Giáo trình kỹ thuật biển phần 1

Kỹ thuật biển
Bộ các bài giảng về kỹ thuật bờ biển dành cho lớp
đào tạo các cán bộ Viện Khoa học thuỷ lợi, Hà Nội
Biên tập tiếng Anh: E. van Meerendonk

Delft Hydraulics

2


TËp I

NhËp m«n vÒ c«ng tr×nh bê

Ng­êi dÞch: §inh V¨n ¦u

Hµ Néi – 2003
3


Lời gới thiệu

Để phục vụ chương trình đào tạo mới của các chuyên ngành Hải dương học,
chúng tôi đã lựa chọn các sách giáo khoa và chuyên khảo liên quan tới các chuyên
ngành mới như Kỹ thuật biển, Quản lý tài nguyên và môi trường biển đã được xuất
bản ở nước ngoài và dịch ra tiếng Việt.
Bộ các bài giảng về kỹ thuật bờ biển sử dụng cho lớp đào tạo cán bộ Viện Khoa
học Thuỷ lợi Hà Nội được E. van Meerendonk biên soạn theo các bài giảng từ Viện
Delft Hydraulics, Hà Lan là một tài liệu tương đối hoàn chỉnh về lĩnh vực này.
Trong giáo trình này có nhiều phần liên quan tới thuỷ động lực biển và các công
trình bảo vệ bờ đã được trình bày kỹ trong các giáo trình hiện hành bằng tiếng Việt.

Chúng tôi chỉ chọn tập I và II của bộ sách này để dịch vì trong đó đã trình bày
tương đối đầy đủ tổng quan về Kỹ thuật biển nhằm làm tài liệu giảng dạy cho sinh
viên năm thứ 3 trước khi đi vào các chuyên ngành. Do tập III trình bày rất sâu về
những khía cạnh kỹ thuật của công trình bờ thuộc lĩnh vực thiết kế, xây dựng công
trình và tập IV chỉ tập chung cho một vấn đề chuyên sâu của thuỷ động lực bờ là
sóng thần vì vậy chúng tôi không dịch cả hai tập này. Trên cơ sở đó chng tôi lấy tên
cho bản dịch này là Kỹ thuật biển
Để đảm bảo tính khoa học của vấn đề chúng tôi biên dịch toàn bộ phần mở đầu
cho Bộ sách, tuy nhiên do không biên dịch các tập, III và IV nên sẽ có những bổ
sung nhất định để sinh viên có thể nắm được đầy đủ yêu cầu nội dung của môn học
này.

4


Lời nói đầu

Bộ bài giảng về kỹ thuật bờ được biên soạn phục vụ Viện nghiên cứu khoa học
thuỷ lợi của Cộng hoà Xã hội Chủ ngiã Việt Nam. Trong thời gian 7 tuần từ tháng
10 đến tháng 11 năm 1989 tập bài giảng này được E. van Meerendonk từ Viện Delft
Hydraulics sử dụng cho khoá đào tạo các cán bộ của Viện khoa học thuỷ lợi. Những
bài giảng này là một phần của dự án hỗ trợ cho Viện nghiên cứu Khoa học thuỷ lợi
do Delft Hydraulics triển khai với sự tài trợ của UNDP tại Nữu Ước. Bộ bài giảng
về kỹ thuật bờ bao gồm các nội dung sau đây:
Tập I: Mở đầu
Tập II: Những vấn đề cảng, vịnh và bãi biển
Tập III: Thiết kế các công trình ngăn sóng
Tập IV: Tsunami
Những bài giảng này cung cấp các kiến thức chung về nguyên lý, các vấn đề và
phương pháp giải quyết. Ngoài ra một loạt các bài tập khác nhau cũng được triển

khai trong quá trình đào tạo.

5


1 Mở đầu

1.1

Mục đích, yêu cầu

Tập bài giảng này được xây dựng ban đầu như phần bổ sung cho các bài giảng
của giáo sư Bijker tại Delft đồng thời cho Đại học công nghệ cũng như lớp chuyên
đề quốc tề về Thuỷ công trình. Thời gian giảng dạy dành cho việc giới thiệu, trao
đổi, bàn luận và trả lời các câu hỏi liên quan.
Một số học viên có thể không cần lên lớp mà vẫn có thể nghiên cứu thông qua
các tài liệu này. Trong khi trình bày, các câu hỏi được lồng vào trong bài giảng,
thông qua đó có thể gây chú ý và kiểm tra mức độ hiểu biết của người đọc.
1.2

Các chuyên mục

Tất cả các tài liệu liên quan tới kỹ thuật bờ do giáo sư Beijker chuẩn bị tại Đại
học Công nghệ Delft được chia thành ba chuyên mục chính hay ba môn học:


Nhập môn kỹ thuật bờ cơ sở của toàn bộ các chuyên mục khác

Những vấn đề cảng, vũng vịnh nghiên cứu chi tiết các chuyên đề liên
quan tới bờ, cảng và các lạch tàu vào cảng



Thiết kế công trình chắn sóng nghiên cứu hai dạng công trình chắn
sóng bằng khối liên kết mềm và bằng nguyên khối.

Việc phân chia các chuyên mục này được chú trọng trong khi xây dựng tập bài
giảng này và các nội dung được tập hợp theo từng tập riêng rẽ.
Có thể tồn tại cách phân chia khác trong kỹ thuật bờ, trong đó các loại vấn đề
được tập hợp lại với nhau. Theo cách đó có ba loại vấn đề sau: Cảng, Địa mạo và
Biển khơi, chúng sẽ được đề cập tới trong chương 2. Việc phân chia này được chú
trọng trong hai tập đầu của bộ sách này. Trong từng tập các vấn đề được tập hợp
theo nguyên lý vừa nêu. Tuy nhiên nguyên lý phân chia trên không được chú trọng
trong tập III bời vì các công trình chắn sóng chỉ là vấn đề riêng của lĩnh vực cảng.
Dạng thông tin thứ 4 liên quan tới những kiến thức cơ sở đã được trình bày
trong các giáo trình khác, chúng có thể được nhắc lại ngắn gọn, hoặc là các nhận
xét bổ sung hay lưu ý. Tuy nhiên những kiến thức đó lại không thể thiếu được khi
6


đi vào nghiên cứu các vấn đề thực sự của kỹ thuật bờ và đó là cơ sở của môn học
này.
1.3

Các tài liệu xuất bản định kỳ

Danh mục các tài liệu tham khảo được dẫn ra trong phần cuối của mỗi tập. Đó
là những tài liệu cơ bản nhất cung cấp nền tảng nhưng không cho ta cập nhật

những kết quả mới phát triển. Các xuất bản định kỳ nhằm đáp ứng mục đích này.
Loại tài liệu này cho thể phân ra thành 5 nhóm được mô tả sau đây:
1.4

Tài liệu chung

Những tài liệu về kỹ thuật loại này thường có tính bao quát cao, trong đó thỉnh
thoảng có thể tìm được một số vấn đề liên quan trực tiếp tới kỹ thuật bờ, song nhìn
chung không có các chi tiết cụ thể. Ví dụ về các loại tạp chí định kỳ này có thể là:

1.5



Engineering New Record, xuất bản hàng tuần do NXB McGraw Hill,
N.Y. Hoa Kỳ



De Ingenieur, xuất bản hàng tuần do Hội hoàng gia các kỹ sư, La Hay,
Hà Lan



Civil Engineering, xuất bản hàng tháng do Hội kỹ sư xây dựng Mỹ, N.Y.
Hoa Kỳ.

