Kỹ thuật biển ( dịch bởi Đinh Văn Ưu ) - Tập 1 Nhập môn về công trình bờ - Phần 9 pot

Trong khi các vi khuẩn bị chết ngay sau tiếp xúc với nước biển trong vòng ít giờ, không thể hoàn toàn chắc rằng điều đó sẽ xẩy ra đối với tất các các loài vi khuẩn, điều đó cho thấy vẫn

Một định nghĩa cụ thể hơn được đưa ra trong báo cáo trình Chủ tịch Quốc Hội Hoa Kỳ do Uỷ ban Quốc Gia về nước soạn thảo tháng 6 năm 1973: “Nước bị ô nhiễm nếu như không đảm bảo chất lượng cao cho đáp ứng yêu cầu sử dụng bền vững mà con người cần hiện tại cũng như tương lai”

Định nghĩa này liên quan tới sử dụng trên quan điểm chất lượng nước được xem là tốt nếu nó đáp ứng các mục đích khác nhau

Đó cũng là mục đích của chương này nhằm vạch ra một số vấn đề về ô nhiễm biển Hy vọng sẽ tránh được một số bàn cãi ngoài phạm vi của vấn đề

Mức độ của vấn đề có thể căn cứ vào ví dụ hai bài báo xuất hiện trên tạp chí: Civil Engineering của Gould (1973) và Thomas (1974) Có thể các ý kiến hiện nay hoặc từ các nguồn khác sẽ trái ngược nhau

24.2 Các chất ô nhiễm

Các chất làm cho biển ô nhiễm có thể được tập hợp theo một số nhóm Đó là: chất thải dân dụng, dầu khí, các hydrocacbon halogen, các chất hữu cơ khác, kim loại nặng, nhiệt, và các chất phóng xạ Những liệt kê chi tiết được trình bày sau

đây (Các vật liệu do nạo vét đã được trình bày riêng trong chương 7)

Các chất thải từ con người được quan tâm nhiều nhất bởi vì nó dẫn đến những hậu quả trực quan vì con người không thích được thấy hay được ngửi phải các mùi khó chịu Mặt khác, loại chất thải này là các sản phẩm tự nhiên không chỉ từ con người mà còn từ các sinh vật trong biển Sáu triệu tấn cá trỏng tại bờ biển California (Hoa Kỳ) có thể đưa ra một lượng thải lớn hơn từ 90 triệu người (Bascom, 1974) Có hai vấn đề quan trọng liên quan tới loại chất thải này đó là các chất thải có thể tiêu thụ ô xy từ nước và chứa nhiều vi khuẩn Yêu cầu ô xy có thể nhỏ hơn mức ô xy hoà tan cần thiết đối với các sinh vật biển Trong khi các vi khuẩn bị chết ngay sau tiếp xúc với nước biển (trong vòng ít giờ), không thể hoàn toàn chắc rằng điều đó sẽ xẩy ra đối với tất các các loài vi khuẩn, điều đó cho thấy vẫn có nguy cơ lan truyền

Các sản phẩm dầu và khí là những chất ô nhiễm có nhiều điểm tranh cãi Các phản ứng của cộng đồng đối với các vệt dầu loang thường rất gay gắt Tàu thuyền đi lại không phải là nguyên nhân duy nhất tạo nên ô nhiễm dầu Một lượng dầu khó xác định được đi vào đại dương theo con đường tự nhiên Một báo cáo của Chính quyền bang Connecticut (Hoa Kỳ) cho rằng gần hai phần ba lượng dầu mà con người đưa ra đại dương lại từ các nhiên liệu ô tô và các động cơ máy móc khác Lượng dầu này không gây ra vấn đề gì lớn vì tỷ lệ rất nhỏ nên dễ dàng phân tán và phân huỷ một cách tự nhiên

Ô nhiễm dầu từ các vệt dầu loang thường mang tính cục bộ và tạm thời Các hậu quả sinh học và thẩm mỹ có thể rất lớn, song trạng thái ổn định có thể tự tái sinh không cần con người can thiệp sau một số năm nhất định Điều này sẽ không

