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

Mô hình dòng chảy cơ bản vùng của sông lμ n†ớc ngọt phía trên mặt h†ớng chảy ra biển, trong khi dòng n†ớc biển ở đáy chảy vμo trong sông.. Chỉ trong tr†ờng hợp dòng chảy trong sông đủ lớ

9 Vấn đề ô nhiễm v ệ dòng mật độ

9.1 Mở đầu

ở vùng ven biển, nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến sự khác nhau giữa n†ớc ngọt vμ n†ớc mặn Một nguyên nhân cơ bản của mọi vấn đề lμ ô nhiễm vấn đề Ch†ơng nμy thảo luận đến các vấn đề đó

9.2 Ô nhiễm

9.2.1 Các loại ô nhiễm

Các loại ô nhiễm bao gồm:

1 Chất thải của con ng†ời

Dầu vμ các sản phẩm dầu lμ những chất ô nhiễm loại bậc nhất Phản ứng của công chúng khi hiện t†ợng dầu trμn trên sông, biển rất mạnh mẽ Tμu thuyền không phải lμ nguyên nhân duy nhất gây ô nhiễm dầu trμn Một l†ợng đầu không xác định đang thấm vμo đại d†ơng Báo cáo của cơ quan pháp luật bang Connecticut đã kết luận rằng hai phần ba l†ợng dầu thoát ra biển lμ l†ợng dò rỉ từ máy vμ dầu thải từ các máy móc L†ợng dầu nμy phát tán một cách chậm chạp ra môi tr†ờng xung quanh, trừ tr†ờng hợp tμu chở dầu bị vỡ, khi đó quá trình dầu loang rất nhanh vμ rất nguy hại cho môi tr†ờngbiển Nhiễm bẩn do dầu trμn cũng chỉ lμ vấn đề tạm thời ảnh h†ởng tới hệ sinh thái lμ rất nghiêm trọng, nh†ng tình hình tự nhiên tr†ớc đó có thể phục hồi sau một số năm

Carbon halogen bao gồm các loại thuốc trừ sâu hữu cơ, trong khi một số hợp chất hóa học chẳng hạn TEPP giảm khả năng gây tử vong rất nhanh, nh†ng một số loại nh†DDT d†ờng nh† khó bị phân hủy trong điều kiện tự nhiên Quá trình tích tụ của các loại thuốc trừ sâu vμo các sinh vật biển (sinh khối) lμ khá rõ rμng vμ đáng báo động

Việc cung cấp dinh d†ỡng vμo biển đã đẩy nhanh quá trình phát triển của các sinh vật biển Tuy nhiên, nếu không có sự kiểm soát thì sự phát triển quá mức của chúng trong một thời gian ngắn sẽ lμ một thảm họa cho sự cân bằng của hệ sinh thái do l†ợng oxy

mμ chúng sử dụng lμm thối rữa thức ăn yêu cầu rất lớn dẫn đến hệ sinh thái biển sẽ rất khó đoán biết tr†ớc đ†ợc

Do khả năng mang điện của các hạt sét, chúng có thể giữ các kim loại nặng vμ trở thμnh các phân tử rất dμi tồn tại trong n†ớc do tự nhiên hay các hoạt động sống của con ng†ời đ†a các kim loại nặng vμo n†ớc biển Nồng độ kim loại nặng vμ các hợp chất hữu cơ khác trong bùn cát lμ t†ơng đối cao Nồng độ nμy tăng ngoμi nguyên nhân tĩnh

điện còn phải kể đến các quá trình cơ học khác nh† chuyển động rối, sự thay đổi điều kiện hóa lý nh† độ a xit, độ muối, l†ợng o xy hòa tan vμ nhiệt độ n†ớc biển Khi mức

độ ô nhiễm tăng cao vμ tham gia vμo các quá trình sinh học sẽ lμ một thảm họa không những cho hệ sinh thái biển mμ cả sức khỏe của con ng†ời

Rất khó tách các kim loại nặng từ khối bùn cát khổng lồ ở vùng cửa sông, do vậy cần

có giải pháp ngăn chăn việc đẩy các chất thải chứa kim loại nặng vμ kiểm soát bùn cát chứa kim loại nặng tại vùng cửa sông vμ dải ven biển Các kim loại nặng vμo lòng biển

từ khí quyển Chẳng hạn cháy rừng sẽ có thêm các oxit kim loại đi vμo khí quyển vμ sẽ lắng đọng ở mọi nơi trên trái đất Cũng nh† các loại thuốc trừ sâu, các kim loại nặng cũng tích tụ lại Hình 9-1 biểu diễn l†ợng chì tích tụ trong các lớp bùn khảo sát đ†ợc ở Long Beach, California Việc nồng độ chì tăng đột ngột trong những năm gần đây lμ do hoạt động hμng không tăng mạnh