Tạp chí chuyên ngành chung

Nhóm các tạp chí loại này cung cấp các thông tin chung về từng lĩnh vực

chuyên ngành. Thông thường có các thông tin quan tâm trực tiếp song thường vẫn
thiếu các chi tiết kỹ thuật chuyên ngành. Ví dụ về các tạp chí loại này như sau:

1.6



Ocean Industry, xuất bản hàng tháng do công ty Gulf Publishing,
Houston, Texas, Hoa Kỳ



The Dock and Habor Authority, xuất bản hàng tháng do NXB Foxlow,
London

Tạp chí kỹ thuật chuyên ngành

Loại tạp chí này cung cấp các chi tiết kỹ thuật chuyên ngành liên quan tới các
vấn đề và cách giải quyết, có thể tìm được trong phần tài liệu tham khảo của các
bài đăng trong các tạp chí thuộc hai loại trên. Ví dụ về loại tạp chí này như sau:


Journal of Waterways, habors, and Coastal Engineering Division, xuất
bản hàng quý do Hội kỹ sư xây dựng Mỹ, N.Y., Hoa Kỳ
7




Shore and Beach, xuất bản nửa năm do Hiệp hội bảo vệ bờ biển và bãi

tắm Mỹ, Miami, Florida, Hoa Kỳ



Coastal Engineering in Japan, xuất bản hàng năm do Hội kỹ sư xây
dựng Nhật bản, Tokyo, Nhật Bản

Tạp chí kỹ thuật chuyên đề
Loại tạp chí này cung cấp các thông tin như loại tạp chí kỹ thuật chuyên ngành
song dành riêng cho một nhóm lĩnh vực hoàn toàn khác. Đối với các nhà chuyên
môn, muốn tìm được các thông tin cần thiết này, phải tìm kiếm hết sức công phu
trong số các tài liệu dạng tổng quan tóm tắt được trình bày sau đây. Có thể đưa ra
làm ví dụ một số thông tin có thể tìm thấy trong loại tạp chí này:
Vấn đề áp lực sóng trong Journal of the Engineering Mechanics Division, xuất
bản bởi Hội kỹ sư xây dựng Mỹ, N.Y. Hoa Kỳ
Vấn đề tác động của sóng lên cảng trong Journal of the Acoustical Society of
America, N.Y. Hoa Kỳ
1.7

Tổng quan tóm lược

Các tổng quan tóm lược phục vụ mục đích tìm kiếm nhanh các tài liệu cần thiết
trong số nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên chúng không cung cấp các thông tin
mới mà chỉ trình bày cô đọng các nội dung trình bày trong bài. Trong số các tạp chí
tổng quan tóm lược tốt nhất hiện nay có thể kể đến:


Documentation Data, do Phòng thí nghiệm thuỷ lực Delft, Hà Lan xuất
bản

Engineering Index, do Thư viện các hội kỹ thuật, N.Y., Hoa Kỳ xuất bản



BHRA Fluid Engineering, dịch vụ tổng quan của Hiệp hội nghiên cứu
thuỷ lực Anh, Bedford.

Hiện nay các phương tiện máy tính đã và đang phát triển hệ thống tìm kiếm
các tổng quan thông qua mạng. Nhiều hệ tìm kiếm các tổng quan tổng lược có thể
truy nhập với một phí không đáng kể giúp nhanh chóng đạt được kết quả mong
muốn.
1.8

Các sách tham khảo

Sau đây chúng tôi dẫn ra một số sách tham khảo về kỹ thuật bờ, các tài liệu
này có thể đề cập tới một vấn đề quan tâm chứ không phải tất cả các chủ đề rộng
lớn của bộ môn này.


Per Bruun (1973): Port Engineering: Gulf Publishing Company,
Houston, Texas, U.S.A.
8


1.9

Arthur T. Ippen (1966): Estuary and Coastline Hydrodynamics:
McGraw-Hill, N.Y.



H Lamb (1963): Hydrodynamics (6th edition) : Cambridge Univ. Press.



Muir Wood, A.M. (1968): Coastal Hydraulics: Macmillan and Co. Ltd.,
London, England.



Robert L. Wiegel (1964): Oceanographical Engineering : Prentice-Hall,
Inc., Englewood Cliffs N.J., U.S.A.

Những đồng tác giả

Quyển sách này được tập thể nhóm kỹ thuật bờ Đại học công nghệ Delft chuẩn
bị. Những tác giả ban đầu được liệt kê trong phần mở đầu mỗi chương, mục. Nhiều
người khác tham gia vào việc đọc và sửa chữa bổ sung, phần hiệu đính cuối cùng
và tập hợp thành sách do W.W. Massie chịu trách nhiệm. Trong bảng sau đây đưa
ra danh sách những đồng tác giả theo thứ tự vần chữ cái.
Bảng 1.1. Những đồng tác giả của tập sách này
GS TS E.W. Bijker

Giáo sư kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft

KS C.J.P. van Boven

Giám đốc điều hành, Dịch vụ quốc tế về biển Smit, Rotterdam

KS J.J. van Dijk

Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft

KS J. van de Graaff

Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft

KS L.E. van Loo

Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft

W.W. Massie, P.E.

Nghiên cứu viên chính, Nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ Delft, Delft

KS J. de Nikker

Kỹ sư trưởng về cảng, Bộ môn công trình công cộng, Rotterdam

KS A. Paape

Giám đốc chi nhánh Delft, Phòng thí nghiệm thuỷ lực Delft, Delft

1.10 So sánh với lần xuất bản 1976
Trong lần xuất bản này có hai thay đổi lớn và một số thay đổi và hiệu chỉnh

nhỏ. Thay đổi lớn thứ nhất liên quan tới chương 10 và 11. Mục 10.3 đã được sửa lại
và bổ sung đáng kể; chương 11 được viết lại và đưa thêm vào các kiến thức hiện đại
về các đặc trưng thống kê sóng.

