo trộn xuống
đến đáy biển.


Hình 7.8 Những nồng độ cực đại quan trắc so với dự đoán từ phơng trình (7.12)

Sau giai đoạn khuếch tán, sự trợt thống trị phát tán và phơng trình (7.10) có thể
đơn giản thành

3
z
2
zx
2
xs
tK
28
1

(7.11)
và phơng trình (7.8) trở thành

2521
z
21
yzx
23
pc
tKK2
M743
c
////
,


. (7.12)
Từ hình vẽ những giá trị quan trắc đối với
xs
2
theo t
3
, độ dốc của đờng thẳng đi
qua dữ liệu có thể sử dụng để đánh giá tích số
zx
2
K
z
, từ phơng trình (7.11). Vì độ lớn
của K

z
phải đợc đánh giá sẵn từ sự thay đổi
z
2
theo thời gian, độ lớn của trợt thẳng
đứng
zx
có thể xác định. Một u điểm đặc biệt của việc suy luận trợt thẳng đứng từ
thực nghiệm chất chỉ thị màu là độ lớn có thể so sánh trực tiếp với kết quả phân bố dòng
chảy.
Phơng trình (7.12) sau đó có thể sử dụng để tính toán nồng độ c
p
cực đại bằng
cách sử dụng khối lợng đã biết M của màu thải và những giá trị đánh giá của
zx
, K
y
và
K
z
tại những thời điểm phát tán khác nhau. Giả thiết rằng dữ liệu có sẵn cho sự biến đổi
của c
pc
theo thời gian, một so sánh có thể thực hiện giữa những giá trị nồng độ quan trắc
và dự đoán.

215

Ví dụ 4
Sử dụng dữ liệu từ Aberystwyth, những giá trị

xs
2
vẽ theo t
3
(hình 7.7). Độ dốc của
đờng thẳng đi qua dữ liệu cho thấy rằng từ phơng trình (7.11) tích số

zx
2
K
z
= 34,6 x 10-
7 m
2
s
-3
, dẫn đến giá trị trợt là 0,04 s
-1
cho K
z
= 0,0023 m
2
s
-1
. Thay thế những giá trị đó và
với K
y

đa ngợc vào phơng trình (7.12) cho ta những giá trị nồng độ cực đại tại những
thời điểm phát tán khác nhau. Những nồng độ dự đoán đợc vẽ theo thời gian trên tỷ lệ
lôga-lôga trong hình 7.8. Hình này cho thấy màu thải tại Aberystwyth khi triều xuống có
sự phù hợp hợp lý giữa nồng độ cao nhất quan trắc và nồng độ đợc dự đoán bởi mô hình.
Hơn nữa, mức thay đổi nồng độ lý thuyết theo thời gian t
-3/2
là phù hợp thỏa mãn với dữ
liệu hiện trờng.
Pha loãng từ một cửa biển
Đối với một vệt loang trên mặt nớc, nồng độ tại đờng trục do phơng trình (6.28)
đa ra


21
22
0
21
22
00
u
//
zzyy
pr
Q
c



. (7.13)
Đa vào những hệ số xáo trộn, biểu thức này trở thành

21
z
2
0z
21
y
2
0y
0v
pr
tK2tK2
cQ
c
//


u
0
(7.14)
trong đó Q
v
là mức thải và c
0
là nồng độ của chất trong dòng chất thải. Thấy rằng độ pha
loãng D sau khi phát tán trong cả thời gian t bằng

21
z
2
0z
21
y
2
0y0
vpr
0
tK2tK2u
Q
1
c
c
D
//
))( (
. (7.15)
Ví dụ 5
Để minh họa việc ứng dụng kết quả vết màu để đánh giá sự pha loãng của một
nguồn đổ vào, giả thiết rằng nó đợc thiết lập để đánh giá lu lợng chất thải của
Aberystwyth tại đáy biển trong nớc sâu 10m thông qua một đoạn khuếch tán có độ dài 80
m. Nhận thức rằng amôniắc trong nguồn nhập có thể độc đối với cuộc sống biển và bởi vậy
đòi hỏi phải pha loãng amôniắc tại một khu vực có loài sò hến sống tại đáy. Tại một giai
đoạn của thủy triều, khi vận tốc u trung bình là 0,30 ms
-1
, thời gian dịch chuyển đối với
loài sò hến từ nguồn đổ đợc tính toán là 60 phút.
Với lu lợng thể tích giả thiết là 0,25 m

3
s
-1
, độ pha loãng ban đầu trong giai đoạn
nổi lên đối với lu lợng này là sáu mơi lần. Lấy độ dài khuếch tán để thể hiện bề rộng
trờng ban đầu (tơng đơng với 4

y0
), những phơng trình (6.3) và (6.4) cho ta độ lệch
chuẩn ban đầu

z0
= 0,31 m. Vì K
y
= 0,025 m
2
s
-1
và K
z
= 0,0023 m
2
s
-1
, phơng trình (7.15) có
thể sử dụng để dự đoán độ pha loãng amôniắc:
D = {1 / 0,25 }[

x 0,3(20
2

+ 2 x 0,025 x 3600)
1/2
( 0,31
2
+ 2 x 0,0023 x 3600)
1/2
]
= {1 / 0,25 }[

x 0,3 (400 + 180)
1/2
(0,1+16,6)
1/2
]