Hình 9-1: Nồng độ chì trong bùn cát (theo Bascom 1974-1)

Phát xạ nhiệt có thể lμm n†ớc ấm hơn hoặc lạnh hơn so với xung quanh Phần lớn các sinh vật biển tự thích nghi với sự thay đổi nhiệt khi ở gần những vùng nóng hơn hoặc lạnh hơn ở trên, nh†ng chúng sẽ bị tiêu diệt hμng loạt khi có sự thay đổi đột ngột chế

độ nhiệt, áp Nhiệt đ†a vμo n†ớc biển chỉ gây hiệu ứng đối với hệ sinh thái trên một vùng cục bộ.

Các chất thải phóng xạ gây ra các loại ô nhiễm rất nguy hiểm Các sinh vật biển có thể chịu đựng đ†ợc l†ợng phóng xạ lớn hơn nhiều lần sức chịu đựng của con ng†ời Con ng†ời sẽ bị nhiễm phóng xạ khi ăn phải các loμi cá sống trong vùng bị nhiễm độc phóng xạ Do vậy, các chất thải phóng xạ không nên thải vμo những vùng nuôi cá, hoặc

đánh bắt cá ở những vùng bị nhiễm phóng xạ Cũng không nên chọn giải pháp chôn các chất phóng xạ xuống đất vì dù nó thẩm thấu một cách rất chậm chạp thì sau một thời gian dμi các chất phóng xạ nμy sẽ đến n†ớc ngầm tầng sâu vμ gây độc cho nguồn n†ớc

Bùn cát mịn giữ lại sau khi nạo vét cũng nguy hiểm cho các sinh vật biển Các hạt sét mịn lơ lửng với nồng độ cao sẽ ngăn cản ánh sáng chiếu sâu vμo lòng n†ớc vμ điều nμy

có thể dẫn tới việc diệt vong một số loμi sinh vật biển Nh† vậy bùn cát lμ mối đe dọa

đối với môi tr†ờng vì nó lμm giảm ánh sáng vμ bản thân chúng chứa đựng nhiều chất ô nhiễm, kể cả các kim loại nặng đe dọa sự tồn vong của hệ sinh thái

9.2.2 Các giải pháp kiểm soát ô nhiễm

Việc ban hμnh các bộ luật phù hợp vμ khả thi sẽ tạo một công cụ tốt cho việc kiểm soát

ô nhiễm Trong hoạt động hμng ngμy, cũng phải có một hệ thống với các thiết bị chuyên dùng để đo đạc vμ kiểm soát ô nhiễm Các vấn đề chung nhất trong đánh giá môi tr†ờng bao gồm:

- Tác động nên con ng†ời, động, thực vật sẽ gây nên các hậu quả trực tiếp

- Các hậu quả trực tiếp của các hoạt động th†ờng rất khó định l†ợng

- Các hậu quả trực tiếp đ†ợc l†ợng hóa bằng các đơn vị khác nhau

- Hậu quả trực tiếp cũng khó biểu thị d†ới dạng tiền tệ

- Các giải pháp đ†ợc đánh giá ở tác động cuối cùng, nh†ng ở các giai đoạn trung gian không thể đánh giá đ†ợc

Các vấn đề nμy sẽ đ†ợc đánh giá trên nền tảng xã hội Nó đ†ợc l†ợng hóa vμ biểu thị trên cùng cơ sở vμ cùng đơn vị Các hiệu quả tạm thời th†ờng bị lãng quên Trong một

dự án cụ thể, vấn đề trách nhiệm bao giờ cũng thu hút đ†ợc sự quan tâm Các cơ quan gây ra ô nhiễm th†ờng lảng tránh đăng ký quản lý về ô nhiễm Các hoạt động nμy th†ờng phải đ†ợc đăng ký th†ờng xuyên với cơ quan cải thiện, lμm sạch môi tr†ờng,nh†ng thông th†ờng nó không đ†ợc thể hiện rõ rμng trong luật pháp