đúng đối với các loại ô nhiễm sau đây

Các hydrocacbon halogen là thành phần của các thuốc bảo vệ thực vật hữu cơ Trong khi một số ít các hoá chất đó, ví dụ TEPP nhanh chóng mất các độc tính, thì các hoá chất khác như DDT dường khư không bị phân huỷ trong tự nhiên Quá trình tích tụ các độc chất trong một số loài sinh vật biển là điều đã

được khẳng định Do không bị phân huỷ, nên việc sử dụng các loại chất này cần

được đặt dưới sự kiểm tra chặt chẽ

Các hiệu ứng không mong đợi của việc đổ các chất hữu cơ vào một số thuỷ vực nhất định như các ao hồ đã được nhiều người nói đến Tuy nhiên những tác động của các chất hữu cơ đối với biển lại có chiều ngược lại Theo Isaacs thì đây là một

điều kỳ lạ của đại đương được thể hiện thông qua các thực vật trong nước

Với việc đổ các chất dinh dưỡng ra bờ biển, chúng được các sinh vật biển hấp thụ và trở thành thức ăn của cá Việc bổ sung nhân tạo lượng dinh dưỡng này có thể so sánh như phản ứng của các vùng nước trồi đã tạo nên sự phát triển của công nghiệp đánh bắt hải sản trên một số vùng của thế giới (ví dụ Nhật bản)

Do lượng ô xy sẽ bị giảm do quá trình phân huỷ sinh học của các chất dinh dưỡng nên việc đổ các chất dinh dưỡng cần được quản lý sao cho mức ô xy hoà tan không được thấp hơn mức chịu đựng của cá

Các kim loại nặng như đồng, chì luôn tồn tại tự nhiên trong nước biển và trầm tích đáy Nồng độ thấp của một số chất đó sẽ có lợi và có thể còn kích thích tốt đối với một số sinh vật Ví dụ đồng là nguyên tố dinh dưỡng cơ bản của các loại cua

Nồng độ các kim loại nặng trong trầm tích đáy có thể cao hơn so với trong nước (bảng 24.1) Các kim loại nặng thông qua ion hoá với các phần tử trầm tích

đáy có xu thế hoà tan trong nước biển như những thành phânf ion của nước và làm biến đổi thành phần lý hoá của các phần tử trầm tích – xem mục 7 của chương 22 Bảng 24.1 cho ta so sánh giữa nồng độ kim loại nặng trong trầm tích

và trong nước Các kim loại nặng có thể được đưa vào đại dương thông qua khí quyển Ví dụ, khi cháy rừng, một lượng lớn ô xít kim loại được đưa vào khí quyển

và sau đó bị mang đi và rơi xuống trên khắp thế giới

Tương tự như sự tích luỹ các độc tố từ thuốc bảo vệ thực vật, ảnh hưởng của kim loại nặng cũng có tính tích luỹ Do đó việc thải các kim loại nặng vào biển cần được tránh Một ví dụ về sự tích luỹ do tác động của con người được thể hiện

168

trong hình 24.1, trên đó cho ta nồng độ chì của lớp trầm tích trên của đáy đại dương gần Long Beach, California (Hoa Kỳ) Sự gia tăng nhanh của mật độ trong những năm gần đây là do nguyên nhân khí quyển xuất phát từ các chất thải ô tô Các nguồn thải nhiệt có thể ấm hơn (từ nước làm lạnh các nhà máy điện) hoặc lạnh hơn (chuyển khí hoá lỏng) so với nưóc xung quanh Phần lớn sinh vật biển có thể thích ứng được với sự biến đổi nhiệt xung quanh các nguồn đó, nhưng thường vẫn có hiện tượng chết do cơ học hay do sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

và áp suất Các nguồn nhiệt đổ vào đại dương chỉ có ý nghĩa cục bộ đối với sinh vật biển Chúng có thể kết hợp tốt cùng với thải các chất dinh dưỡng làm kích thích sinh vật tăng trưởng phục vụ đời sống con người

