de Nekker 23.1 Dòng triều trong cảng Trong chương này sẽ xem xét đến các ảnh hưởng của dòng triều và dòng mật độ lên các cảng được xây dựng dọc theo sông.. Do khối lượng nước trong cảng
Trang 123 Dòng chảy mật độ trong cảng
E.W Bijker, J de Nekker
23.1 Dòng triều trong cảng
Trong chương này sẽ xem xét đến các ảnh hưởng của dòng triều và dòng mật
độ lên các cảng được xây dựng dọc theo sông Những thông tin trình bày ở đây vẫn có thể sử dụng cho cả các cảng nằm dọc bờ biển xa các cửa sông cũng như các cảng không có các lưu lượng nước ngọt đổ vào
Bảng 23.1 Triều trong cảng Rotterdam (Petroleumhaven II)
+0,91
1.04
0,91 0,61
+0,25
-0,15 -0,47
0,44
+0,07
-0,44 -0,73
-1,03
-1,05 -0,85
1,1
0
-1,5 -2,1
-1,6
-1,1
-1,5 -0,8
0
Việc xây dựng các cảng dọc theo cửa sông thồng thường làm tăng thể tích triều của cửa sông Chỉ có một số trường hợp ngoại lệ khi có các công trình xây dựng lớn, ảnh hưởng bổ sung của sự gia tăng diện tích lên thể tích triều không đủ lớn để làm thay đổi đáng kể đến cửa sông
Chúng ta đã xem xét kỹ trong chương 20 (hình 20.5) vai trò của quán tính đối với việc kéo dài thời gian tồn tại dòng lên sau khi nước cường Đối với cảng, các
Trang 2thành phần quán tính không đủ lớn nên dòng chảy trong cảng sẽ dừng vào thời
điểm nước cường và nước kiệt Điều này sẽ đúng nếu như dòng mật độ không có
đóng góp ảnh hưởng của mình Bảng 23.1 cho ta các số liệu được sử dụng để thể hiện hình 23.1 cho ta thấy hiện tượng này đối với cảng Petroleumhaven II tại Rotterdam (Các ảnh hưởng của dòng mật độ đã được loại trừ từ số liệu trên bảng 23.1) Do các dòng chảy có giá trị rất nhỏ, chúng được dẫn ra bằng cm/s
Trang 3Do khối lượng nước trong cảng được giữ không đổi- bỏ qua phần tăng và rút- nên dòng vào cảng phải cân bằng với dòng đi ra do chênh lệch mật độ Với giả thiết thông thường dòng chảy theo mỗi hướng chiếm lĩnh một nửa độ sâu và hai dòng này bằng nhau đối với kênh chữ nhật
Hình 23.2 Các lực tác động của dòng chảy mật độ và chuyển động của nó
được, tuy không chính xác, với phương trình 22.13 khi u 1 = u2 = h/2
Bảng 23.2 cho ta các giá trị độ muối của sông và cảng Rotterdam cùng với giá trị đo được của dòng chảy mật độ Giá trị trong bảng được tính theo số liệu độ muối cho rằng nhiệt độ trong sông và trong cảng đồng nhất và bằng 16oC Các vận tốc dòng chảy mật độ được dẫn ra cho lớp mặt với hướng dương chỉ dòng chảy
đi vào cảng Bằng phép đối xứng, như đã giải thích trên đây, dòng chảy trong lớp dưới đi theo hướng ngược lại cũng với gía trị như lớp trên Một phần số liệu trong bảng được dẫn ra trên hình vẽ 23.3
Trang 4Hình 23.3 Độ muối và dòng chảy mật độ trong cảng (Petroleumhaven II, Rotterdam)
Chúng ta nhận thấy từ bảng 23.2 rằng biên độ của vận tốc dòng mật độ ít nhiều phụ thuộc vào Nếu như lý thuyết và thực tế thống nhất với nhau thì ta
có thể tìm kiếm mối tương quan giữa V Dvà (từ phương trình 23.01) Tuy
nhiên, hệ số tương quan giữa V Dvà đối với số liệu trên bảng 23.2 chỉ bằng 0,58 Điều này không có nghĩa là lý thuyết đã đảm bảo đúng, những so sánh sẽ