Nhiều vấn đề ô nhiễm v†ợt khỏi khuôn khổ một đất n†ớc vμ trở thμnh vấn đề quốc tế, chẳng hạn vấn đề ô nhiễm nguồn n†ớc các con sông chảy qua nhiều quốc gia Thông th†ờng thì các hoạt động kinh tế ở vùng th†ợng nguồn gây ô nhiễm cho vùng hạ l†u vμ dải bờ biển Vấn đề nhiễm bẩn không khí d†ờng nh† còn phức tạp hơn nhiều vμ các giải pháp mang tính quốc tế phải đ†ợc áp dụng Trong thực tế, do sự khác nhau về tiêu chuẩn môi tr†ờng, gây nên nhiều phiền toái vμ sự xung đột về mặt chính trị giữa các quốc gia láng giềng với nhau về kiểm soát ô nhiễm

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

đến việc bảo tồn vμ quản lý các sinh vật biển Bảo vệ môi tr†ờng biển cũng đ†ợc đề cập trong hiệp định nμy

9.3 Dòng mật độ vùng cửa sông

Điểm đ†ợc xem xét lμ giới hạn trên cùng của dòng triều khi vμo cửa sông Do n†ớcmặn vμ n†ớc ngọt có sự xáo trộn ở mức độ khác nhau, tại các vị trí khác nhau lμ nguyên nhân sinh ra dòng mật độ, t†ơng tự nh† biến đổi của nhiệt độ Dòng sinh ra do

sự khác nhau về mật độ gọi lμ dòng mật độ, trong khi sự thay đổi về độ muối sẽ lμm thay đổi tính chất hóa lý của bùn cát mịn

9.3.1 Sự thay đổi độ muối theo thủy triều

Tr†ớc hết chúng ta nghiên cứu phân bố mặn trong sông Іờng đẳng nồng độ muối biểu diễn sự thay đổi của l†ợng muối Nếu đ†ờng đẳng nồng độ phân bố theo ph†ơngthẳng đứng ta nói rằng n†ớc mặn vμ n†ớc ngọt xáo trộn hoμn toμn, trong khi phân bố của chúng theo ph†ơng nằm ngang nghĩa lμ giữa chúng có sự phân tầng: n†ớc ngọt nằm trên, n†ớc mặn nằm d†ới Hình 9-1 biểu diễn mặt cắt dọc phân bố nồng độ muối

Hình 9-2: Phân bố nồng độ muối (‰)

Mô hình dòng chảy cơ bản vùng của sông lμ n†ớc ngọt phía trên mặt h†ớng chảy ra biển, trong khi dòng n†ớc biển ở đáy chảy vμo trong sông Độ lớn về l†u tốc vμ mức độ xáo trộn giữa n†ớc ngọt vμ n†ớc mặn thay đổi theo mỗi cửa sông Chú ý rằng các sông

ở bắc bán cầu, h†ớng dòng chảy của n†ớc ngọt ra biển có xu thế lệch phải d†ới tác dụng của lực Coriolis H†ớng đối diện của vùng cửa sông chịu ảnh h†ởng trội của biển

ở hầu hết các cửa sông, dòng chảy từ biển vμo đều nằm ở lớp d†ới

Chỉ trong tr†ờng hợp dòng chảy trong sông đủ lớn lấp đầy khối n†ớc triều ngay cả trong tr†ờng hợp pha triều lên thì n†ớc mặn không thể vμo đ†ợc của sông Rất ít con sông có l†u l†ợng đủ lớn quanh năm để khống chế mặn xâm nhập vμo cửa sông

Độ mặn ttại một điểm bất kỳ trên sông thay đổi trong một con triều, vμ độ muối đ†ợcxem lμ đạt giá trị lớn nhất tại điểm dừng triều Mối quan hệ nμy đối với cảng Rotterdam đ†ợc biểu diễn ở hình 9-3

Từ hình vẽ ta thấy rằng độ muối của n†ớc biển khoảng 35(‰), nh†ng n†ớc biển thuần túy không bao giờ thấy tại cảng Rotterdam Sự xáo trộn n†ớc ngọt chảy từ trong sông

ra với n†ớc biển để trở thμnh n†ớc lợ Nếu điểm xem xét cμng xa bờ thì độ muối cμng cao cho đến khi đạt trị số lớn nhất

Hình 9.3: Dòng chảy vμ độ muối ở cảng Rotterdam

Mức độ xáo trộn tại vùng cửa sông liên quan đến tỉ số giữa khối n†ớc triều vμ dòng chảy n†ớc ngọt từ trong sông, vμ đ†ợc biểu diễn bằng hệ số xáo trộn(D)

