trường đại học khoa học tự nhiên ROY LEWIS quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo... Quyển sách ‘Quá trình phát tán vật chất tron
Trang 1trường đại học khoa học tự nhiên
ROY LEWIS
quá trình Phát tán vật chất
trong các cửa sông
và vùng nước ven bờ
Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo
Trang 2hµ néi 2004
Trang 4Lời người dịch
Khu vực cửa sông ven bờ là nơi tập trung dân cư đông đảo và các hoạt động kinh
tế sôi động, có thể kể đến vô số những thành phố lớn, những cảng lớn, những trung tâm văn hoá và thương mại lớn như New York, Amsterdam, Singapore, Saint Peterburg, Marseile đều nằm trên vùng cửa sông ven bờ Cửa sông và vùng ven bờ là những khu vực có chế độ thuỷ thạch động lực, nhiệt muối, hoá sinh rất phức tạp vì những khu vực này chịu tác động của cả sông và biển Do vậy việc nắm bắt các yếu tố thiên nhiên và môi trường nơi đây là việc làm không thể thiếu, thu hút sự đầu tư của các nhà quản lý, hoạch
định chính sách và sự quan tâm của các nhà khoa học Để nghiên cứu vùng cửa sông và ven bờ trước hết cần có những hiểu biết nhất định về Hải dương học và Thuỷ văn học Ngoài ra cần vận dụng khá nhiều kiến thức về Toán học, Cơ học chất lỏng và Thuỷ lực học và Thuỷ động lực học để bổ sung Mặc dù tại các nước tiên tiến, việc nghiên cứu vùng này rất được chú trọng nhưng do những đặc thù phức tạp của nó, các kết luận khoa học thường được phát biểu một cách dè dặt Do những nhu cầu phát triển kinh tế và quốc phòng của nước ta, việc nghiên cứu cửa sông ven bờ càng dần được chú trọng
Quyển sách ‘Quá trình phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ’ của Roy Lewis là một quyển sách trình bày những kiến thức cơ bản về thuỷ động lực và lan truyền chất, có những khảo sát chuyên sâu về một số khía cạnh nào đó, có những minh hoạ bằng thực nghiệm trong phòng cùng những số liệu đo đạc ngoài hiện trường
Đặc biệt cuốn sách phân tích khá sâu sắc các quan điểm khoa học khác nhau về quá trình khếch tán vật chất, cùng những gợi ý nghiên cứu triển khai trong tương lai cho người đọc Các học sinh năm cuối chuyên ngành hải dương, thuỷ văn, môi trường hoặc các lĩnh vực liên quan có thể coi đây là một tài liệu học tập tốt Cuốn sách cũng bổ ích đối với các nghiên cứu sinh Trong quá trình dịch, người dịch cố gắng bám sát nội dung một cách triệt để Tuy vậy, do cách hành văn có dụng ý của tác giả, một số thuật ngữ chuyên môn chưa thông dụng và kiến thức còn hạn chế nên việc dịch không phải dễ dàng và chắc chắn không tránh khỏi sai sót, những chỗ chưa có thuật ngữ tiếng Việt chính xác người đọc có thể vận dụng theo ngôn từ mà một số ngành liên quan đã sử dụng, hoặc suy luận theo ngữ cảnh
Người dịch cám ơn Khoa KT- TV- HDH, Trường Đại học KHTN đã tạo điều kiện thực hiện công việc, cám ơn PGS TS Đinh Văn Ưu đã hiệu đính, cám ơn các đồng nghiệp
đã có những góp ý kể cả phê phán và xây dựng
Người dịch Nguyễn Thọ Sáo
Trang 5Mục lục
Lời người dịch 5
Mục lục 6
Lời nói đầu 12
Lời cảm ơn 15
Chú giải 16
chương 1 Giới thiệu 20
1.1 Những trạng thái phát tán tiêu biểu 20
1.2 Tính tương tự giữa khuyếch tán phân tử và khuyếch tán rối 21
1.2.1 Khuyếch tán rối 21
1.2.2 Độ nhớt rối 23
1.2.3 Những điều kiện để chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối 25
1.2.4 Hiệu ứng của quá độ đối với phân bố vận tốc 28
1.3 Đánh giá hiệu ứng của phát tán lên sự pha loãng 30
Phát tán trượt 30
ứ ng dụng cho sự pha loãng trong sông 31
ứ ng dụng cho sự pha loãng trong môi trường biển 35
1.4 Cấu trúc của quyển sách 36
chương 2 Động lực học chất lỏng - Dòng chảy đồng nhất 38
2.1 Giới thiệu 38
2.2 Dòng chảy ổn định 39
2.2.1 Dòng đều 39
2.2.2 Phương trình Bernoulli 40
2.2.3 Năng lượng đặc trưng của dòng chảy 43
2.2.4 Nước nhảy thủy lực 45
2.2.5 Dòng chảy biến đổi dần dần 48
Trang 62.2.6 Phương trình của dòng chảy biến đổi dần dần 50
2.3 Các hiệu ứng lớp biên 53
2.3.1 Trạng thái của những lớp biên 53
2.3.2 áp suất động lực 54
2.3.3 Hệ số cản 56
2.3.4 Phân bố lôgarít của vận tốc 57
2.3.5 Gradient áp suất thuận và nghịch 59
2.3.6 Vết xoáy 62