được tiến hành lại trong phần 23.4
Trang 53,96 3,30 3.04 2,63 3,01 3,91 5,23 6,56 6,69 6,37 5,43 4,36 3,82
1,149 10 -3 5,952 10 -4 1,619 10 -4 7,830 10 -4 1,600 10 -3 2,567 10 -3 2,180 10 -3 4,616 10 -4 4,679 10 -4 1,128 10 -3 1,379 10 -3 1,325 10 -3 1,039 10 -3
3,0 4,0 1,2 -5,0 -8,0 -10,7 -10,3 -1,4 +2,1 2,5 2,5 2,1 2,1
Cho đến bây giờ chúng ta vẫn giả định rằng cảng có chiều dài vô hạn Trong phần tiếp chúng ta sẽ xem xét các điều kiện bổ sung đối với cảng có độ dài nhất
định
Trang 723.4 Dòng chảy trong các cảng bị giới hạn
Đường cong đáy khô của lưỡi mật độ đi vào cảng được thể hiện trên hình 23.2 Phương trình 23.01 mô tả vận tốc dịch chuyển đó Vậy khoảng cách tối đa mà lưỡi mật độ có thể đạt được là bao nhiêu?
Hình 23.5 Sự biến đổi của dòng chảy mật độ trong cảng
Có hai điều kiện cần đáp ứng đối với lưỡi mật độ đang tiếp tục đi vào thuỷ vực cảng:
a Cần có khu vực để tiếp tục xâm nhập,
b Lực tác động (chênh lệch mật độ) còn tồn tại
Trong đó điều kiện thứ nhất chỉ phụ thuộc vào hình thái của thuỷ vực, còn
điều kiện thứ hai lại phụ thuộc trực tiếp vào môi trường nước Để có thể tách hai
điều kiện trên nhằm trao đổi chi tiết, chúng ta cho rằng ban đầu tất cả nước trong cảng và các vùng kề cận đều có mật độ bằng 1005 kg/m3 Trong một khoảng nào đó mật độ nước trong sông tăng lên đến 1015 kg/m3, và giữ nguyên không đổi, như vậy lực tác động (mục b vừa nêu) sẽ được giữ ổn định Vùng biển được xem
Trang 8xét không có triều Cảng sẽ có dạng hình chữ nhật với độ sâu h = 7 m và dài L =
2500 m (xem hình 23.5)
Sử dụng điều kiện 23.01 với các hệ số đã xác định, ta có thể tìm được vận tốc dòng chảy mật độ:
)7)(
81,9)(
1005
10051015(35
Với vận tốc như trên, lưỡi mật độ sẽ dịch chuyển hết toàn bộ chiều dài cảng
2500 m hết 2 giờ 24 phút Sóng này sẽ phản xạ lại khi đạt đến bờ phía trong của cảng tương tự như các sóng dài khác nó đi hết một khoảng thời gian đúng như vậy để quay lại đến cửa ra vào cảng sau 4 giờ 48 phút kể từ thời điểm sóng xuất phát Quá trình dịch chuyển của lưỡi mật độ sau từng nửa giờ được thể hiện bằng các đường cong ngắt trên hình 23.5
Sau 4 giờ 48 phút lưỡi mật độ sẽ quay trở lại cửa ra vào cảng Toàn bộ cảng bây giờ đã bị nước sông mặn hơn chiếm giữ, lúc này mật độ nước ở đây bằng mật
độ nước sông vì vậy quá trình sẽ ngừng vì không còn lực tác động do chênh lệch mật độ nữa
Vậy điều gì đã xẩy ra đối với toàn bộ nước nhạt trước đây chứa trong cảng? Khối nước này đã lan truyền đến toàn khu vực rộng lớn của sông trong dạng một lớp mỏng, nếu có sóng tác động lớp này bị xáo trộn với các lớp nước sâu hơn
Ví dụ này cũng có thể dẫn đến một số kết luận căn cứ vào số liệu trên bảng 23.2 và hình 23.3 Độ muối trung bình (nếu chênh lệch mật độ do độ muối gây nên) trong cảng tăng tuyến tính theo thời gian trong khoảng 4 giờ 48 phút như trên thí dụ vừa nêu, song do dòng chảy mật độ giữ không đổi trong khoảng thời gian đó, nó chỉ phụ thuộc vào chênh lệch mật độ tại cửa cảng Như vậy mối tương quan trực tiếp giữa và V D trong thực tế không chính xác khi được xác