P

T

* Q

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

len g luong nang suat Cuong

tieu luong nang suat Cuong S

đi ra phía cửa sông gặp n†ớc mặn

Harleman vμ Abraham (1966) đ†a ra hệ số cửa sông E có ý nghĩa gần nh† hệ số phân tầng S

D

F

= T Q

PF

= E

2

f

2

(9.3) Với F lμ số Froude t†ơng ứng với l†u l†ợng dòng triều lớn nhất tại cửa sông

gh u

Hệ số cửa sông E sử dụng thuận tiện hơn hệ số phân tầng S do việc xác định nó dễ dμng hơn Ng†ợc lại với hệ số xáo trộn Iw, mức độ xáo trộn ở cửa sông tăng lên cùng với sự tăng của hệ số cửa sông Các cửa sông xáo trộn hoμn toμn có hệ số E = 0.15

9.3.2 Nêm mặn

Khi n†ớc ngọt từ trong sông chảy ra gặp n†ớc biển hình thμnh nêm mặn (hình 9-4) N†ớc mặn xâm nhập vμo trong sông ở d†ới đáy, phía trên lμ n†ớc ngọt chảy h†ớng ra ngoμi vμ khi quá trình xáo trộn xảy ra tạo thμnh mặt tiếp xúc đ†ợc xem lμ ít có sự xáo trộn giữa 2 khối n†ớc tạo thμnh nêm mặn thì nêm mặn đ†ợc gọi lμ nêm cứng Chiều dμi xâm nhập mặn đ†ợc xác định bằng sự cân bằng giữa lực ma sát dọc trên bề mặt vμ độ dốc áp suất nằm ngang do độ nghiêng của mặt tiếp xúc Khi đạt tới trạng thái cân bằng, mặt ngăn cách của nêm mặn ở trạng thái ổn định với lớp n†ớc ngọt mỏng dần khi

ra phía biển Schijf and Schonfeld (1953) đã tìm đ†ợc biểu thức tính toán chiều dμi nêm mặn trong kênh lăng trụ, đáy nằm ngang, mặt cắt chữ nhật chảy vμo biển

Hình 9.4: Nêm mặn tĩnh tại vùng cửa sông Nếu không có sự xáo trộn qua mặt tiếp xúc thì chiều dμi nêm mặn lμ:

3 1 3

2

2

6325

12

F F

F f

h

Với

2 1 2 1

1 1

) (

8

V V V V

f



U

W

Lw: Chiều dμi nêm mặn (m)

Vf: L†u tốc dòng chảy từ sông ở phía trên nêm mặn (m/s)

V1: L†u tốc n†ớc ngọt ngay phía trên nêm mặn (m/s)

V2: L†u tốc trong khối n†ớc mặn (m/s)

W1: Lực ma sát dọc trên mặt tiếp xúc (N/m2)

G = (U2 - U1) / U1 (hệ số không thứ nguyên)

Biểu thức nμy phản ánh ảnh h†ởng của độ sâu dòng chảy (h), l†u tốc dòng chảy n†ớcngọt Vf, vμ chênh lệch mật độ giữa 2 khối n†ớc Giá trị của f1 vμo khoảng 0.1 Tất nhiên, ở trạng thái cân bằng lý t†ởng, V2 = 0 Lý do lμ không có lực ma sát ở đáy sông nh† đ†ợc biểu diễn trên hình 9- 4 Tμi liệu để xây dựng đồ thị hình 9 - 4 gồm có:

f1 = 0.08; h = 10 m; Vf = 0.2 m/s; vμ G = 0.0246, vμ tính đ†ợc Lw = 2689 m

Trong thực tế, chúng ta th†ờng gặp cân bằng động Sự xáo trộn xảy ra trong khu vực tiếp xúc giữa 2 khối n†ớc Hình đứt nét đứng trên hình 9 - 4 khoảng một nửa của nêm mặn L†u l†ợng thực tại một mặt cách ngang sẽ lμ:

where: Qw= L†u l†ợng chảy vμo thuộc khối n†ớc mặn

Qf = L†u l†ợng n†ớc ngọt

Q1 = L†u l†ợng tổng hợp tại mặt cắt xác định

Do tính liên tục của khối n†ớc ta có:

Với S1độ muối trong khối n†ớc phía trên nêm vμ S2lμ độ muối d†ới nêm

Khi thay đại l†ợng Vf tính toán từ các ph†ơng trình 9 -5 vμ 9 - 6 vμo ph†ơng trình 9-4

ta thấy Lw có xu thế giảm khi Vf tăng vμ khi F = 1 thì Lw = 0 Chú ý rằng, Vf tăng cũng

có nghĩa lμ Qf tăng, điều nμy d†ờng nh† trái ng†ợc với các công thức kinh nghiệm trình bμy trong các ph†ơng trình 9-1 vμ 9-3 Theo đó khi Qf tăng hiện t†ợng phân tầng cũng tăng lên vμ mặt ngăn cách nằm ngang sẽ thay thế cho nêm với chiều dμi xác định

Điều ch†a rõ rμng nμy đ†ợc giải thích bằng thực tế rằng ảnh h†ởng của thủy triều có thể bỏ qua trong công thức 9 - 4, nh† vậy so sánh nμy lμ vô nghĩa

Trong thực tế, sự xâm nhập mặn rất phức tạp do l†† l†ợng sông thay đổi, ảnh h†ởngcủa thủy triều vμ lòng sông không phải lăng trụ

Thông th†ờng, ảnh h†ởng của thủy triều lμ quan trọng nhất Nó gây nên dao động của

hệ thống dòng chảy 2 lớp trên đáy sông không bằng phẳng Chuyển động nμy lμm tăng khả năng xáo trộn qua lại giữa 2 lớp chất lỏng Tại những cửa sông ảnh h†ởng của thủy triều mạnh, trong khi n†ớc ngọt chảy từ trong sông ra nhỏ, hiện t†ợng phân tầng sẽ bị phá vỡ dẫn đến quá trình xáo trộn hoμn toμn, nghĩa lμ tại một thời điểm bất kỳ, một mặt cắt bất kỳ, sự thay đổi độ muối theo ph†ơng thẳng đứng rất nhỏ

9.3.3 Hiện t ợng phân tầng theo phơng ngang

Hiện t†ợng phân tầng theo ph†ơng ngang có nghĩa lμ có mặt ngăn cách nằm ngang ngăn cách giữa 2 khối n†ớc có mật độ khác nhau Nếu mật độ tầng trên nhỏ hơn tầng d†ới thì mặt ngăn cách sẽ ổn định Trong thực tế, mặt ngăn cách kiểu nμy rất ổn định thậm chí khi có sự chuyển động của cả 2 khối n†ớc Hiện t†ợng phân tầng do sự khác nhau về độ muối hoặc nhiệt độ th†ờng thấy trong đại d†ơng, nh†ng ít thấy ở trong các

hồ có độ sâu n†ớc nhỏ

Khi bề mặt phân tầng nằm ngang tồn tại trong khối n†ớc, sóng sẽ hình thμnh trong khu vực mặt ngăn cách, lệch về khối n†ớc phía trên Mặt trên của khối n†ớc lμ mặt tiếp xúc giữa n†ớc vμ không khí Tuy nhiên, sóng nội xảy ra tại khu vực ngăn cách giữa 2 khối n†ớc mμ sự sai khác mật độ của chúng không nhiều Sự khác nhau nμy đã tạo nên sóng nội có khi mạnh bằng sóng do gió tạo ra

N†ớc tĩnh lμ điều kiện tạo nên hiện t†ợng phân tầng theo ph†ơng ngang với khối n†ớcngọt nằm trên khối n†ớc mặn Sóng nội bộ (hình 9-5) hình thμnh giống nh† sóng do tμu thuyền, sóng do động đất hoặc hiện t†ợng lở đất ngầm gây ra Sóng nội bộ cũng hình thμnh trên bề mặt của 2 khối chất lỏng chuyển động t†ơng đối so với nhau

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

2 1 1 2

2 1 2

(

TUTU

TTUU

T = Chiều dμy lớp chất lỏng

KhiU2 xấp xỉ bằng U1,ph†ơng trình (9 - 9) đ†ợc viết lμ:

2 1 1 2

2 1 2

(

TUTU

TTUU

với:

G = (U1 - U2) / U1

h = T1 + T2

Các sóng nμy có thể rất cao vì ảnh h†ởng của trọng lực không lớn Chúng th†ờng chịu

ảnh h†ởng nhỏ của sóng âm tại bề mặt Sóng nội cũng có thể hấp thụ một cách đáng kể năng l†ợng do tμu thuyền tạo ra Ví dụ d†ới đây giải thích điều nμy

Một con tμu có độ sâu mớn n†ớc lμ 4 m chạy qua một khối chất lỏng đồng nhất phía trên có độ dμy 3 m với độ muối S = 5(‰) vμ nhiệt độ T =2 0C nằm trên khối n†ớc có chiều dμy 7 vμ độ muối S = 36(‰), nhiệt độ T = 40C Hỏi tốc độ giới hạn của tμu lμ bao nhiêu để có thể di chuyển qua khu vực nμy?