216





y0
2
2 K
y
t

z0
2
2K

z
t
= 370 lần
Cần nhớ rằng trong việc pha loãng này, sự nổi lên ban đầu làm loãng 60 lần và sự
pha loãng thứ cấp do xáo trộn rối kế tiếp chỉ là 6,2 lần. Điều này nhấn mạnh tầm quan
trọng của pha loãng ban đầu đối với nồng độ nguồn nhập trong những giai đoạn phát tán
sớm hơn. Độ lớn tơng đối của những biến thiên ban đầu và những biến thiên phát tán chỉ
ra trong các đánh giá cho thấy rằng sự lan rộng hớng ngang là nhỏ so với chiều rộng ban
đầu, nhng sự tăng theo độ sâu do xáo trộn thẳng đứng là lớn so với độ sâu trờng ban
đầu.
Cũng cần nhớ là mô hình này giả thiết rằng amôniắc không bị phá vỡ sau 1 giờ
của thời gian dịch chuyển và vận tốc dòng chảy trung bình là một xấp xỉ thỏa mãn trong
dòng triều. Không xét đến những biến đổi vận tốc dòng triều trong khu vực lan truyền, có
nghĩa là mô hình là sự thể hiện lý tởng của trạng thái thực tế.
Phân huỷ sinh học và đạm hoá
Nồng độ của một chất có thể thay đổi do phản ứng lý hóa hoặc bị phân huỷ bởi vi
khuẩn dùng nó nh một nguồn thức ăn. Thuật ngữ 'phân huỷ sinh học' bao gồm những
quá trình nh vậy và mức độ xảy ra phân huỷ phải đợc tính đến khi đánh giá nồng độ
của một chất sau một chu kỳ phát tán. Đã thấy trong mục 6.6.4 là đối với một phân huỷ
dạng số mũ, tiêu biểu cho nhiều quá trình phân huỷ sinh học, nồng độ c
b
bằng

kt
0b
ecc


(7.16)
trong đó c

b
là nồng độ ban đầu và k hằng số mức độ phân huỷ. Nh vậy, với giả thiết rằng
quá trình đạm hoá chuyển một ít amôniắc thành nitrat và nitrite với một hằng số mức độ
k
a
, độ pha loãng hiệu quả D
e
của một vệt loang từ nguồn đổ bằng



21
z
2
0z
21
y
2
0y
kt
u
kt
pr
0
e
tK2tK2u
eQ
1
ec
c

D
//
))(

(
. (7.17)
Ví dụ 6
Lấy cùng điều kiện nh trong Ví dụ 5, nhng giả thiết hằng số mức độ cho đạm
hoá k= 0,5 h
-1
, độ pha loãng hiệu quả thay đổi theo e
0,5t
, trong đó t bằng giờ. Điều này làm
thay đổi độ pha loãng sau 1 giờ phát tán từ 370 lần đến một độ pha loãng hiệu quả 610
lần.
Những mô hình tiên tiến
Những kết quả chắc chắn và có thể thấy tại Aberystwyth nh vậy là tơng đối
hiếm bởi vì trong thời gian nghiên cứu chất màu, gió đặc biệt nhẹ trong một chu kỳ dài.
Điều hoàn toàn có thể là: trợt hớng ngang phát sinh bởi tác động gió trên mặt biển
hoặc sự xoay hớng dòng triều tại những độ sâu khác nhau có thể có nghĩa là K
y
không
phải là hằng số nh giả thiết trong khuyếch tán Fick. Dới những hoàn cảnh này ngời
ta có thể muốn đánh giá những hệ số xáo trộn theo một mô hình tiên tiến, nh mô hình
ngẫu hành (mục 6.5).

217

Quy trình sử dụng phơng pháp ngẫu hành để mô tả sự thay đổi kích thớc của
một đốm loang màu theo thời gian nh sau. Nh bớc đầu tiên, thể tích ban đầu của
trờng chất chỉ thị đợc xác định và hạt đợc phân bố ngẫu nhiên trong thể tích đó.
Những hệ số xáo trộn ngang và thẳng đứng đợc đánh giá, giả thiết rằng chúng không
đổi theo thời gian, những giá trị này tác động nh một hớng dẫn để những giá trị cuối
cùng sẽ đợc lựa chọn. Mô hình chạy với những giá trị K
z
, K
y
này, giả thiết một giá trị
đánh giá cho thành phần dọc của trợt thẳng đứng, có lẽ dựa vào những quan trắc hiện
trờng trong khu vực. Độ lớn của K
z
sẽ đợc sửa đổi dần dần cho đến khi những lần chạy
lại mô hình chỉ ra rằng có sự phù hợp chấp nhận đợc giữa những phân bố nồng độ thẳng
đứng của màu dự đoán và quan trắc. Bớc tiếp theo là thay đổi hệ số hớng ngang K
y
cho
đến khi nhận đợc một sự phù hợp giữa chiều rộng đốm loang dự đoán và quan trắc.
Trong loại mô hình này, những điều kiện đợc giả thiết đẳng hớng theo hớng ngang
nên K
x
= K
y
, và biến điều khiển hình êlíp của đốm loang là độ lớn trợt. Sự trợt đợc
điều chỉnh cho đến khi cả chiều rộng và chiều dài đốm loang dự đoán đợc thấy thỏa mãn
hợp lý với dữ liệu hiện trờng - điều này có thể có nghĩa rằng sự thay đổi hơn nữa của K
y