định theo độ muối trung bình
Chính khoảng thời gian cần thiết để dòng mật độ đi vào cảng và trao đổi đã giả thích cho sự lệch pha giữa cực đại độ muối trên sông và các vùng kề cận như dẫn ra trên hình 23.3 Vậy có thể diễn ra sự trao đổi nước hoàn toàn hay không? Khả năng là hoàn toàn có, nó xẩy ra khi cực đại độ muối trong cảng nhỏ hơn cực
đại trong sông Theo thời gian, do trao đổi, độ muối cực đại của nước sông sẽ không còn giữ như trước nữa Một điều hiển nhiên rằng quá trình trao đổi toàn bộ
được diễn ra do thay đổi đột biến dòng mật độ giữa 6.1/2 và 7 giờ như trên hình 23.3 Do không có sự thay đổi đột biến của độ muối, sự suy giảm vận tốc có thể bị gây nên bởi sự suy giảm của lực tác động thực
Trang 9Hình 23.6 Dòng chảy mật độ trong cảng
Loại vấn đề thứ hai liên quan tới việc thời gian không đủ để quá trình trao
đổi toàn bộ có thể xẩy ra, điều này nhìn chung khá phức tạp Có thể xem xét vấn
đề này thông qua một ví dụ sau đây
Ví dụ này cũng giống như ví dụ vừa xét cho rằng cảng ban đầu chứa nước có mật độ 1005 kg/m3 và sông có sự biến đổi mật độ đột ngột từ 1005 lên 1015 kg/m3 Tuy nhiên bây giờ lại cho rằng nước có độ mặn cao trong sông chỉ giữ trong khoảng 1 giờ 12 phút, sau đó nước sông lại quay về mật độ 1005 kg/m3 Như vậy mọi vấn đề xẩy ra hoàn toàn tương tự như thí dụ trên trong khoảng 1 giờ 12 phút
đầu Điều này có thể thấy trên hình 23.6A Sau 1 giờ 12 phút lời giải được dẫn ra
trên hình 23.6B Lực tác động cũng sẽ không tồn tại lâu hơn Động lượng sẽ giữ
Trang 10cong đáy khô sẽ phát triển tại phần cuối của mép khối nước và tại đây có sự lan truyền theo đáy cảng của một lớp mỏng hơn Có khả năng lớp mỏng này sẽ bị mất trong tầng sâu của sông Việc đánh giá định lượng những yếu tố này vượt ra ngoài khuôn khổ của giáo trình và không thật sự quan trọng đối với mục đích của chúng ta là xác định lượng bùn đi vào cảng cùng với dòng nước mặn Một dạng kết quả về mặt phân cách giữa hai khối nước sau một thời gian được thể hiện trên hình 23.6C
23.5 Vấn đề thực tiễn
Vấn đề vừa bàn luận trên đây chỉ đúng khi các giả thiết đưa ra được thoả mãn Nhìn trên hình 23.3 ta có thể nhận thấy rằng giả thiết về sự biến đổi đột ngột của mật độ nước sông trong thực tế không thể có được Mặt khác, rất nhiều cảng không có dạng hình chữ nhật Mối phụ thuộc giữa tính toán lý thuyết trao
đổi nước trong cảng với điều kiện cụ thể của sông đòi hỏi rất nhiều thời gian Vì lý
do đó, các mô hình vật lý được sử dụng để mô phỏng hiện tượng; Phòng thí nghiệm Thuỷ lực Delft đã có đóng góp đáng kể trong mô hình hoá dòng chảy mật
độ do muối
Cách tiếp cận thứ hai đối với bài toán này là phát triển các phương trình bán thực nghiệm đối với trao đổi nước đưa về bài toán xác định các hệ số thực nghiệm trên căn cứ thí nghiệm đối với các cảng cụ thể Những phương trình như vậy có thể ứng dụng để xác định trao đổi nước đối với các cảng có điều kiện tương tự Do thể tích, V, có thể được thể hiện thông qua vận tốc nhân với tiết diện và thời gian,