Bảng 24.1 Nồng độ của các kim loại nặng trong nước biển và trầm tích

Nguyên tố Nồng độ bằng phần triệu tại các địa điểm

Trung bình

nước biển

California lớp 10 cm

Europort Từ Botlek

đến Eehaven

Waalhaven

đến Rijnhaven

Sông Rhine

Chromium 3,5x 10 -4 42 185 435 870 1240 Cobalt 4x 10 -4 7

Các chất thải phóng xạ là loại ô nhiễm thứ 7 Bởi vì cấu tạo của nước có khả năng liên kết đối với các chất phóng xạ, cho nên các nguồn thải này rất dễ bị liên kết Nguy hiểm trực tiếp đối với các sinh vật biển không lớn so với con người vì sinh vật biển có thể chịu đựng một lượng phóng xạ lớn trước khi bị tiêu diệt – van Staveren (1974) Như vậy có thể thấy rằng điều này trở nên nguy hiểm vì con người có thể bị một lượng phóng xạ độc hại gây chết người từ những con cá khoẻ mạnh

24.3 Các biện pháp kiểm tra

Các biện pháp chung nhất đó là các hình phạt hợp pháp đối với những người gây ô nhiễm Starbird (1972) mô tả những khả năng thành công đối với sông Khi sông chảy qua biên giới các nước, thì vấn đề làm sạch chỉ có thể tiến hành do hợp tác của tất cả các nước liên quan Các biện pháp làm sạch nước sông Rhine là một

ví dụ thành công, nước Anh cũng đạt được nhiều kết quả tốt đối với song Thames Tuy nhiên các giới hạn pháp quy cũng cần sát thực tế Các mức giảm ô nhiễm

có thể đạt đươc và hiện thực nếu so sánh chúng với các tiêu chuẩn khác Bascom (1974) đã phân tích một ví dụ về sự không thành công của các giới hạn không thực tế Tại Los Angeles (Hoa Kỳ) mức “ô nhiễm” của thạch tín và đồng trong nước ăn thành phố cao hơn mức cho phép đổ vào biển Đó là một thí dụ về giới hạn quá cao đến mức không tưởng

Một ví dụ hài hước khác, đó là các cuộc đua thuyền tại câu lạc bộ yacht ở Hoa

Kỳ vào đầu những năm 1970, khi các bộ luật chống ô nhiễm quá chặt đến mức các yêu cầu đối với tã lót cũng áp dụng đối với hải âu!

24.4 Đề xuất hệ thống thu góp

Như vậy có thể hình dung rằng đại dương có thể trở thành bãi đổ lý tưởng cho một số loại rác thải Trước hết đó là nhiệt và các chất dinh dưỡng có thể đổ vào đại dương làm tăng sản lượng thực phẩm thông qua nuôi hải sản

Những chất thải nào đó cũng có thể đổ ra biển song bằng các cách khác Một

số người đề xuất đổ một số các chất thải xuống phần sâu của biển Các hệ quả của các biện pháp này đã được nghiên cứu khá kỹ; như nghiên cứu của Jannasch và Wiersen, tạp chí Scientific American (1973) đã chỉ ra một số hệ quả không mong muốn Các quá trình phân huỷ sinh hoá có thể bị chậm lại do áp suất cao Như vậy các quá trình chuyển hoá tự nhiên gần như bị ngừng trệ tại các lớp nước sâu

và do đó nơi đây không thể trở thành bãi đổ rác hữu cơ lý tưởng được

Kết luận trên có ý ngược lại với đề xuất của Bostrom và Sherif cũng được

đăng trong tạp chí Scientific American (1972) Họ đề xuất ép và thả tất cả các loại rác xuống đại dương tại các khu vực đang chìm Tại các địa điểm này – thông thường là các rãnh trũng đại dương – các chất thải sẽ được đi vào lớp manti quả

đất Họ còn cho rằng tất cả rác thải do con người chỉ bằng 1/250 khối lượng vật chất đi vào lớp manti quả đất Tất nhiên họ cũng cho rằng còn một số chi tiết cần nghiên cứu bổ sung trong tương lai

25 Vận chuyển trầm tích ra – vào bờ

J van de Graaff

25.1 Mở đầu

Vận chuyển trầm tích đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hầu như tất cả các vấn đề liên quan tới kỹ thuật bờ Thông thường có sự thiếu hụt vật liệu tại một vị trí nào đó (có sự xói lở ngoài ý muốn); thì cũng có một vị trí khác mà ở đó

có hiện tượng dư thừa vật liệu gây ra các vấn đề lo ngại khác (ví dụ có sự bồi lấp lạch tàu) Một mục đích quan trọng của nghiên cứu kỹ thuật biển đó là dự báo lượng trầm tích vận chuyển dọc bờ So với việc tính toán tương tự trong sông, công việc đối với biển có bậc khó khăn hơn; các chuyển động biến đổi dưới tác