do việc thay đổi hớng trôi đốm loang có thể làm cho việc lan rộng hớng ngang bị ảnh

hởng bởi trợt.
7.3 những chất chỉ thị Tự nhiên
7.3.1 Kỹ thuật thực nghiệm
Độ muối
Có lẽ chất chỉ thị tự nhiên thờng xuyên sử dụng nhất trong các cửa sông và vùng
nớc gần bờ là thành phần nớc ngọt của nó. Nồng độ của nớc ngọt trong biển và sự
thay đổi của nó do phát tán ra sao có thể xem xét tơng tự nh nồng độ của màu đợc sử
dụng trong thực nghiệm về dấu vết. Thay vì đánh giá trực tiếp nồng độ nớc ngọt, tiện lợi
hơn cả là sử dụng sự thiếu hụt thành phần muối của nớc biển. Nh đã thấy trong mục
6.6.2, phân số nớc ngọt f liên quan đến giá trị cục bộ của độ mặn s bởi biểu thức

sw
sw
S
SS
f


(7.18)
trong đó s
sw
là độ mặn của nớc biển hoàn toàn. Nh vậy, phụ thuộc vào việc độ mặn so
với độ mặn của nớc biển hoàn toàn ra sao, thành phần phân số nớc ngọt biến đổi giữa 0
và 1. Thông thờng trong mô hình hoá sự phát tán của nớc ngọt trong môi trờng biển,
giả thiết độ mặn của nớc biển hoàn toàn không đổi, nh vậy cho phép sử dụng phơng
trình (7.18) để mô hình hoá độ mặn thay cho thành phần nớc ngọt phân số. Nớc biển
hoàn toàn thờng lấy độ mặn cao nhất trong một khu vực, thậm chí dù nó rõ ràng thấp
hơn 100 % nớc biển tiêu biểu, là s = 35,0. Sự chuyển đổi từ nớc ngọt phân số đến độ
mặn có u điểm lớn là mô hình có thể sử dụng để dự đoán giá trị độ mặn để so sánh trực
tiếp với độ mặn quan trắc.

218



Sự thay đổi thành phần nớc ngọt phân số trong một khoảng thời gian, ví dụ, có
thể sử dụng để suy luận 'độ pha loãng' D của nớc ngọt bởi nớc muối trong suốt thời gian
ấy. Thấy rằng từ biểu thức ở trên độ pha loãng lấy bằng




sw2
sw1
Ss1
Ss1
D
/
/



(7.19)
trong đó s
1
, s
2
độ mặn vào lúc bắt đầu và kết thúc của khoảng thời gian, tơng ứng.
Ví dụ
Độ muối trong một dòng chảy tơng đối chậm trong đó bình lu có thể bỏ qua, thay