ta sẽ chọn căn bậc hai của mật độ tương đối nhân với độ sâu và kết hợp vận tốc và tiết diện cưả vào, AE trong phương trình đó Hằng số triều cũng như các hệ số khác có thể tổng hợp thông qua một hệ số chung Cách tiếp cận này được áp dụng cho cảng Rotterdam Sử dụng kết quả đo đạc tại một số cảng lớn tại đây (Botek, Petroleumhaven I và II) đã đưa tới công thức sau:
h GA
trong đó:
AE là tiết diện cửa vào cảng tính theo m2,
G là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào cảng,
h độ sâu trung bình của cảng, tính bằng m,
Trang 11Phương pháp vừa trình bày phụ thuộc vào các cảng có triều nằm dọc sông Cần nói rằng kích thước và hình dáng các cảng đang thiết kế không có sự tương thích với các cảng đã tồn taị Trong trường hợp đó sơ đồ vừa đưa ra khó có thể hỗ trợ được ghì nhiều, do hệ số G hoàn toàn không xác định
Dòng mật độ có thể có vai trò quan trọng nhất đối với hiện tượng lắng đọng cảng dẫn đến yêu cầu cao đối với nạo vét Do đó việc đánh giá được dòng chảy mật
độ có tính sinh tử đối với các nghiên cứu khả thi Trong trường hợp đó thì ngay cả những đánh giá thô nhất cũng có thể có ích Cách tiếp cận sau đây được đưa ra trong tài liệu vô danh của Phòng thí nghiệm Thuỷ lực Delft (1960) Độ chính xác tương đối của phương pháp có thể vào khoảng 50%
Các tác giả vô danh- thực tế là Gersie và Bijker- đã tiếp cận vấn đề thông qua xác định hệ số thể hiện tỷ số giữa tổng thể tích nước trao đổi và thể tích cảng Căn cứ vào hai nguyên nhân của hiện tượng, người ta đã tách hệ số này thành hai thành phần:
h là độ sâu trung bình của cảng,
VH là thể tích tổng cộng của cảng dựa trên độ sâu trung bình h,
P là thể tích triều của thuỷ vực
TD là khoảng thời gian tồn tại sự chênh lệch về mật độ
Bây giờ một số vấn đề khác lại xuất hiện, đó là Làm thế nào để sử dụng tỷ số mật độ, , phục vụ tính toán V D ? Xác định T D như thế nào? Hiểu và xác định thế
Trang 12Chúng ta bắt đầu từ câu hỏi cuối cùng bằng việc xem xét một cảng có hình chữ nhật với tiết diện ngang như nhau và tiết diện cửa vào Độ dài theo sơ đồ chính bằng khoảng cách dài nhất từ cửa cảng đến đầu cuối cảng Có rất nhiều kinh nghiệm để tiến hành phép sơ đồ hoá trên đây
TD là khoảng thời gian tồn tại dòng mật độ Nó chỉ liên quan duy nhất đến yếu tố mật độ qua đường cong mật độ-thời gian và không nhất thiết liên quan
trực tiếp đến mực nước triều Mặt khác T D có thể khác nhau đối với thời kỳ tăng mật độ trong cảng và thời kỳ giảm mật độ
Vấn đề khó nhất là làm sao xác định được giá trị V D Cách tiếp cận sau đây yêu cầu:
a Tính V D dựa trên tương ứng các cực trị của mật độ trên sông được sơ đồ hoá bằng phương trình 23.01
b Sử dụng giá trị V D vừa thu được để tính D và
c Nếu như < 1 thì giá trị mật độ cực đại trong cảng sẽ nhỏ hơn cực
đại trong sông và giả thiết chúng ta đề ra bị phá vỡ Trong trường hợp
đó lặp lại các bước a và b sử dụng các giá trị mới của lớn hơn gấp rưỡi so với giá trị ban đầu