Từ bảng quan hệ giữa độ muối, nhiệt độ (bảng 4.1, ch†ơng 4), ta có

Vt1 = 4.00 : U1 = 1004.0 kg/m3

Vt2 = 28.70 : U2 = 1028.7 kg/m3

Theo đầu bμi ta có: T1 = 3 m; T2 = 7 m; Thay vμo ph†ơng trình (9-10) ta có

c = 0.71m / s

)3)(

7.1028()7)(

1004(

)7)(

3)(

81.9)(

0.10047

.1028(

Đây lμ vấn đề rất đ†ợc quan tâm ở vμi thế kỷ tr†ớc đây ở vùng biển Baltic khi n†ớc có

độ muối t†ơng đối nhỏ chảy trên lớp n†ớc có độ muối cao hơn chảy ra từ Skagerak

9.3.4 Bồi lắng trong sông

Nh† đã đ†ợc trình bμy ở những phần tr†ớc, sự dao động mực n†ớc trong một chu kỳ triều lμ nguyên nhân lμm cho nêm mặn chuyển động lên xuống Hệ quả trực tiếp nhất của việc di chuyển nêm mặn vμo sông lμ quá trình bồi lắng tại cửa sông Dòng chảy sát

đáy thay đổi rất mạnh bởi sự hiện diện của nêm mặn Phần phía trên đỉnh nêm mặn, dòng chảy có h†ớng ra biển, trong khi trong nêm mặn dòng chảy có h†ớng chảy vμo sông với tốc độ khá nhỏ Vì l†u tốc đáy tại đỉnh nêm phải bằng không, nên quá trình bồi lắng sẽ xảy ra ở khu vực nμy ở những cửa sông mμ ảnh h†ởng của thủy triều không lớn vμ sự tồn tại của nêm ổn định thì bùn cát bồi lắng có thể lμm đáy sông nâng lên đáng kể Chính lμ vai trò của nêm mặn mμ tại đây có sự thay đổi mật độ n†ớc lμ nguyên nhân chính gây ra hiện t†ợng bồi lắng Cũng còn phải kể tới sự khác nhau về nhiệt độ n†ớc tạo nên sự thay đổi khi gặp nhau vμ thúc đẩy thêm quá trình bồi Hiện t†ợng xáo trộn nμy còn thấy ở những kênh xả n†ớc sau khi lμm lạnh của nhμ máy nhiệt

đến khi triều rút, n†ớc ngọt tăng lên hay độ muối giảm đi thì quá trình phá vỡ các hạt

đã liên kết để trở lại trạng thái lơ lửng lại xảy ra Quá trình nμy th†ờng lμm thay đổi hμm l†ợng cát lơ lửng trong n†ớc ở những nơi độ muối nhỏ Có thể hình dung ảnh h†ởng nμy bằng việc so sánh tốc độ lắng chìm của hạt cát trong n†ớc ngọt vμ tốc độ lắng chìm của nó trong n†ớc có độ muối trên 5‰ Các kết quả nghiên cứu của Allersma, Hoekstra vμ Bijker (1967) cho tỉ số nμy khoảng 1:50

Chất l†ợng của bùn cát đáy sông trong vùng nμy không giống với bùn cát nguyên gốc Thực tế bùn cát tạo thμnh trong quá trình kết tủa th†ờng có hμm l†ợng n†ớc khá cao Thể tích của nó gấp khoảng từ 5 đến 10 lần thể tích của các hạt nguyên gốc (trong cơ

học đất ta nói độ rỗng bùn cát tại đây khoảng 90%) Rõ rμng rằng trong một thể tích

đơn vị l†ợng n†ớc chiếm một tỉ lệ lớn, do vậy dung trong bùn cát loại nμy khoảng

1100 đến 1250 kg/m3 Vật chất nμy có đặc tính của chất lỏng nhớt với độ nhớt gấp khoảng 100 đến 1500 lần độ nhớt của n†ớc Loại vật chất nμy với tên gọi lμ bùn nhão rất khó xác định khi khảo sát đáy sông vì nó phản xạ vô cùng yếu nên thể hiện không

rõ rμng trên đồ thị đo đạc Loại bùn nμy lỏng đến mức tμu thuyền có thể di chuyển dễ dμng trên nó Quá trình cố kết của loại bùn nμy xảy ra rất chậm chạp Lớp với độ dμy tới 2.5m tồn tại d†ới dạng lỏng tới hμng nhiều tuần lễ vμ nó dễ dμng trở lại trạng thái lơ lửng khi l†u tốc dòng chảy v†ợt giới hạn cho phép từ 0.2 đến 1.0 m/s