đổi từ 32,00 đến 32,50 trong khoảng 15 phút. Nếu độ mặn của nớc biển 'hoàn toàn' lấy là
34,00, độ pha loãng D là 1,33 lần.
Độ muối có thể sử dụng nh một chất chỉ thị tự nhiên trong các cửa sông vì có xu
hớng nh một gradient từ sông đến biển. Những nguồn nớc ngọt từ những sông nhánh
có thể coi nh những nhiễu động trong bức tranh tổng thể của độ mặn hớng ngang. Mật
độ nớc cửa sông đợc thống trị bởi thành phần muối và bởi vậy, phân bố thẳng đứng của
độ mặn là một số đo của phân tầng mật độ. Do đó, những thay đổi trong bức tranh các
đờng đẳng mặn thẳng đứng có thể sử dụng để nghiên cứu những hiệu ứng của trợt
thẳng đứng và xáo trộn rối.
Vệt loang của nớc nhiễm mặn phát ra từ một cửa sông, đặc biệt khi thủy triều
rút, sẽ hình thành một trờng lan truyền theo hớng ngang khi nó dịch chuyển ra ngoài
giới hạn cửa sông. Những đo đạc độ mặn có thể sử dụng để nghiên cứu phạm vi lan rộng
hớng ngang và xáo trộn xuống dới theo thời gian.
Qua nhiều chu kỳ thủy triều, việc thải liên tiếp nớc có độ mặn thấp tạo ra sự
giảm nói chung trong thành phần muối của nớc ven bờ. Những xác định độ mặn, ví dụ
tại những mặt cắt xa ra ngoài bờ biển, có thể sử dụng để nghiên cứu những hiệu ứng có
chu kỳ dài hơn của thủy triều và gió lên quá trình phát tán.
Mặc dầu không phải là nguồn nhập 'tự nhiên', cũng có thể khảo sát sự pha loãng
chất thải từ cửa biển bằng cách sử dụng sự giảm độ mặn phát sinh cục bộ bởi nguồn
nhập. Điều này có thể do những vật chất thải và những chất thải công nghiệp thờng
chứa những thể tích nớc ngọt lớn.
Nhiệt độ
Trong một vài thời điểm nhiệt độ cũng có thể sử dụng nh một chất chỉ thị tự
nhiên. Trong những trạng thái mà sự đốt nóng của mặt trời hoặc sự làm mát có thể bỏ
qua, những thay đổi nhiệt độ có thể liên quan đến bình lu và phát tán. Ví dụ, cấu trúc
độ mặn thẳng đứng trong một cửa sông có thể liên quan đến phân bố nhiệt độ thẳng
đứng, với nớc ấm hơn gần mặt nớc và nớc lạnh hơn tại các tầng sâu. Một khi mật độ
phụ thuộc vào cả nhiệt độ và độ mặn, những đo đạc nhiệt độ cần phải phối hợp với bất kỳ
quan trắc độ mặn nào nếu đòi hỏi một phân bố mật độ chính xác.
Trong nớc ven bờ nơi bình lu của nhiệt nhỏ so với sự nóng lên do mặt trời, phân

bố nhiệt độ có thể sử dụng để suy luận gần đúng mức độ xáo trộn xuống dới và có thể

219



hình thành những front nhiệt. Đầu vào của nhiệt từ nguồn đổ có thể rất có ý nghĩa, đặc
biệt đối với việc thải nớc làm mát từ những nhà máy điện và những nhà máy công
nghiệp. Đối với những trạng thái nh vậy, nhiệt độ là một phơng tiện hữu ích để theo
dõi trờng thải.
Đo đạc độ mặn và nhiệt độ
Nói chung, độ mặn tại một vị trí trong cửa sông hoặc vùng ven bờ thay đổi theo
thời gian do bình lu của nớc bởi dòng chảy xung quanh và do xáo trộn rối. Để xác định
sự biến đổi theo thời gian và không gian của phân bố độ mặn, nói chung đòi hỏi phải có
thiết bị cung cấp một trả lời nhanh. Những dụng cụ này có thể sử dụng để đo đạc tại một
vị trí cố định trong cột nớc, kéo trên một khu vực tại một độ sâu cố định hoặc lắp đặt
trên những cột neo. Trong trờng hợp này, biến đổi độ mặn trong một chu kỳ vài ngày
hoặc vài tuần đợc ghi lại và lu giữ. Vì nhiệt độ cũng cần thiết, đa số các máy móc đợc
thiết kế để đo cả độ mặn lẫn nhiệt độ trên những bộ cảm ứng kề nhau.
Độ muối đợc đo bằng cách sử dụng độ dẫn điện, một tham số tăng lên khi số
lợng những ion clo-rua và natri tự do trong nớc tăng lên. Độ dẫn điện cũng phụ thuộc
yếu vào nhiệt độ và bởi vậy, những đo đạc nhiệt độ đợc sử dụng để điều chỉnh độ dẫn
điện. Có thể đánh giá độ dẫn điện hoặc bằng một đầu dò cảm ứng hoặc đầu dò dẫn điện.
Những đầu dò cảm ứng thờng có những bộ cảm ứng hình khuyên qua đó nớc biển có
thể dịch chuyển tơng đối dễ dàng - dòng điện trong cuộn dây sơ cấp cuộn xung quanh
ống phát sinh một dòng điện trong cuộn dây thứ cấp, phụ thuộc vào độ dẫn điện của nớc
trong ống. Những đầu dò dẫn điện có những điện cực đo dòng điện đi qua nớc biển nằm
giữa chúng. Những thiết bị này thờng kém chính xác hơn những hệ thống cảm ứng,
nhng những hệ thống 'bốn cực' mới hơn áp dụng bốn điện cực thay cho hai điện cực lại
chính xác hơn nhiều.