Trong phương trình 23.09 giá trị tuyệt đối của tốc độ lấp đầy của dòng chảy
thường kỳ được lấy trunbg bình theo thời gian T D Cần nhắc lại rằng giá trị tuyệt
đối đã được lấy trước khi tiến hành phép trung bình Giá trị của V f trong thí dụ
này cần xác định theo dao động triều trong sông
dt
dh A
A E là tiết diện cửa vào
Đến đây phương trình 23.09 không cho ta những kết quả đầy đủ Bất đẳng thức sau đây cũng cần được thoả mãn:
1
Như vậy ảnh hưởng của dòng mật độ không thể là âm được nhưng nó có thể bằng zero Giới hạn trên của nó được xác định bởi đường cong sơ đồ mật độ – thời gian
Giá trị của tỷ số này có thể hiệu chỉnh theo các tỷ lệ giữa diện tích mặt cảng thực so với diện tích đã được sơ đồ hoá
Thể tích nước đi vào cảng trong một chu kỳ triều đầy đủ có thể xác định bằng tổng các thành phần
Tốc độ dâng đầy cảng đóng góp đối với thể tích nước thông qua tích f với thể tích cảng Nó chính bằng thể tích nước đi ra khi triều xuống Trong thời gian
Trang 13Cả hai kỹ thuật tính toán vừa nêu trong phần này sẽ được minh hoạ trong mục 23.7
Các xoáy hình thành tại cửa các cảng lớn là một điều hiển nhiên Tuy nhiên chúng có xu thế suy yếu bởi các thành phần dòng chảy khác tại cửa cảng hơn là
do dòng chảy sông Như vậy chúng ít gây ảnh hưởng đến dòng trầm tích đi vào cảng
Một thử nghiệm được trình bày trong các phần tới nhằm xác định lượng bùn cát mang vào cảng Trước khi làm việc đó, chúng ta xem xét các ảnh hưởng của
sự tồn tại cảng lên giao thông trên sông
Không khó khăn lắm có thể nhận thấy rằng tại khu vực gần cửa cảng, nơi các xoáy, các dòng mật độ, dòng chảy sông và dòng đầy cảng luôn tác động với nhau làm cho bức tranh dòng chảy trở nên phức tạp Chỉ có các thuyền và tàu nhỏ chỉ chịu tác động của dòng chảy trên mặt Các tàu lớn do xâm nhập đến lớp nước sâu
sẽ chịu tác động của các lực khác nhau Bên cạnh đó hiện tượng nước chết đã được mô tả ở các phần trước cũng có thể xuất hiện làm cho các thuỷ thủ phải để ý đến khi đi qua khu vực này Do sự đa dạng về tác động lên các tàu thuyền khác nhau nên khó có thể trình bày đầy đủ về chúng trong giáo trình này Chúng ta chỉ cần xác định các vấn đề có thể xuất hiện đối với khả năng chuyển động của tàu để các thuỷ thủ biết và xử lý khi có những biến đổi của cảng
23.7 Lắng đọng trong cảng
Các quá trình lắng đọng bùn tương tự đã được mô tả đối với cửa sông có triều trong chương trước cũng tồn tại đối với các cảng lân cận Sự biến đổi của độ muối gây nên kết tủa và dẫn đến sự lắng động nhanh của các vật liệu mịn trong cảng cũng như trong sông Hơn nữa quá trình lắng đọng trong cảng xẩy ra mạnh hơn
do sự yên tĩnh tương đối của nước tại khu vực cảng Tóm lại mọi quá trình gây nên trao đổi nước giữa cảng và sông đều dẫn đến việc cung cấp trầm tích cho cảng
Sự lắng đọng bùn trong cảng có thể tính toán bằng cách nhân thể tích của nước trao đổi trong một chu kỳ triều tại cảng với hiệu số mật độ trầm tích của nước đi vào và đi ra Về vai trò của các loại dòng chảy khác nhau sẽ được xem xét trong ví dụ tiếp theo