Phần trên của lớp bùn gần nh† lớp chất lỏng nhớt vμ lớp nμy có thể bơm hút rất dễ dμng Tuy nhiên, nếu xem lμ vật chất thì dung trọng của lớp bùn lỏng nμy rất thấp, do vậy năng suất bơm rất thấp Một trong những biện pháp cải thiện năng suất nạo vét lμ nạo vét lớp d†ới vμ gom những vật chất lớp trên xuống hố vừa nạo vét để chúng cố kết

ở đó Tuy nhiên, biện pháp thu gom lμ rất quan trọng Hiện nay ng†ời ta th†ờng sử dụng 2 biện pháp sau:

- Nếu khu vực nạo vét có độ dốc thì nên nạo vét đầu tiên ở phía cuối dốc để d†ới tác dụng của trọng lực lớp bùn lỏng ở phía trên sẽ tự tr†ợt xuống hố đã tạo ra do nạo vét

- Biện pháp thứ 2 dựa trên ứng suất tr†ợt tồn tại khi n†ớc chảy phía trên lớp bùn loãng tạo ra lực dẫn cho lớp bùn nhão chuyển động Tuy nhiên nếu lực tr†ợt quá lớn thì thì lớp bùn loãng bị khuấy lên vμ rất dễ trở lại trạng thái lơ lửng

9.3.5 Một số biện pháp kiểm soát dòng mật độ trong sông

Có rất ít giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa kinh tế cao nhằm kiểm soát tình trạng nêm mặn lấn vμo trong sông Phần lớn các giải pháp kỹ thuật chỉ tập trung vμo những khu vực nhỏ có ý nghĩa kinh tế cao nh† l†ồng tμu vμ khu vực cảng Có thể dễ dμng nhận ra rằng

có thể hạn chế đ†ợc quá trình xâm nhập của nêm mặn nếu giảm độ sâu n†ớc mặn hoặc tăng l†ợng n†ớc ngọt từ trong sông chảy ra Ng†ời ta có thể lμm đập ngầm bằng cuội sỏi ngăn chặn nêm mặn tiến vμo do lμm giảm độ sâu n†ớc khu vực tạo đập Các giải pháp nμy đ†ợc ứng dụng rộng rãi ở khu vực luồng vμo cảng ở cac cảng lớn trên thế giới nh† cảng Rotterdam (Hμ Lan), trên sông Mississippi để kiểm soát mặn cho cửa lấy n†ớc ở New Orleans

Dòng mật độ do nhiệt gây ra có thể kiểm soát đ†ợc bằng việc đẩy nhanh quá trình xáo trộn giữa 2 khối n†ớc hoặc tăng quá trình truyền nhiệt giữa các lớp n†ớc hoặc với khí quyển Chẳng hạn biện pháp thúc đẩy quá trình xáo trộn giữa các lớp bằng cách tạo ra quá trình không ổn định của dòng có nhiệt độ cao hoặc tạo ra hiện t†ợng không ổn

định trong các tầng n†ớc Giải pháp xây dựng các mố trụ hoặc đê ngầm tại cửa ra kênh n†ớc nóng sau khi đi qua nhμ máy nhiệt điện sẽ đẩy nhanh quá trình rối vμ đẩy nhanh quá trình xáo trộn giữa các lớp n†ớc Cũng có thể sử dụng các bơm khí đặt d†ới n†ớc

để tạo ra hiệu ứng t†ơng tự Hiện t†ợng rối tự nhiên xảy ra khi nêm n†ớc thải nóng hơn nh†ng có độ muối nhỏ hơn đ†ợc bố trí cho chảy ra biển ở gần đáy Khi đó hiện t†ợngn†ớc có mật độ thấp hơn, nóng hơn có xu thế nổi lên trên vμ tạo nên quá trình xáo trộn

Một giải pháp khác để kiểm soát ô nhiễm dạng nhiệt lμ lμm lạnh n†ớc thải nóng tr†ớckhi xả chúng trở lại nguồn Giải pháp nμy có thể kết hợp với việc đổ tạm chúng ra những hồ nông hoặc cho chảy tuần hoμn qua các tháp lạnh Cũng có thể lμm lạnh một cách đơn giản bằng việc sử dụng một kênh dẫn n†ớc ra khá rộng vμ dμi