Những đo đạc chính xác nhiệt độ có thể thực hiện khi sử dụng những nhiệt kế
kháng trở bạch kim (PRT). Tuy nhiên, khi với mức độ kém chính xác hơn cũng đủ, nhiệt
độ thờng xác định bằng cách sử dụng những điện trở nhiệt, tơng đối đáng tin cậy và
bền. Trong nhiều tình huống thực tế, độ chính xác tơng đối quan trọng hơn độ chính xác
tuyệt đối, ví dụ xác định số Richardson; cũng rất tình cờ là thực hiện những đo đạc độ
chính xác tơng đối dễ hơn so với độ chính xác tuyệt đối. Đối với một vài nghiên cứu
chuyên dụng, ví dụ dao động nhiệt độ của cột nớc do những sóng nội, các điện trở nhiệt
có thể lắp đặt trong một khung thẳng đứng từ một phao neo hoặc tàu đi trên mặt nớc.
Dữ liệu từ những đo đạc độ mặn và nhiệt độ có thể lu giữ trong đầu dò lấy mẫu
và sau đó tải xuống vào cuối đợt lấy mẫu. Một vài dụng cụ liên kết đầu ra từ những đầu
dò đến những màn hình trên boong tàu khảo sát, nh vậy cho phép liên tục tải xuống
thông tin và cho phép thao tác viên khảo sát những kết quả suốt đợt khảo sát.
Những dụng cụ sử dụng cho độ mặn và nhiệt độ gồm những đầu dò độ dẫn điện,
nhiệt độ, độ sâu (CTD). Những dụng cụ này, có những bộ cảm ứng để đồng thời đo độ dẫn
điện, nhiệt độ và độ sâu, đợc đặt lên một khung có thể hạ thấp và nâng cao trong cột
nớc. Đó là một thiết kế tổng quát để đặt các thiết bị điện tử vào một hộp hình trụ, với
những bộ cảm ứng định vị gần đáy khung, để khi hạ thấp, những bộ cảm ứng không bị

220



ảnh hởng quá mức bởi nhiễu động dòng chảy do khung thiết bị. Những thiết bị điện tử
điều khiển tần số lấy mẫu của những bộ cảm ứng và lu trữ dữ liệu phát ra. Một vài dụng
cụ cho ta tùy ý chọn mẫu bằng những bộ cảm ứng tại những khoảng thời gian xác định, ví
dụ cứ mỗi 20 giây, hoặc lấy mẫu tại những khoảng độ sâu định trớc. Những phơng án
thiết kế cơ bản này gửi dữ liệu lên màn hình và thiết bị ghi bằng dây cáp phụ. Nhiều hệ
thống CTD có thể gần giống với vật thể có dạng thủy động lực (ví dụ 'cá') và đợc kéo,
hoặc tại một độ sâu cố định hoặc theo một kiểu gợn sóng để phát sinh những phân bố hai
- hoặc ba chiều của độ mặn và nhiệt độ.

Hóa chất
Ngoài độ mặn và nhiệt độ, có thể sử dụng một vài thành phần hóa học biển làm
chất chỉ thị tự nhiên. Những ví dụ là các chất dinh dỡng, amôniắc và nitrat, hoặc nồng
độ ion hy-đrô, thờng đợc biểu thị bằng pH. Amôniắc ở nồng độ cao hơn (tức là hơn 1
mgl
-1
) có thể đo bằng cách sử dụng điện cực ion chuyên dụng. Tuy nhiên, với những nồng
độ thấp hơn, những phân bố amôniắc có thể xác định bằng cách sử dụng máy phân tích tự
động trên boong tàu, và những thay đổi liên quan đến các mô hình đầu vào chủ yếu là
amôniắc (Staples và nnk., 1993). Giới hạn dò tìm trên những hệ thống nh vậy hiện tại
là 0,1 mol NH
4-
Nl
-1
.
Giá trị pH có thể đo bằng cách sử dụng những đầu dò in-situ, chúng liên kết bằng
cáp đến màn hình và thiết bị ghi dữ liệu trên tàu. Những đo đạc pH với trang bị máy móc
nh vậy nói chung có độ chính xác là 0,1 đơn vị pH.
7.3.2 Ví dụ ứng dụng
Thậm chí với trang bị máy móc hiện đại, việc lấy mẫu và ghi trờng dữ liệu chiếm
thời gian đáng kể. Ví dụ có thể mất 3 hoặc 4 phút để hạ thấp và nâng một đầu dò CTD
qua một cột nớc có độ sâu 20 m. Điều đó có nghĩa là để thu đợc những phân bố tại mời
trạm cách nhau một kilômet, ví dụ, mất ít nhất 30 phút, cha kể thời gian dùng để dịch
chuyển từ một trạm đến trạm tiếp theo. Thời gian dịch chuyển giữa những trạm có thể
giảm đáng kể nếu biển đủ yên lặng để cho phép sử dụng thuyền khảo sát đi nhanh (tức là
thuyền nổi vỏ cứng - RIB). Điều mong muốn là sử dụng độ mặn hoặc nhiệt độ nh một
chất chỉ thị để thu đợc một tập hợp dữ liệu 'synop' (tức là dữ liệu thể hiện gần đúng
phân bố tức thời của chất chỉ thị). Trong những dòng triều, phân bố độ mặn và nhiệt độ
thay đổi liên tục, và thông thờng, chỉ có thể thu đợc thông tin synốp xấp xỉ.
Ngoài thay đổi do thủy triều, những phân bố có thể bị ảnh hởng bởi dòng chảy