9


Thay đổi lớn thứ hai liên quan tới mô tả quá trình vận chuyển cát trên các bãi
biển. Các chương 25 và 26 được viết lại hoàn toàn.
Nhiều sửa đổi nhỏ được tiến hành trong chương 8 các dạng công trình phá
sóng, 12 phát triển sóng, 16 nạo vét ngoài khơi, 20 ổn định kích thước lạch
tàu, 22- lắng đọng trầm tích, 30- sửa cho phù hợp với các chương mới 25 và 26, và
chương 32 được bổ sung.
1.11 Một số điểm lưu ý
Tiếng Anh sử dụng trong sách này chủ yếu theo phong cách Mỹ.
Để đọc giả dễ hiểu các ký hiệu phức tạp, chúng được giải nghĩa khi lần đầu tiên
được đưa vào trong mỗi chương và cuối mỗi tập có dẫn ra một bảng các ký hiệu sử
dụng trong sách.
Tài liệu tham khảo dẫn theo tên tác giả và thời gian. Bảng mục lục tài liệu
tham khảo đầy đủ dẫn ra cuối mỗi quyển sách.
Các hình vẽ nhìn chung được thể hiện theo tỷ lệ cho phép. Nhiều hình vẽ trong
sách này được trình bày theo tỷ lệ bằng 80% kích thước hình vẽ gốc. Kích thước gốc
có thể được thiết lập theo tỷ lệ 1 : 1250.
Nhiều thuật ngữ sử dụng trong sách được liệt kê trong bảng từ vựng kèm theo.
Vì các đơn vị đo theo hệ Anh vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công
nghiệp biển vì vậy một số bảng chuyển đổi đơn vị cũng được dẫn ra.
Những công việc liên quan tới các sửa đổi vất vả này đều do bà G.M. van
Koppen và R.E.A.M. Boeters thành viên của nhóm kỹ thuật bờ, Đại học công nghệ
Delft, Delft đảm nhiệm.

10


2 Tổng quan về kỹ thuật bờ
E.W. Bijker
2.1

Định nghĩa

Kỹ thuật bờ là một thuật ngữ chung phản ánh cô đọng các hoạt động kỹ thuật
liên quan tới các công việc tiến hành dọc bờ biển. Trong những năm gần đây, những
kỹ sư chuyên ngành kỹ thuật bờ thường phải tham gia vào các công trình xây dựng
trên cả các vùng biển khơi. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên của họ là ứng dụng các kiến
thức kỹ thuật phục vụ xây dựng các công trình dọc bờ và trên biển. Thông thường
công tác thiết kế yêu cầu những mô hình có sẵn, như vậy đòi có hỏi những kiến
thức cơ bản về các hiện tượng liên quan. Nhìn chung, các kỹ sư có thể mở rộng kiến
thức theo các yêu cầu kỹ thuật.
Môt vấn đề phức tạp đối với kỹ thuật bờ là ở chỗ các biến liên quan đều mang
tính ngẫu nhiên. Những phép tính toán thống kê tạo nên cơ sở cho kỹ thuật tối ưu
hoá được ứng dụng rộng rãi cho nhiều vấn đề kỹ thuật bờ.
2.2

Các nghiên cứu cơ sở

Trong số những vấn đề cơ bản mà kỹ thuật bờ thường gặp phải có sự chuyển
động của nước dọc bờ, tương tác giữa nước chuyển động và vật liệu bờ và đáy và các
lực thuỷ động do sóng và dòng chảy tác động lên các công trình. Đó chỉ là một số ví
dụ cụ thể về các hiện tượng cơ bản; những hiện tượng khác sẽ được đề cập sau. Việc
nghiên cứu những hiện tượng này chính là cơ sở của nghiên cứu kỹ thuật bờ.
2.3

Các chuyên ngành

Việc phân chia kỹ thuật bờ được chia thành những chuyên ngành cơ bản đã
được trình bày trong phần mở đầu. Chúng ta lần lượt trình bày các khía cạnh kỹ
thuật của các chuyên ngành đó trong các mục tiếp sau.
2.4

Các vũng vịnh và cảng

Các cảng biển được phát triển theo yêu cầu sử dụng tàu thuyền để vận chuyển
hàng hoá của con người. Điều quan trọng ở đây là cần phải đáp ứng một lúc cả yêu
cầu về tiện lợi lẫn yêu cầu kinh tế. Nhiều khi người ta cần tìm một giải pháp dung
hoà giữa hai yêu cầu trên. Những khía cạnh cụ thể của vấn đề này được đề cập một
11


cách cơ bản trong tập II. Sự hợp tác giữa các nhà thiết kế hàng hải lẫn các nhà
hàng hải thường có hiệu quả nếu như vấn đề tối ưu hoá được coi trọng.
Do nhiều cảng biển nằm ngay trên các cửa sông, vì vậy vấn đề hình thành các
bãi và lạch triều thường được xem xét đến trong kỹ thuật bờ. Thông thường vấn đề
này được nghiên cứu kỹ trong kỹ thuật sông. Vấn đề đặc biệt được quan tâm ở đây
liên quan tới ảnh hưởng của dòng chảy mật độ và sự biến động của độ muối lên các
đặc trưng của bùn trong cảng. Trong giáo trình này sẽ có các tiếp cận khác nhau về
dòng chảy mật độ căn cứ vào các yêu cầu thực tiễn; cơ sở lý thuyết của vấn đề này
được trình bày kỹ trong các sách và giáo trình chuyên đề. Các đặc trưng của bùn
trong cảng và sông có thể trở nên hết sức quan trọng vì chúng gắn kết với yêu cầu
nạo vét trong cảng và có lúc còn mang tính quyết định đối với địa mạo bờ trên một
khoảng cách khá xa cảng. Những vấn đề thiết kế cảng thường gắn kết chặt chẽ với
các vấn đề địa mạo bờ, và cũng rất khó tách rời các vấn đề này. Trong số các vấn đề

địa mạo có ý nghiã quan trọng đối với cảng đó là các lạch tàu vào cảng và ảnh
hưởng của các công trình phá sóng lên các quá trình bờ.
2.5