Tất cả các giải pháp trên lμ truyền nhiệt trong các lớp n†ớc khác nhau hoặc ra khí quyển Khi xây dựng các tháp lμm lạnh cần quan tâm đến việc bảo vệ khu vực giữa của lấy n†ớc vμ cửa tháo n†ớc

Ví dụ: Ng ỡng trμn ngầm chống nêm mặn xâm nhập trên sông Mississippi

Hiệp hội kỹ s† quân đội Hoa Kỳ đã xây dựng một ng†ỡng trần ngầm với chiều cao 9 m

ở đáy sông Mississippi để chống xâm nhập của nêm mặn khi các hộ dùng n†ớc lấy n†ớc trong sông khá lớn Chiều dμi của đập ngầm lμ 518 m cắt ngang qua sông Việc xây dựng ng†ỡng trμn ngầm không khó, vấn đề đặt ra lμ sau khi xây dựng thì diễn biến của dòng sông khu vực đó sẽ nh† thế nμo

Hiệp hội kỹ s† quân đội Hoa Kỳ giám sát nêm mặn hμng năm vμ khi xác định tốc độ lấn của nêm mặn ảnh h†ởng tới các cửa lấy n†ớc sẽ ra quyết định cần phải xây dựng các ng†ỡng trμn ngầm nh† thế nμo để tránh thảm họa cho hơn 1 triệu ng†ời cùng các hoạt động kinh tế xã hội ở thμnh phố New Orleans

Hình 9.5a: Mặt bằng ng†ỡng trμn ngầm chống mặn xâm nhập trên sông Mississippi Công trình xây dựng nμy, d†ới hạ l†u thμnh phố New Orleans khoảng 48 km vμ hoμn tất trong vòng 30 ngμy

Khi l†u l†ợng n†ớc sông nhỏ hơn (7,080 m3/s), n†ớc mặn từ cửa vịnh Mexico, cách thμnh phố New Orleans 167 km bắt đầu tiến dần vμo trong sông Trong thời kỳ mùa hè khô hạn, nêm mặn tiến xa lên th†ợng nguồn, ảnh h†ởng đầu tiên đến công trình lấy n†ớc uống tại Belle Chasse, khoảng 32 km ở phía nam của New Orleans

Một vấn đề đ†ợc tính toán rất kỹ khi xây dựng ng†ỡng trμn ngầm lμ sử dụng loại vật liệu gì vμ vị trí ở đâu để chống xâm nhập của nêm lμ hữu hiệu nhất Tại vị trí lựa chọn,

độ sâu lμ 24 m Bằng các tính toán chi tiết, cuối cùng ng†ời ta chọn giải pháp sử dụng 611,840 m3 cát đổ xuống khu vực đó hình thμnh một ng†ỡng trμn ngầm có nơi rộng

đến 457 m , nh†ng không đ†ợc cao hơn 9 m, ảnh h†ởng tới vận tải thủy Tuy nhiên khi l†u l†ợng n†ớc sông lớn hơn 11,328 m3/s), vấn đề xói chân công trình rất lớn vμ lμ vấn

đề khó giải quyết nhất của công trình

9.4 Dòng mật độ trong cảng

Thủy triều tạo ra dòng chảy ra vμo cảng vμ trong ph†ơng trình chuyển động của nó thì

số hạng quán tính không lớn Điều đó có nghĩa lμ nếu nh† không có vai trò khác nhau của mật độ thì tại khu vực đỉnh triều vμ chân triều l†u tốc dòng chảy coi nh† bằng không Tuy nhiên, do thủy triều, dòng mật độ bao giờ cũng tồn tại Nếu ảnh h†ởng nμy tồn tại thì mặt phân cách nằm ngang sẽ đ†ợc thay thế bằng mặt ngăn cách thẳng đứng

Hình 9.6: Phân bố áp lực thủy tĩnh tại 2 phía của cửa ngăn triều

Hiện t†ợng nμy có thể hình dung khi n†ớc mặn vμ n†ớc ngọt tồn tại ở 2 phía của cống ngăn triều mμ phân bố áp lực thủy tĩnh đ†ợc biểu diễn trên hình 9-6 Ta chỉ có thể mở cống khi mực n†ớc ở 2 phía ngang bằng nhau Trong tr†ờng hợp nμy vẫn tồn tại một lực tổng hợp nằm ngang nhỏ tác dụng lên cửa cản trở việc mở cống Lực nμy sẽ triệt tiêu khi:

2 2 2 2 1 12

12