gió, tác động sóng, và trong khu vực lân cận cửa sông là biến đổi lu lợng nớc ngọt đổ
xuống từ hệ thống sông. Một cách hiệu chỉnh đối với những biến đổi là đặt những trạm
kiểm soát lấy mẫu lại tại những khoảng thời gian trong suốt thời gian thu thập dữ liệu.
Ví dụ
Lấy mẫu độ mặn và nhiệt độ vịnh Tees dựa trên cơ sở những trạm kiểm soát ở
giữa vịnh và gần miệng cửa sông; những vị trí này đợc đánh dấu là trạm P và Q, tơng
ứng trong hình 7.9. Khảo sát thực hiện vào hai ngày khác nhau - một ngày lấy mẫu vùng

221



ven bờ (những đờng liền) và khu vực ngoài khơi đợc lấy mẫu tiếp theo (những đờng
chấm). Tàu lấy mẫu dịch chuyển từ một góc của một hình chữ nhật đến góc tiếp theo để
bao phủ khu vực với mức cho phép lấy mẫu lại tại P và Q với những khoảng 2 giờ. Việc sử
dụng những trạm chung này cho phép những phân bố độ mặn và nhiệt độ nhận đợc sẽ
đợc hiệu chỉnh trong chu kỳ thủy triều (những biến đổi hai giờ) và đối với những thay
đổi của phân bố toàn bộ từ ngày này sang ngày khác.
Hiệu quả của cách tiếp cận này thể hiện trong hình 7.10, chỉ ra rằng có thể nhận
đợc một phân bố chắc chắn của độ mặn tại bốn trạng thái thủy triều; những đặc tính
nh dòng chảy có độ mặn thấp khi triều xuống và sự 'bó chặt lại' của vệt loang này tại
nửa pha triều lên là hiển nhiên. Một bức tranh rất tơng tự của vệt loang trung bình độ
sâu và trung bình thủy triều từ cửa sông Tees có thể thấy trong hình 9.23.


Hình 7.9 Lới lấy mẫu trong vịnh Tees với trạm điều khiển đặt tại vị trí P và Q; những trạm ven bờ (những
đờng liền), những trạm ngoài khơi (những đờng chấm).

7.4 những quan trắc bổ trợ
7.4.1 Định vị vị trí

Để xác định nơi nào cần xác định nồng độ hoặc lấy mẫu trong một khu vực nghiên
cứu, vị trí thả neo hoặc tàu lấy mẫu có thể xác định bằng cách sử dụng GPS (Hệ thống
định vị toàn cầu); việc đọc trực tiếp từ hệ thống dựa vào vệ tinh này có độ chính xác đến
100 m. Sự chính xác có thể cải thiện đến 10 m bằng cách sử dụng hệ thống GPS vi phân
lắp đặt tại một trạm trên bờ, hoặc một dịch vụ GPS vi phân thơng mại. Trong những
trờng hợp đòi hỏi định vị chính xác hơn, có thể dẫn những vị trí bằng cách sử dụng kỹ
thuật tam giác đạc từ những đèn hiệu vi ba trên các cột trên bờ.


222




H×nh 10. C¸c ®êng ®¼ng muèi trung b×nh ®é s©u




223




7.4.2 Quan trắc tại điểm cố định
Nh đã giải thích ở trên, không thể thực hiện nghiên cứu chất chỉ thị nếu không
có tập hợp của dữ liệu hỗ trợ về những điều kiện thuỷ văn xung quanh. Phát tán phụ
thuộc vào sự trợt dòng chảy, và khi xem xét sự pha loãng một đốm loang vật chất, sự
trợt thẳng đứng trong thành phần dọc của dòng chảy trung bình là yếu tố đầu tiên.
Những lu tốc kế thích hợp với những quan trắc tại điểm cố định (tức là Euler) có ba

loại:
1. Lu tốc kế đọc trực tiếp
Lu tốc kế đọc trực tiếp đợc thiết kế để hạ xuống theo cột nớc từ một tàu thả neo.
Vận tốc của dòng chảy đợc xác định bởi số lợng của những vòng quay trên đơn vị thời
gian của một bánh công tác tại 'mũi' của thiết bị; lu tốc kế có những cánh lái tại phần
cuối sẽ làm cho nó thẳng hàng với dòng chảy chính và điều khiển dụng cụ bằng một la
bàn đặt bên trong. Lu tốc kế đọc trực tiếp sắp xếp dữ liệu vận tốc và hớng, truyền theo
một cáp đến một phòng trên boong của tàu khảo sát. Những dụng cụ này thiết kế để thao
tác viên theo dõi tại từng độ sâu đợc chọn, khi lấy một thời gian trung bình thích hợp
cho đo đạc vận tốc dòng chảy; chu kỳ tiêu biểu là 30 hoặc 60 giây đợc chọn để loại bỏ hầu
hết dao động rối. Dữ liệu phát sinh có thể cung cấp cho bộ lu trữ hoặc PC để phân tích
về sau.