động của sóng và hàng loạt các lực tác động do dòng chảy làm cho số biến tăng lên đáng kể Trước khi đi vào xem xét các dạng bãi và vận chuyển ngang bờ của trầm tích, chúng ta chú ý trước hết đến các tương quan vận chuyển trầm tích cơ bản xẩy ra dọc bờ

25.2 Những nguyên lý cơ bản của vận chuyển trầm tích

Vận chuyển trầm tích trong đới ven bờ cũng được nghiên cứu tương tự như

đối với sông Điểm tương tự có thể rút ra trực tiếp từ lý thuyết đối với sông đó là

lượng trầm tích vận chuyển được mô tả thông qua tích của vận tốc, V, và nồng độ trầm tích, c, được tích phân cho toàn cột nước Trong sông, cả V và c thường biến

đổi rất chậm theo thời gian, t, hay khoảng cách x Chúng biến đổi như một hàm

của mực nước, và chính sự biến đổi này đẫn đến yêu cầu sử dụng tích phân Trong dải ven bờ, sóng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với chuyển động

của nước Vận tốc nước, V, và cả nồng độ, c, thường biến đổi rất lớn theo thời gian,

nó có dạng phụ thuộc hàm tương tự như đối với chu kỳ sóng Việc tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích có thể dựa trên cơ sở công thức:

(

h

dz t z V t z c

t

Đáng buồn là nồng độ c(z,t) thường ít khi được đo đạc, trên hình 25.1 dẫn ra

100 lần đo khác nhau nhưng tất cả đều được tiến hành với mực nước không đổi và với điều kiện sóng đơn

Rất khó hình dung rõ quy luật của c(z,t) trong điều kiện sóng đổ phức tạp

hay gặp dọc theo bờ biển

172

Hình 25.1 Nồng độ trầm tích như một hàm của thời gian

Các tính toán vận chuyển trầm tích theo hướng truyền sóng gần như không

thể thực hiện được trên cơ sở công thức 25.01; chúng ta chỉ mới biết rất ít về c(z,t)

và giá trị trung bình V(z,t), điều đó cho thấy khả năng tính toán với sai số nhỏ

gần như không thể được Vì hiện tượng khúc xạ làm cho góc tới của sóng gần bờ nhỏ, dòng trầm tích theo hướng vuông góc bờ khó có thể tính theo công thức 25.01 Các phương pháp thực nghiệm, hầu như độc lập với công thức 25.01, đã

được sử dụng Một trong số đó, công thức của Swart (1974 và 1976) sẽ được xem xét trong tập II; trong phần còn lại của chương này chỉ dành để mô tả định tính

về dạng trắc ngang đường bờ

25.3 Trắc ngang bãi biển

Dạng trắc ngang đặc trưng của bãi biển được mô tả trên hình 25.2, trên đó

đưa ra các thuật ngữ thông dụng mô tả bãi

Các sóng đi vào bờ với đường đỉnh sóng song song với bờ với các điều kiện biên (mực nước, độ cao sóng và chu kỳ sóng) không đổi sẽ dẫn đến một trắc ngang bãi ổn định Trạng thái này có thể tái tạo dễ dàng trong các máng sóng, sau một thời gian thí nghiệm đủ lớn sẽ dẫn đến một trắc ngang không đổi Các vật liệu sẽ

ở trong dạng lơ lửng nhưng không có hiện tượng vận chuyển dọc theo trắc ngang trong điều kiện ổn định này

H×nh 25.2 M« t¶ d¹ng tr¾c ngang b·i biÓn (kh«ng tu©n thñ tû lÖ)

174

Dạng của trắc ngang này phụ thuộc không những vào các điều kiện biên nêu trên mà còn phụ thuộc vào kích cỡ trầm tích Cho các điều kiện thuỷ lực không đổi, các vật liệu thô tạo nên bờ dốc hơn; các bờ sỏi thường dốc hơn bờ cát