Địa mạo bờ

Địa mạo bờ là một khoa học nghiên cứu tương tác giữa sóng, dòng chảy và bờ.
Phần lớn bờ biển được hình thành từ các vật liệu cát vì vậy chúng chịu sự biến động
do sóng và dòng chảy. Các bờ đá thường biến đổi rất chậm đối với các quá trình
sóng và dòng chảy vì vậy chúng liên quan với các nhà địa chất nhiều hơn là đối với
các kỹ sư kỹ thuật bờ. Vì sao các vùng bờ nhiều bùn lại chịu biến động ít hơn khi có
sóng và dòng chảy tác động? Chúng ta sẽ trả lời câu hỏi này trong chương 27.
Điều may mắn ở chổ phần lớn vật liệu bờ đều là cát. Vì cát có thể dễ dàng nạo
vét và sự biến đổi của các bờ cát cũng có thể dự báo một cách tương đối chính xác
bằng các mô hình toán học. Những mô hình này sé được trình bày tóm tắt trong tập
này, những thông tin chi tiết hơn có thể tìm thấy trong tập II.
Cũng dễ hiểu rằng trước hết cần hiểu rõ chuyển động của nước (tác động của
sóng và các loại dòng chảy) dọc bờ trước khi dự báo biến đổi địa mạo. Từ đó yêu cầu
hiểu biết nhiều nguyên lý thuỷ động lực học; một số nguyên lý này sẽ được ôn lại
trong các chương tiếp sau đây.
Tác động của sóng và dòng chảy lên bãi biển cho đến nay vẫn còn nhiều điểm
chưa rõ. Vận chuyển cát theo hướng dọc bờ và vuông góc bờ là những chủ đề quan
trọng trong nghiên cứu kỹ thuật bờ. Các kết quả nghiên cứu theo hướng này sẽ
được tiếp tục sử dụng để kiểm chứng các mô hình toán học dự báo biến đổi đường
bờ.
Vì không phải tất cả sự biến đổi của bờ đều theo ý muốn vì vậy công tác bảo vệ
bờ cũng hết sức cần thiết. Công tác bảo vệ cho phép làm chậm các quá trình tự
nhiên hoặc trong một số trường hợp làm vô hiệu hoá các tác động không mong
muốn. Ví dụ, các mỏ hàn xây dựng vuông góc hoặc song song với bờ làm cho quá
12

trình xói lở bị hạn chế. Có một sự lựa chọn khác bằng cách chuyển nhân tạo cát từ
vùng bồi tụ đến vùng bị xói. Các vấn đề bảo vệ bờ biển sẽ được đề cập muộn hơn
trong tập này.
Không chỉ có các công trình phá sóng và các lạch vào cảng mới làm cho địa mạo
bị biến đổi; các sông tự nhiên và các cửa sông cũng cũng có thể làm điều đó. Điều
này sẽ được bàn chi tiết trong phần cuối của tập này.
2.6

Kỹ thuật biển khơi

Cho đến thời gian gần đây, các cảng và địa mạo bờ là các chủ đề chính của kỹ
thuật bờ truyền thống. Hiện nay ý muốn của con người làm việc trên biển đã ngày
càng tăng lên. Một lĩnh vực biển khơi cũng đã phát triển nhanh và các nhà kỹ
thuật bờ làm việc dọc theo các bờ nước nông đã được yêu cầu giải quyết các vấn đề
mới mẻ cho vùng biển sâu. Từ đó một lĩnh vực tiếp theo của hải dương học đã được
đưa vào do những yêu cầu hiểu biết các quá trình trong vùng biển sâu. Một trong
những thúc đẩy đầu tiên phát triển kỹ thuật biển khơi xuất phát từ các công ty dầu
khí.
Thuật ngữ kỹ thuật biển khơi ở đây có thể hiểu như kỹ thuật liên quan tơi các
công việc không có liên kết trực tiếp với đất liền. Một số người còn gọi là kỹ thuật
đại dương, tuy nhiên đây là một lĩnh vực mới nên khó có thể bàn đến một thuật ngữ
thống nhất. Sự thống nhất thuật ngữ có thể bắt đầu từ các kết quả, ví dụ, một số ký
sư hàng hải thiết kế các công trình ngoài khơi, trong khi một số khác lại thiết kế
các trạm phát điện cho tàu.
Ta đều biết các con tàu chuyển động không có liên kết trực tiếp với đất liền
nhưng chúng không thuộc lĩnh vực kỹ thuật biển khơi mà thuộc lĩnh vực các kỹ sư
đóng tàu. Mặt khác các tác động của tàu lên các công trình lại rất quan trọng đối
với chúng ta.

Những người làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật biển khơi cần phải có những kiến
thức về một số lĩnh vực riêng. Những nhà thiết kế tàu, các kỹ sư cơ khí có thể có
đóng góp đáng kể cùng các các kỹ sư xây dựng trong lĩnh vực kỹ thuật biển khợi.
Hiện tại ở Delft, những chuyên ngành này đang có sự hợp tác chặt chẽ trong
chương trình liên ngành kỹ thuật biển khơi.

13


3 Hải dương học
W.W. Massie
3.1

Mở đầu

Hải dương học là một khoa học nghiên cứu đại dương. Con người đã tiến hành
nghiên cứu đại dương trong nhiều thế kỷ qua. Công tước L.F. Marsigli đã viết ra
một trong những quyển sách đầu tiên về đề tài này, được xuất bản năm 1725. Bản
dịch sang tếng Hà Lan được xuất bản năm 1786 và một bản sao vẫn còn lưu giữ tại
thư viện Đại học Leiden.
M.F. Maury, một sỹ quan của hải quân Hoa Kỳ, đã viết quyển sách đầu tiên về
hải dương học hiện đại vào năm 1885 khi ông ta làm việc ở Cơ quan thuỷ văn hải
quân. Nhiều kết quả của ông rút ra từ các quan trắc trên tàu có giá trị rất lớn; tất
cả đều được giải thích một cách rất hay, mặc dầu ông không có những kiến thức về
địa vật lý.
Công trình nghiên cứu đầu tiên và có hệ thống về đại dương được H.M.S
Challenger tiến hành. Con tàu này xuất phát từ Portsmouth, nước Anh vào ngày
21 tháng 12 năm 1872 và trong vòng 33 năm đã có một hành trình 100 000 kilômét
với 50 tập báo cáo. Đây cũng là lần đầu đã chia hải dương học ra 4 lĩnh vực hiện
đại: sinh học, hoá học, địa chất và vật lý.

Vậy vai trò quan trọng của hải dương học đối với kỹ thuật bờ là gì? Chúng ta sẽ
lần lượt xem xét trong các mô tả chi tiết sau đây về các lĩnh vực nêu trên.
Sinh học hải dương
Sinh học hải dương gắn liền với các vật chất sống trong biển. Các kỹ sư thuộc
lĩnh vực kỹ thuật biển thường ít khi đối mặt trực tiếp với các vấn đề này, song các
nhân tố sinh học đóng một vai trò gián tiếp quan trọng. Việc các sinh vật bám vào
công trình cũng như các tác động môi trường là những ví dụ cụ thể.
Hoá học hải dương
Hoá học nước biển là một vấn đề quan trọng đối với các nhà sinh học biển,
song nó còn trở nên quan trọng hơn đối với các kỹ sư làm việc với các công trình
trong biển. Các vật liệu sử dụng trong xây dựng công trình biển cần dáp ứng yêu
cầu trơ trong nước biển và chịu dựng áp suất cao ở độ sâu. Các nhà nghiên cứu cần
tìm ra các vật liệu đối với các vùng nước sâu hàng trăm mét. Những vấn đề ăn mòn
kim loại cũng sẽ trở nên trầm trọng hơn khi độ sâu tăng.