Hình 7.11 Hệ thống neo đối với một tập hợp các đồng hồ ghi dòng chảy
2. Lu tốc kế ghi
Lu tốc kế ghi đợc neo tại một độ sâu cố định và giữ tại đó để ghi dòng chảy với
một chu kỳ kéo dài, thờng đến một tháng. Khi thấy nớc đủ sâu, một vài lu tốc kế có
thể gắn với cùng cột neo (hình 7.11). Vận tốc và hớng dòng chảy đợc ghi tại những
khoảng định trớc trong suốt thời gian ghi; dữ liệu đợc lu giữ bên trong và tải xuống

224



khi dụng cụ đợc nhấc lên. Những phơng pháp sử dụng để xác định vận tốc dòng chảy
thờng biến đổi. Lu tốc kế đo mức độ quay của một bánh công tác hoặc một rôto
Savonius (hình 7.12). Thiết bị này cộng lại những vòng quay bất cứ hớng gì tiếp cận với
dòng chảy - nó có thể làm cho dụng cụ đọc quá đi nếu ở đó sự đảo ngợc dòng chảy (ví dụ
do tác động sóng) chồng lên dòng chảy trung bình, mà dòng trung bình không đủ mạnh để

gióng thẳng hàng toàn bộ thiết bị. Lu tốc kế doppler âm học xác định vận tốc dòng chảy
từ những số đo của tần số dịch chuyển trong những xung âm thanh truyền ngang và dọc
theo dòng chảy. Những lu tốc kế điện từ đo vận tốc dòng chảy bằng những dòng điện
phát sinh khi nớc chuyển qua một từ trờng hình thành tại đầu đồng hồ đo. Tất cả các
lu tốc kế ghi khác nhau sử dụng một thiết bị 'lấy trung bình vectơ bên trong để phân
tích những số đo vận tốc và hớng. Nói chung, đồng hồ công tác đếm số lợng những vòng
quay và sau đó tính toán những thành phần phía bắc và phía đông của vận tốc qua một
khoảng 5 giây bằng cách sử dụng những số đọc về hớng. Những thành phần này đợc
tính toán lần lợt 5 giây một trong chu kỳ 10 phút và sau đó vectơ kết quả đợc tính toán
và lu giữ trong thiết bị. Thậm chí đối với những dụng cụ có khả năng xác định vận tốc
thờng xuyên, nh những lu tốc kế điện từ có thể cung cấp những giá trị vận tốc gần tức
thời, những xác định thờng hạn chế với những khoảng cố định (tức là 5 giây) và chỉ giá
trị trung bình 10 phút đợc lu giữ để giới hạn số lợng dữ liệu lu giữ trong thiết bị.


Hình 7.12 Nguyên lý vận hành của một rôto Savonius

3. Những bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học
'Những bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học' (ADCP), đợc phát triển
từ đồng hồ đo doppler âm học cho những quan trắc ở độ sâu cố định, sử dụng khung đặt
tại đáy gắn những bộ chuyển đổi (Cheng, 1990). Tổng thể, dụng cụ có bốn bộ chuyển đổi
hớng lên cao, truyền những xung âm thanh ngắn về phía mặt biển. Những chùm đợc
đặt nghiêng so với hớng thẳng đứng nh đợc minh họa trong hình 7.13. Những sóng
âm thanh từ mỗi chùm tia đợc phản hồi từ các đám phù du, những hạt nhỏ và những
biến đổi mật độ nhỏ trong cột nớc. Vận tốc của tia quét so với bộ phát xạ tạo ra sự dịch
chuyển tần số doppler, đợc phát hiện bởi bộ chuyển đổi tiếp nhận. Những xung trở lại

225

nhận đợc sớm hơn từ tia quét theo cột nớc và những xung muộn hơn đến từ tia quét
gần mặt nớc hơn. Bằng cách lấy bản ghi theo thời gian của tín hiệu trở về và sự dịch
chuyển tần số liên quan của chúng, có thể suy luận vận tốc ngang của tia quét tại những
đoạn có độ sâu khác nhau. Biết đợc hình dáng chùm tia chính xác, dữ liệu vận tốc tại ba
trong bốn độ sâu phân đoạn đợc kết hợp để tính toán những thành phần ngang của dòng
chảy tại mỗi mực trong cột nớc. Bởi vì những ô mà từ đó bất kỳ âm thanh nào cũng đợc
tia quét qua đều có một bề dày và mặt cắt hữu hạn, xác định bởi sự lan rộng của chùm
tia, những vận tốc tính toán thể hiện dòng chảy trung bình qua một lớp mỏng nằm ngang
của cột nớc trong khu vực giới hạn bởi bốn chùm tia. Chỉ ba trong số bốn chùm tia đòi
hỏi xác định những thành phần thẳng đứng và nằm ngang của dòng chảy. Những bộ
chuyển đổi ADCP đặt tại đáy thờng đợc gắn ở khoảng 1,5 m trên đáy và cũng có một
vùng chết trong khu vực ở ngay trên những bộ chuyển đổi và bởi vậy, những đo đạc không
thể thực hiện rất sát đáy biển. Hơn nữa, việc tia quét âm thanh trong những chùm tia
nghiêng có nghĩa là những đo đạc không thể lấy thẳng đến mặt nớc. Nh vậy đối với
những chùm tia với có góc nghiêng 30
o
so với hớng thẳng đứng, có thể biểu thị 85 % đầu
tiên của khoảng cách giữa những bộ chuyển đổi và mặt nớc. Việc giảm độ nghiêng đến
15
o
làm tăng phạm vi này đến 95 % nhng sai số phép đo tăng xấp xỉ 2 lần so với chùm
tia 30
o
. Độ chính xác của phép đo dòng chảy bằng ADCP phụ thuộc vào độ dài ô. Tiêu biểu
cứ khoảng đo 1 giây cho một độ dài ô là 0,4 m phải có độ chính xác chỉ đến 0,08 ms
-1
nhng có thể cải thiện đến 0,01 ms
-1
nếu chuỗi đo thực hiện liên tục hơn 64 giây.