Mặt khác, đối với một loại kích cỡ trầm tích, sóng cao thường tạo nên bãi ít dốc hơn Thêm vào đó, do độ sâu tại mép ngoài của trắc ngang, đường sóng đổ trên hình 25.2 cũng sẽ lớn hơn khi sóng cao hơn, cả hai hiệu ứng này dẫn đến việc trắc ngang bãi sẽ kéo dài trong điều kiện sóng lớn, nguy hiểm

Thời gian cần thiết để hình thành nên một trắc ngang ổn định thường phụ thuộc vào điều kiện cụ thể Các điều kiện sóng hay mực nước (triều) biến đổi quá nhanh không cho phép hình thành nên trắc ngang cân bằng Như vậy luôn có các trắc ngang cân bằng biến đổi Những biến đổi có thể dẫn đến dạng trắc ngang cho một chu kỳ triều, trắc ngang mùa đông, hay mùa hè mà những người thường xuyên đến các bãi biển có thể nhận thấy được

Nếu như chu kỳ kéo dài với các điều kiện trung bình bao quát cho một vài năm,

ta có thể thấy các điều kiện biên thuỷ lực trở nên ổn định và dẫn đến trắc ngang tương ứng; những biến đổi của dạng trắc ngang bãi lâu năm thường không đáng kể Những biến đổi với chu kỳ nhỏ hơn (mùa hay sau một cơn bão) có thể xem như các nhiễu Tuy nhiên đối với các trắc ngang trong điều kiện cân bằng thuỷ lực, các nhiễu đó có thể trở nên quan trọng, chúng ta sẽ trở lại vấn đề này ở phần tiếp theo

và trong chương 30

Mỗi khi có trạng thái cân bằng thuỷ lực, chuyển động trầm tích luôn xẩy ra dọc theo đường trắc ngang; các vật liệu bị xói tại một điểm nào đó sẽ dẫn đến bồi cho một điểm nào khác Sự xuất hiện và tốc độ xói, bồi cục bộ này hầu như không thể

dự báo được

Các đường trắc ngang mùa nêu trên (mùa đông hay mùa hè) thường được dẫn

ra trong các tài liệu về địa mạo biển Các đường trắc ngang mùa hè thường thuộc loại bồi tụ Điều này chỉ đúng cho các các đới gần mép nước yên tĩnh; các trầm tích lắng đọng tại đây được lấy từ nguồn xói từ biển khơi nhằm đảm bảo cân bằng khối lượng Các đường trắc diện mùa đông thường được xem thuộc loại xói lở Sự khác biệt về các đường trắc ngang nêu trên thường xẩy ra đối với những khu vực có thuỷ triều yếu với sự khác biệt rõ ràng của chế độ sóng trong năm Dọc theo bờ biển Hà Lan, sự khác biệt về chế độ sóng như trên thường không rõ nét vì vậy sự khác nhau

về dạng đường trắc ngang bãi không thể hiện rõ

Sử dụng các kiến thức trình bày tại đây, ta có thể hiểu được những gì xẩy ra đối với bãi biển thông qua kết quả quan trắc nhiều lần Trên hình 25.3 cho ta thấy hướng vận chuyển cơ bản của nước và trầm tích trên bãi biển

Hình 25.3 Chuyển động của cát và nước trong điều kiện thời tiết bình thường trong đới sóng đổ

25.4 Thành tạo các đụn cát

Các đụn cát thường tạo nên một vai trò quan trọng trong đường trắc ngang phức tạp của bãi Trong các điều kiện bình thường, gió là nguyên nhân chủ yếu tạo nên vận chuyển vật liệu của các đụn cát (Vai trò chủ yếu này của sóng và dòng chảy được khẳng định đối với các phần còn lại của trắc ngang) Các hạt cát khô và nhiều khi cả cát ẩm đều bị gió cuốn theo Gió thổi vào bờ chuyển các hạt cát từ bãi vào các đụn, và các đụn này ở một số khu vực có thể đạt tới kích thước rất lớn với độ cao hàng chục mét

Các đụn cát có thể đóng một vai trò quan trọng bảo vệ các vùng đất thấp phía trong đối với các tác động trực tiếp của biển Trong các điều kiện như vậy- khá phổ biến đối với Hà Lan- các biện pháp quản lý các đụn cát trở nên cốt lõi Các đụn cát

có thể được ổn định thông qua việc trồng cây hoặc các công trình bảo vệ phổ biến khác