14


Địa chất hải dương
Những nhà địa chất tìm kiếm các khoáng chất có giá trị thương mại trên đáy
biển và dưới biển luôn tạo ra công ăn việc làm cho các nhà kỹ thuật bờ. Khi các nhà
kỹ thuật bờ không thông thạo lĩnh vực địa chất biển, họ nhất thiết phải yêu cầu các
nhà địa chất biển cung cấp các thông tin liên quan tới nền móng công trình.
Vật lý hải dương
Các nhà vật lý hải dương có lẽ thuộc loại gần giống nhất đối với các nhà kỹ
thuật bờ. Cả hai loại người này đều quan tâm tới sóng, triều và các vấn đề chung
thuỷ động lực học. Quan tâm đối với sóng có lẽ quan trọng nhất đối với họ. Các nhà
hải dương học cho rằng sóng là một vấn đề hóc búa, còn các nhà kỹ thuật bờ lại rút
ra từ đây những vấn đề hết sức thách thức đối với họ. Cùng với việc xây dựng các
công trình trên biển sâu, các nhà kỹ thuật bờ lại phải chú ý tới những vấn đề trước

đây chỉ có các nhà hải dương học vật lý quan tâm đó là dòng chảy biển.
3.2

Mô tả các đại dương

Một số mô tả tổng quát các đặc điểm tự nhiên của các đại dương sẽ giúp hiểu
biết dễ hơn các quá trình động lực xuất hiện trong biển.

Hình 3.1. Đường phân bố tích luỹ diện tích đại dương theo độ sâu theo Sverdrup

Hình 3.1 cho ta thấy phân bố diện tích đại dương (%) theo độ sâu. Độ sâu
trung bình vào khoảng 3800 m và thể tích các đại dương vào khoảng 1370x1015 m3.
Trong khi đó Biển Bắc có độ sâu trung bình 94 m và thể tích nước 0.054 x1015 m3.
Phần nông nhất của đại dương (7,6% diện tích tổng cộng) được gọi là thềm lục địa.
Hiện nay các nhà kỹ thuật bờ đã được hỏi đến những vấn đề nằm trong miền từ
thềm lục địa đến bờ dốc lục địa vì vậy họ cần hiểu sâu thêm về hải dương học. Giới
hạn của thềm lục địa của phần lớn bờ lục địa có thể đạt tới bề rộng khoảng 1200
15


km. Nơi có thềm lục địa rộng nhất thuộc Bắc băng dương, phía bắc Xiberia, thềm
lục địa phức tạp nhất có lẽ thuộc bờ tây Mỹ (bờ đông Thái Bình Dương).
Đại dương được phân chia thành các biển (bồn) liên kết với nhau trong đó các
quá trình vật lý hải dương quan trọng được thể hiện rõ nhất. Những bồn này có độ
sâu từ 3 đến 5 km với một số vùng sâu hơn hoặc nông hơn. Phần lớn những biến
động của đại dương xẩy ra trong lớp nước trên cùng có độ dày 1 đến 2 km. Sâu hơn
có thể xem đồng nhất đối với độ muối (35%0 - xem mục 3.6) và nhiệt độ (3 C 4C). Mặt khác dòng chảy trong lớp nước này cũng rất yếu và có thể cho bằng 0.
Trong mục tiếp theo chúng ta sẽ đề cập tới dòng chảy biển, còn về các tính chất vật
lý của nước biển sẽ được đề cập riêng trong mục 3.6.
3.3

Dòng chảy gió đại dương

Lực cơ bản gây nên dòng chảy chính là gió tác động lên mặt biển. Các dòng tín
phong và dòng gió tây đã tạo nên các dòng chảy hướng về phía tây tại các vùng vĩ
độ thấp và đi về phía đông trên vĩ độ cao. Có thể mô tả điều này đối với các thành
phần dòng chảy trên khu vực bắc Đại tây dương:
Dòng chảy bắc xích đạo chảy về hướng tây từ quần đảo Cap Verde về phía biển
Caribe. Một phần dòng chảy đi vào biển đó và một phần khác chảy theo hướng tâybắc ở phía đông quần đảo Caribe (dòng chảy Antilles) sau đó gặp dòng Florida.
Nước thoát khỏi biển Caribe giữa Florida và Cuba đi vào dòng chảy Florida. Dòng
chảy Florida (thường được gọi là Gulf Stream) tiếp tục chảy về hướng bắc dọc bờ bắc
Mỹ đến khoảng vĩ độ 45N thì quay về hướng đông và hình thành nên dòng chảy
bắc Đại tây dương. Một nhánh của dòng này quay về hướng nam, dọc bờ Bồ đào
nha, tạo nên dòng chảy Canary và kết thúc dòng chảy khép kín.
Hệ dòng chảy tương tự có thể thấy đối với nam Đại tây dương cũng như các đại
dương khác. Những dòng chảy đông-tây như trên tương ứng với các vĩ tuyến có gió
thống trị. Các dòng chảy hướng bắc và nam đảm bảo sự cân bằng khối lượng nước.
Làm thế nào mà gió có thể gây nên dòng chảy đông tây? Câu hỏi này sẽ được
giả đáp trong phần cuối của chương này, nhưng trước hết cần xem xét cân bằng của
các dòng chảy trong đại dương.
3.4

Động lực dòng chảy đại dương

Sự cân bằng quen thuộc giữa lực trọng trường và lực ma sát mô tả bằng phương
trình Chezy đã được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng dòng chảy trong sông không
thể sử dụng được cho đại dương. Bởi vì đại dương thường rất sâu và vận tốc dòng
chảy lại rất bé (nhỏ hơn 1 m/s), lực ma sát trở nên không quan trọng. Mặt khác, các
dòng chảy đại dương lan truyền trên một khoảng cách dài trên bề mặt của quả đất
quay, nên một lực khác- lực Coriolis trở nên quan trọng.