Hình 7.13 Những chùm âm thanh từ bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học bốn bộ chuyển đổi,
cho thấy những ô phản chiếu sóng âm thanh
4. ADCP trên tàu đang chuyển động
ADCP cũng có thể đặt lên giá trên những con tàu chuyển động để bốn chùm tia
đợc hớng xuống phía đáy biển. Nguyên lý cũng nh đối với một ADCP đặt tại đáy, trừ
khi phạm vi độ sâu bị hạn chế bởi độ sâu đặt máy ở dới mặt nớc. Một khi tàu đi theo
một vết đã chỉ định, dữ liệu phân bố vận tốc tơng đối đợc kết hợp với vận tốc của tàu để

226



tính toán phân bố vận tốc tuyệt đối. Nói chung, khoảng lấy trung bình 5 phút cung cấp độ
chính xác của vận tốc tuyệt đối là 0,07 ms
-1
. Nhiều sai số xuất hiện do vận tốc của tàu
thờng lớn đáng kể hơn dòng chảy tuyệt đối đợc đo. Sai số làm hạn chế ứng dụng của
ADCP gắn trên tàu khi xác định trợt thẳng đứng trong những khu vực có dòng triều
tơng đối mạnh. Kỹ thuật có u điểm là thực hiện các cắt ngang liên tiếp, ví dụ qua mặt
cắt ngang cửa sông, một bức tranh chi tiết có thể thiết lập cho thay đổi thủy triều khi
chuyển động; điều này có giá trị đặc biệt trong việc xác định dòng khối lợng trong các
cửa sông.
7.4.3 Chuyển động Lagrange
Việc thải đốm loang chất chỉ thị màu trong những thực nghiệm phát tán có u
điểm là chuyển động của tâm đốm loang, nếu đợc xác định một cánh hoàn toàn đầy đủ,
có thể sử dụng để đánh giá vận tốc tuyệt đối và hớng của dòng chảy bao quanh. Tuy
nhiên, nếu những chất chỉ thị trở nên quá loãng để khó thấy hoặc đốm loang lan rộng đến
mức có thể không xác định đợc tâm nữa, thì một cách đánh dấu nào đó phải đợc sử

dụng để chỉ ra vận tốc trôi. Chuyển động Lagrange này có thể xác định bằng cách sử
dụng những phao đơn giản, nh những đĩa gỗ, hoặc những phao hình phễu chìm nổi. Loại
phao đợc sử dụng rộng rãi nhất là phao Iroquois có dạng hình chữ thập (hình 7.14),
thờng làm bằng chất dẻo hoặc vải bạt và đợc gắn với một phao trên mặt bằng dây
thừng hoặc cáp; diện tích bề mặt của phao ở trên nớc đợc giữ càng nhỏ càng tốt để tối
giản hiệu ứng kéo của gió. Vận tốc và hớng của dòng chảy đợc suy ra từ một chuỗi các
vị trí cố định của phao. Để đánh giá sự trợt thẳng đứng trong dòng chảy, các phao có thể
đặt tại những độ sâu khác nhau, dới những phao mặt nớc của chúng và độ cách nhau
đo đợc của chúng.


Hình 7.14 Thiết kế của một hệ thống phao Iroquois

Khi đòi hỏi phải theo dõi dòng trôi trong những chu kỳ dài hơn một vài giờ, có thể áp
dụng những trạm phao theo dõi bằng vệ tinh. Những hệ thống này truyền tín hiệu đến
một đài thu thông qua liên kết vệ tinh để có thể vẽ nên chuyển động dài hạn. Sự chính
xác của định vị vị trí có thể cải thiện bằng cách đặt một hệ thống GPS trên phao mặt
nớc, nh vậy cho phép dữ liệu GPS đợc thông báo cho trạm theo dõi.