Hướng gió ngự trị so sánh tương đối với hướng đường bờ cũng có vai trò quan trọng đối với sự hình thành và ổn định của các đụn cát Điều này có thể minh hoạ

đối với bờ biển Hà Lan với hướng gió nam ngự trị Các đụn cát phát triển tốt tại bờ tây Hà Lan do gió thổi gần như vuông góc bờ Ngược lại, các đụn cát trên bờ các đảo Wadden phía bắc Hà Lan thường không nhiều Tại các khu vực này gió thổi gần như song song đường bờ

25.5 Xói mòn các đụn cát

Trong điều kiện thời tiết bình thường phần đụn cát trong tổng thể trắc diện ngang đợc xem tương đối độc lập so với các phần còn lại Trong điều kiện bão - đặc biệt tại các khu vực như phía nam Biển Bắc nơi bão có thể làm tăng mực nước đáng

kể – thì mức độ độc lập tương đối bị phá huỷ Mực nước trong bão cao hàng mét

176

mét so với mực nước trung bình đo được vào thời kỳ lũ lụt lịch sử 1953; 4 mét là mực nước thiết kế được áp dụng hiện nay tại Hà Lan

Dưới các điều kiện như vậy, các đụn cát bị sóng tác động trực tiếp dẫn đến sạt

lở - điều này được thể hiện trên hình 25.4 Vào thời điểm bắt đầu sạt lở, đường trắc diện bãi có thể dốc hơn so với đường cân bằng tương ứng với mực nước bão và sóng Các vật liệu bị xói từ thân đụn sẽ bồi lắng phần ngoài theo hướng hình thành trắc diện cân bằng Sạt lở mép ngoài của đụn cát hình thành nên bờ dốc đứng đặc trưng cho các đụn cát bị sạt lở Thông thường do các cơn bão xẩy ra nhanh nên nó không cho phép hình thành trắc diện cân bằng hoàn chỉnh Nhiều trường hợp, trong điều kiện cực trị dọc bờ Hà Lan (mực nước bao gồm cả triều vào khoảng 5 mét trên mực trung bình và độ cao sóng đặc trưng khoảng 8 mét) hàng trăm mét khối cát có thể

bị sạt lở trên 1 mét độ dài bờ chỉ trong vài ba giờ Trường hợp đặc biệt, có thể xói

Hình 25.4 Xói lở đụn cát

Quy định thiết kế đối với các đụn cát dọc bờ Hà Lan đã được đưa ra vào năm

1982 Với quy định này việc thiết kế các công trình bảo vệ bờ trên cơ sở các đụn cát

đã trở thành một nhiệm vụ đầy thách thức

Mỗi khi các phân tích cho thấy rằng sự hình thành các đụn cát có thể xem tương thích với các điều kiện thiết kế có thể sử dụng chúng như công trình nhân tạo bảo vệ bờ Điều này sẽ được bàn luận thêm trong chương 30

do ảnh hưởng tương đối nhỏ của sóng trung bình, vận tốc V(z,t) có giá trị trung bình theo thời gian khác zero trong một chu kỳ sóng Nồng độ trầm tích trong dòng chảy cũng được xem là khá ổn định và là kết quả của dòng chảy không ổn định Điều này dẫn đến việc sử dụng phương trình 25.01 trong dạng:

(

h

dz t z V t z c

t

Với sai số không lớn lắm có thể thay các gía trị trung bình theo thời gian (được

ký hiệu bằng gạch ngang trên đầu):

(

h

dz z V z c S

Dòng chảy dọc bờ này tập trung chủ yếu trong đới sóng đổ và chính nó gây nên vận chuyển trầm tích tại đây Phương pháp tính toán dòng chảy này được trình bày kỹ trong tập II; tại đây chỉ cần phân tích rằng dòng chảy trong đới sóng đổ dẫn đến dòng vận chuyển trung bình đôí với trầm tích dọc bờ

Do chuyển động sóng trong đới sóng đổ gần như vuông góc với dòng chảy tổng cộng, ảnh hưởng chủ yếu của sóng dẫn đến mất mát vật liệu trên bãi và làm tăng thành phần nồng độ trầm tích trong công thức 26.02

Chỉ với những kiến thức vừa trình bày, việc tính toán tốc độ vận chuyển trầm