16


Cho rằng dòng chảy chuyển động với vận tốc không đổi dọc theo đường thẳng
(đường thẳng ở đây có nghĩa là dọc theo vòng tròn chính tâm). Gia tốc Coriolis tác
động lên một đơn vị khối lượng nước sẽ là:
(3.01)

ac = 2 sin V
trong đó:
ac - gia tốc Coriolis

- vận tốc quay của quả đất = 0,729.10-4 1/s
V - vận tốc dòng chảy, và

- vĩ độ địa lý.
Gia tốc này (hoặc lực tác động lên một đơn vị khối lượng) theo hướng về phía
phải do với hướng chuyển động ở bắc bán cầu (theo hướng ngược lại đối với nam bán
cầu).
Nếu như dòng chảy theo hướng đường tròn chính tâm thì gia tốc tổng cộng
vuông góc với dòng sẽ bằng zero. Gia tốc Coriolis sẽ bị cân bằng bởi gradient của áp
suất. Gradient ngang của áp suất cũng có hướng vuông góc với dòng chảy và tác
động ngược hướng với gia tốc Coriolis. Sự cân bằng của hai thành phần ấy sẽ là:
1 p
(3.02)
2 sin V
n
trong đó:

p
n

mật độ của nước, và
gradient ngang áp suất vuông

góc với dòng chảy.
Sự khác nhau về mật độ không đủ để gây nên gradient áp suất đó, chính độ
nghiêng của mặt biển đã tạo ra sự cân bằng đó. Như vậy có sự chênh lệc về mực
nước giữa các vùng khác nhau của đại dương. Có thể chứng minh điều này bằng
cách tính sự chênh lệch mực nước giữa hai bờ eo Florida (theo hướng vuông góc với
dòng Florida). Vĩ tuyến của khu vực là 26N, dòng chảy có vận tốc trung bình 1.0
m/s, và bề rộng eo biển khoảng 80 km.
1
m
( 2)(0,729.10 4 )(sin 26 o )(1,0) 6,4.10 5 2
n
s
Trên khoảng cách 80 km sự chênh lệc mực nước sẽ là:
z

6,4.10 5
80.10 3 52.10 2
9,81

m

Giá trị này tương ứng số liệu đo đạc thực tế khoảng 45 cm.
Dòng chảy theo cách tính toán như trên thường được gọi là dòng địa chuyển.

17


Một kết quả khá thú vị, (nhưng không thật quan trọng đối với hải dương học)
có thể thu được nếu cho dòng chảy quay với giả thiết rằng gradient ngang của áp
suất bằng 0. Trong trường hợp đó, gia tốc Coriolis sẽ cân bằng với gia tốc ly tâm
V2
2 sin V
r

V
2 sin
r

(3.03a)

(3.03b)

trong đó r là bán kính cong.
Các dòng chảy dạng này chỉ có khả năng làm lệch một số quan trắc hải dương,
nhưng trong một số trường hợp có thể gây nhiễu động. Những dòng chảy này đã
gây nên một số vấn đề khá trầm trọng đối với sự thích ứng của mô hình thuỷ lực tại
một phòng thí nghiệm của Hoa Kỳ mấy năm về trước. Một bồn trụ có đường kính 4
m được cho nước đầy vào buổi tối và để qua đêm. Sáng sớm các nhà nghiên cứu
nhận thấy nước trong bồn chuyển động. Vì phòng thí nghiệm nằm trên vỹ tuyến
45N, vận tốc đo được vào khoảng 0,2 mm/s.
Dòng chảy này, đúng như mô tả, không phụ thuộc vào độ sâu, bởi vì ma sát đã
không được kể đến. Điều này không có ý nghĩa quan trọng đối với biển và đại
dương, tuy trước đây cũng có đề cập tới loại dòng chảy này trong lớp nước trên 1-2
km, đặc biệt khi chúng ta tiếp tục xem xét các dòng địa chuyển và gió tác động lên

mặt biển.
3.5

Dòng chảy trôi Ekman

Nansen (1902) đã mô tả các quan trắc của mình về hiện tượng băng trôi trên
Bắc Băng dương. Ông ta nhận thấy rằng băng trên mặt biển không chuyển động
theo hướng gió, mà bị lệch một góc từ 20 đến 40. Nansen giải thích hiện tượng
này bằng hiệu ứng Coriolis, và cho rằng dòng chảy tại các lớp sâu hơn do tác động
của ứng suất phân lớp sẽ có hướng lệch hơn dần về bên phải. Theo yêu cầu của
Nansen, Ekman đã nghiên cứu hiện tượng này bằng phương pháp toán học. Các kết
của của Ekman công bố năm 1902 sẽ không được trình bày dưới đây. Chúng tôi chỉ
dẫn ra các quan điểm xuất phát và các kết quả chính. Công trình nghiên cứu đối
với biển sâu vô hạn, gió thổi ổn định về hướng và vận tốc đồng nhất trên mặt biển.
Mặt biển được xem như mặt phẳng ngang và chỉ có lực tác động duy nhất là ứng
suất gió. Trong trường hợp trạng thái dừng (không có gia tốc) có thể viết:

z 2u
2 sin .v
z 2
z 2v
2 sin .u
z 2

(3.05)

(3.06)

trong đó:
18

u thành phần vận tốc ngang theo trục x
tthành phần vận tốc ngang theo hướng y

v

z trục toạ độ theo phương thẳng đứng tính từ mặt biển (+ đi lên), và

z

hệ số nhớt rối theo phương thẳng đứng.

Các triển khai toán học đã được Neuman và Pierson (1966) tiến hành sau này.
Họ giả thiết rằng gió chỉ thổi theo hướng trục y, ứng suất trên mặt biển sẽ là:
dV
S z
(3.07)
z0
dt
tác động theo trục y.
Kết quả cho lời giải như sau


z


u VS e D cos 45 o z
D

(3.08)



z


v VS e D sin 45 o z
D


(3.09)

cho ta các thành phần của vận tốc ngang tại các độ sâu z khác nhau khi biết
vận tốc trên mặt và D.
D

Vs

z
sin


2 D sin

(3.10)
(3.11)

Ekman đã gọi D là độ sâu ảnh hưởng của ma sát; độ sâu mà trên đó độ nhớt rối

có vai trò quan trọng. Tại độ sâu này vận tốc dòng chảy vào khoảng 1/23 giá trị trên
mặt biển và hướng theo chiều ngược lại. Điều này phù hợp với giả thiết của Hansen
đã nêu trước đây. Thông thường D vào khoảng 50 mét, song tăng rất nhanh đến vô
cùng tại xích đạo.
Thay giá trị z = 0 vào các công thức (3.08) và (3.09) chúng ta thu được hướng
của vận tốc trên mặt tạo một góc 45 về bên phải so với hướng gió (trên phía bắc
bán cầu).
Để dễ dàng hình dung phân bố không gian của vận tốc chúng ta có thể sử dụng
toạ độ cực


V VS e D

45 0

z


D

(3.12)
z

(3.13)

Theo đó vận tốc V giảm theo hàm mũ tự nhiên với độ sâu và góc giữa hướng
gió và dòng tăng tuyến tính theo độ sâu theo hướng kim đồng hồ. Giá trị và hướng
19

của lưu lượng nước tổng cộng thu được bằng cách tích phân 3.08 và 3.09 từ z = -
đến z = 0.
V D
qx S
(3.14)
2
qy 0

(3.15)

trong đó qx và qy là thể tích nước đi qua một đơn vị bề rộng. Dòng tổng cộng có
hướng vuông góc với hướng gió trên mặt biển.
Những điều nêu trên có vẻ không có lợi ích gì đối với các nhà kỹ thuật bờ. Tuy
nhiên đại dương luôn có bờ, có độ nghiêng của đáy, có độ sâu hữu hạn vì vậy có thể
điều này sẽ giúp bước đầu giải quyết bài toán nước dâng. Dự báo nước dâng là một
vấn đề hết sức quan trọng đặc biệt dưới góc độ tàn phá của hiện tượng này.
Eckman (1905) đã xem xét trường hợp biển có độ sâu hữu hạn. Kết quả quan
trọng thu được là:



S
gh

(3.16)

trong đó:
độ nghiêng của mặt biển
h độ sâu, và

hệ số.
Giá trị của hệ số này biến đổi từ 1 đối với độ sâu rất lớn ( h >>

z
sin

) và 1,5

đối với vùng nước nông khi ảnh hưởng của lực Coriolis không đáng kể. Theo
Neumann và Pierson (1966) lực Coriolis có thể bỏ qua đối với các vấn đề nước dâng
do gió khi hướng của gradient mặt cực đại không lệch quá 10 đối với hướng gió.
Tuy nhiên, nếu như độ sâu của nước biến đổi (điều này hoàn toàn tự nhiên) và
ảnh hưởng của nước dâng do bão lên độ sâu đã được kể đến thì chúng ta cần tính
lực tổng cộng theo:
dz ' z

(3.17)
dx gz '
trong đó z độ sâu tính từ mặt biển thực tại.
Việc giải bài toán này vượt quá yêu cầu của bài giảng này, Hansen (1956) và
Harris (1963) đã đưa ra một tiếp cận vấn đề này.
3.6

Các tính chất vật lý của nước đại dương

Tính chất vật lý quan trọng nhất của nước biển, theo quan điểm kỹ thuật bờ, là
mật độ. Mật độ của nước là một hàm của 3 biến: độ muối, nhiệt độ và áp suất.
Trong đó ảnh hưởng của áp suất có thể xem là không đáng kể, ngoại trừ các điều
kiện độ sâu lớn, ví dụ trên 500 m.
20

Khác với nước tinh khiết, phần lớn nước biển có mật độ tăng lên khi nhiệt độ
giảm đến nhiệt độ đóng băng. Đại bộ phận nước biển có độ muối biến đổi từ 34 đến
36%o (phần ngàn theo trọng lượng). Đối với biển Baltic độ muối có thể có lúc dưới
7%o. Biển Hồng hải ngược lại có độ muối tới 41%o.
Vấn đề phức tạp ở chỗ mối phụ thuộc của mật độ vào nhiệt độ và độ muối
không hề đơn giản. Fisher, Williams and Dial (1970) đã công bố một phương trình
thực nghiệm đối với thể tích riêng, v. Phương trình đó là:
K3
v v K1 S
(3.18)
K4 K2S p
trong đó:
K1 là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ có thứ nguyên cm3/(g.%o),
K2 là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ với thứ nguyên bar/%o (1 bar bằng 106
dyn/cm5 tương ứng áp suất 105 Pa = 105 N/m2 hay vào khoảng 0,987 atmospher)
K3 hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ có thứ nguyên bar cm3/g,
K4 hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ có thứ nguyên bar,
p là áp suất tuyệt đối (bar),
S độ muối (%o),
v thể tích riêng (cm3/g), và
v là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ có thứ nguyên cm3/g.
Cả 5 hệ số K1,K2,K3,K4 và v đều phụ thuộc vào nhiệt độ, T (C), theo phương
trình đa thức trong dạng:
N

a jT

j

j 0

(3.19)

Các hệ số aj đối với phương trình đa thức được dẫn ra trong bảng 3.1.
Phương trình 3.18 được sử dụng cho các khoảng giới hạn sau đây:
-2 < T < 100; 0 < p < 1000 bar; 0 < S < 50%o.
Những đặc điểm này đã làm cho phương trình 3.18 trở nên thông dụng hiện
nay. Trong bảng 3.2 dẫn ra giá trị của các hệ số đối với phương trình 3.18 được
đánh giá cho thang nhiệt độ khác khau sử dụng bảng 3.1 và phương trình 3.19.
Mật độ của nước (kg/m3) có thể xác định từ thể tích riêng tính theo 3.18 như
sau:

= (1/v).103

(3.20)

trong đó là mật độ với thứ nguyên kg/m3.
21


Bảng 3.1. Các hệ số đa thức ai cho K1,K2,K3 và K4
K1

K2

K3

K4

V

cm3/g.%o

bar/%o

bar.cm3/g

bar

cm3/g

2,679 .10-4

10,874

1788,316

5918,499

0,6980547

2,02 .10-4

-4,1384 .10-2

21,55053

58,05267

-7,435626 .10-4

-0,4695911

-1,1253317

3,704258 .10-5

3,096363 .10-3

6,6123869 .10-3

6,315724 .10-7

-7,341182 .10-6

-1,4661625 .10-5

9,829576 .10-9

-6,0 .10-9

-1,197269 .10-10
1,005461 .10-12
5,437898 .10-15
1,69946 .10-17
-2,295063 .10-20

Vì mật độ nước biển thường lớn hơn 1000 kg/m3 nên các nhà hải dương học

thường giảm đi 1000 và ký hiệu chúng bằng sigma. Nếu giá trị tính cho áp suất khí
quyển nó được thêm chỉ số t. Như vậy:

t = -1000

(3.21)

trong đó được tính đối với áp suất khí quyển.
Giá trị của t như một hàm của độ muối và nhiệt độ được dẫn ra trong bảng
3.3. Bảng này được thiết lập dựa vào phương trình (3.18) với p = 10133 bar tương
ứng 1 atmotpher.
Vì các phương trình và các bảng thường khó sử dụng nên Phòng thuỷ lực Delft
đã đề xuất một tương quan đơn giản. Theo các ký hiệu đã sử dụng trên đây

t = 0,75 S

(3.22)

Phương trình 3.22 không tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất nên có
giới hạn sử dụng hẹp hơn so với phương trình 3.18. Thông thường các nhà kỹ thuật
bờ cho rằng phương trình 3.22 đã đủ tốt đối với họ khi cần biết sự khác nhau về
mật độ do độ muối với điều kiện nhiệt độ thông thường.

22


Bảng 3.2. Các hệ số của phương trình 3.18 với nhiệt độ khác nhau
T

K1

K2

K3

K4

V

C

cm3/g%o

bar/%o

bar.cm3/g

bar

cm3/g

0

2,6790

10,8740

1788,316

5918,499

0,6980947

2

2,7192

10,79123

1829,563

6030,156

0,6967108

4

2,7588

10,70846

1867,201

6133,124

0,6956351

6

2,7930

10,62570

1901,373

6227,712

0,6948023

8

2,8368

19,54293

1932,222

6314,226

0,6941902

10

2,8750

10,46016

1959,885

6392,958

0,6937790

12

2,9128

10,37739

1984,500

6464,205

0,6935516

14

2,9500

10,29462

2006,198

6528,253

0,6934924

16

2,9868

10,21186

2025,111

6585,380

0,6935878

18

3,0232

10,12909

2041,365

6635,864

0,6938257

20

3,0590

10,04632

2055,086

6679,793

0,6941953

22

3,0944

9,96355

2066.396

6717,971

0,6946869

24

3,1292

9,88078

2075,413

6750,117

0,6952918

26

3,1636

9,79802

2082,253

6776,663

0,6960021

28

3,1976

9,71525

2087,000

6797,857

0,6068106

30

3,2310

9,63248

2089,855

6813,939

0,6977110

32

3,2640

9,54971

2090,836

6825,146

0,6986973

34

3,2964

9,46694

2090,076

6831,707

0,6997638

36

3,3284

9,38418

2087,679

6833,847

0,7009056

38

3,3600

9,30141

2083,744

6831,785

0,7021179

40

3,3910

9,21864

2078,365

6825,734

0,7033972

Cùng với mật độ, chúng ta quay trở lại một số mô tả đối với đại dương. Thông
thường nhiệt độ giảm khi độ sâu tăng. Quá trình bốc hơi có thể làm cho nước mặt
mặn hơn, trong trường hợp đó, nhiệt độ cao trên mặt có thể đảm bảo cho nước ở đây
vẫn nhẹ hơn ở độ sâu lớn.
23


Bảng 3.3. t là hàm của nhiệt độ T và độ muối S
S%0\T C

20

22

24

26

28

30

32

34

36

20

13,48

12,98

12,45

11,88

11,27

10,64

9,97

9,27

8,54

25

17,29

16,77

16,22

15,64

15,03

14,38

13,70

12.99

12,25

30

21,09

20,56

20,00

19,41

18,78

18,12

17,43

16,72

15,97

35

24,89

24,35

23,78

23,17

22,53

21,86

21,17

20,44

19,68

Sự biến đổi của mật độ do sự khác biệt về nhiệt độ và độ muối có thể sử dụng
để tạo ra một ống phun muối theo cách sau đây:
Ta lấy một ống dài khoảng 1 km và đặt thẳng đứng từ mặt biển. Gắn một máy
bơm vào phía trên và bơm cho nước từ từ đi theo ống lên trên. Bơm cho nước chảy
chậm đến mức sao cho nước biển bao quanh đủ làm cho nước trong ống nóng lên.
Khi nước đạt đến trên mặt biển, nếu ta tắt và gỡ bơm ra thì dòng nước muối từ sâu
đi lên vẫn tiếp tục chảy. Vì sao lại hình thành nên hiện tượng đó và có thể chảy mãi
không? Dòng đi lên sẽ ngừng ngay sau khi lớp nước có độ dày 1 km trên mặt bị xáo
trộn hoàn toàn.

Dòng chảy do chênh lệch mật độ sẽ được xét đến trong mục sau và một lần nữa
sẽ được phân tích kỹ hơn trong chương 22.
3.7

Các dòng chảy mật độ

Gradient ngang của mật độ có thể dẫn đến sự mất cân bằng của lực áp suất và
làm xuất hiện dòng chảy. Cơ chế của dòng chảy loại này hoàn toàn tương tự đối với
các trường hợp trong cảng, trong sông có triều và trong đại dương. Trong chương 22
của tập sách này sẽ đưa ra các công thức toán học chi tiết, ở đây chỉ giới thiệu một
thí dụ mà chúng ta có thể tìm thấy trong đại dương.
Biển Địa trung hải có độ muối cao hơn và vì vậy có mật độ nước cao hơn nước
Đại tây dương. Có dòng chảy thường kỳ cỡ 1 m/s chảy ra khỏi biển tại phần sâu của
eo biển Gibranta. Trên mặt biển có dòng chảy rất mạnh đi vào biển. Sự khác biệt về
mật độ chủ yếu do quá trình bốc hơi mạnh trong Địa Trung Hải

24


4 Thang gió Beaufort
E. W. Bijker
Vào năm 1806 Đô đốc của hải quân hoàng gia Anh Beaufort đã phân chia
thang vận tốc gió rất tiện lợi đối với các thuỷ thủ trên các tàu buồm lớn và đặc biệt
đối với thuỷ thủ tàu chiến. Trong thang này 0 được chỉ trạng thái không có gió và
12 là cấp cao nhất, chi tiết hơn có thể giải thích như trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 Bảng thang gió Beaufort
Vận tốc gió
Cấp
gió

nút

hải lý/h

m/s

km/h

0-0.5

0-2

áp lực

Mô tả của

Mô tả theo

gió

thuỷ thủ

Cục KT Mỹ

N/m2

Mỹ
0

01

1

1-3

1-3

0,5-1,5

2-6

0,14-1,4

buồn

gió thoảng

2

4-6

4-7

2,1-3,1

7-11

2,4-5,7

khá vui

gió nhẹ

3

7-10

8-12

3,6-5,1

13-19

7,7-16

vui

gió yếu

4

11-16

13-18

5,7-8

20-30

19-41

vui lắm

gió vừa

5

17-21

19-24

9-11

32-39

46-67

khoái

gió lớn

6

22-27

25-31

11-14

41-50

77-115

khoái và lo

gió mạnh

7

28-33

32-38

14-17

52-61

125-172

lo và sợ

bão vừa

8

34-40

39-46

18-21

63-74

182-250

sợ và khiếp

bão

9

41-47

47-54

21-24

76-87

270-350

khiếp lắm

bão mạnh

10

48-55

55-63

25-28

89-102

360-480

hoảng loạn

bão phát triển

11

56-63

64-75

29-33

104-120

500-630

muốn gặp mẹ

bão

12

trên 63

trên 75

trên 33

trên 120

trên 630

Jones đây!

Hurricane

lặng gió

25


Các thuyền trưởng của các chiến hạm thường gặp phải khó khăn khi lựa chọn:
nếu họ giữ lại ít buồm thì có thế bảo vệ được tàu nhưng lại gặp khó khăn khi đuổi
theo tàu địch và đôi khi còn dễ bị bắt hơn. Ngược lại nếu họ mang theo nhiều buồm
họ có nhiều khả năng trong chiến trận nhưng lại dễ bị bẻ gãy cột buồm và có khi
làm hỏng cả tàu. Thông thường các sỹ quan hải quân muốn tránh các điều kiện
nguy hiểm trên. Một số mô tả của các thuỷ thủ về chỉ huy của họ được phản ánh
trong bảng 4.1.
Thang gió Baufort đã trở nên rất thông dụng, cho dù có một số khác biệt về giới
hạn vận tốc gió có thể xẩy ra.
Một số số liệu bổ sung liên quan tới thang sức gió này và trạng thái mặt biển sẽ
được cung cấp trong chương 12. Lý thuyết chung về sóng sẽ được tổng quan trong
các chương tiếp.

26