2.3.7 Các hoàn lưu thứ cấp 64
2.4 Dòng chảy biến đổi theo thời gian 65
2.4.1 Thay đổi độ sâu và dòng chảy theo thủy triều 65
2.4.2 Những phương trình chuyển động tổng quát 66
2.4.3 Sóng tiến 66
2.4.4 Cân bằng năng lượng sóng 68
2.4.5 Biến dạng sóng 69
2.4.6 Dòng dư 71
2.4.7 Năng lượng rối phát sinh từ đáy 74
2.4.8 Tiêu tán năng lượng thủy triều 74
2.4.9 ứng suất trượt biến đổi theo thời gian 77
2.5 Tóm tắt 80
Vận tốc tuyệt đối 80
Trượt vận tốc 80
Xáo trộn do rối 80
Chương 3 Động lực học chất lỏng - Dòng chảy phân tầng 82
3.1 Giới thiệu 82
3.2 Các nguyên nhân ổn định 83
3.2.1 ổn định do sự đốt nóng mặt nước 83
3.2.2 Sự phát triển tính ổn định trong dòng chảy hai lớp 85
3.2.3 Sự ổn định trong một dòng chảy liên tục phân tầng 86
3.2.4 Công thức đối với hoàn lưu thẳng đứng ổn định 89
3.3 Những nguyên nhân bất ổn định 92
3.3.1 Sóng nội 92
3.3.2 Dòng chảy hai lớp 95
3.3.3 Nước nhảy thuỷ lực nội 97
3.3.4 Rối sóng cuộn 99
3.3.5 Sóng Holmboe 100
3.4 Phát sinh và tiêu tán cục bộ năng lượng rối 100
3.4.1 Khái niệm về phát sinh và tiêu tán cục bộ 100
3.4.2 Mức độ phát sinh năng lượng rối 101
Trang 73.4.3 Thay đổi phân tầng do xáo trộn 102
3.4.4 Tiêu chuẩn duy trì của rối 103
3.5 Giới hạn đối với phát sinh năng lượng rối 105
3.5.1 Tắt dần do phân tầng 105
3.5.2 Lý thuyết trượt không đổi 107
3.5.3 Lý thuyết trượt biến đổi 110
3.6 Năng lượng rối phát sinh từ xa 112
3.6.1 Số Richardson tổng hợp 112
3.6.2 Điều kiện đối với sự bất ổn định mặt phân cách 113
3.6.3 Điều kiện đối với xáo trộn trong dòng chảy phân tầng 114
3.6.4 Những đóng góp tương đối của đáy và mặt phân cách 116
3.7 Tóm tắt 118
Chương 4 Khuyếch tán rối 120
4.1 Trạng thái chuyển động rối 120
4.2 Các thuộc tính trung bình của trường rối 121
4.2.1 Phân tách rối và những điều kiện trung bình 121
4.2.2 Khái niệm quãng đường xáo trộn 122
4.2.3 Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát 123
4.3 Các thuộc tính thống kê của trường rối 125
4.3.1 Những cách tiếp cận Euler và Lagrange 125
4.3.2 Khuyếch tán từ một nguồn liên tục 126
4.3.3 Khuyếch tán đốm loang rời rạc 129
4.3.4 Lý thuyết cân bằng vạn năng 132
4.3.5 Sự tách ra của hạt trong rối đồng nhất 134
4.3.6 Phổ năng lượng 136
4.4 Tóm tắt 138
Chương 5 Quá trình phát tán trượt 139
5.1 Khái niệm cơ bản 139
5.2 Phát tán trạng thái ổn định 144
5.2.1 Trượt thẳng đứng dọc theo dòng chảy trung bình 144
5.2.2 Trượt thẳng đứng vuông góc với dòng chảy trung bình 151
5.2.3 Trượt theo hướng vuông góc với dòng chảy trung bình 153
5.3 Dòng chảy trượt không ổn định 154
5.3.1 Phát tán trong dòng chảy nhiễu động 154
5.3.2 Xáo trộn thẳng đứng chậm 156
5.3.3 Xáo trộn thẳng đứng nhanh 157
Trang 85.3.4 Hiệu ứng của thay đổi vận tốc xáo trộn 158
5.4 Những ví dụ phân bố vận tốc tiêu biểu 159
5.4.1 ứng dụng của lý thuyết phát tán trượt 159
5.4.2 ứng dụng đối với phân bố vận tốc tuyến tính 159
5.4.3 Phân bố theo quy luật số mũ 161
5.4.4 ứng dụng đối với những phân bố trong môi trường biển 162
5.5 Tóm tắt 164
Chương 6 Mô hình hóa quá trình phát tán 166
6.1 Giới thiệu 166
6.2 Pha loãng và cuốn theo bằng tia 167
6.3 Phát tán đốm loang 169
6.3.1 Phương pháp thể hiện Gauss 169
6.3.2 Nguồn có chiều rộng hữu hạn 171
6.4 Phát tán những vệt loang 172
6.4.1 Vệt loang Gauss 172
6.4.2 Cho phép đối với giới hạn biên 173
6.4.3 Nguồn có chiều rộng hữu hạn 176
6.5 Những mô hình ngẫu hành 176
6.6 Những mô hình cửa sông một chiều 180
6.6.1 Giới thiệu 180
6.6.2 Mô hình lăng trụ thủy triều 182
6.6.3 Mô hình so sánh độ mặn 186
6.6.4 Những mô hình trạng thái ổn định 188
6.6.5 Những mô hình biến đổi theo thời gian 193
6.7 Những mô hình cửa sông hai chiều -trung bình hướng ngang 194
6.7.1 Thiết lập mô hình 194
6.7.2 Các phương trình cơ bản 195
6.7.3 Phương pháp giải 196
6.8 Những mô hình cửa sông hai chiều - trung bình độ sâu 198
6.9 Những mô hình ba chiều 199
6.10 Tóm tắt 200
Chương 7 Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc 202
7.1 Giới thiệu 202
7.2 Những chất chỉ thị được giới thiệu 203
7.2.1 Kỹ thuật thực nghiệm 203
Trang 97.2.2 Các ví dụ ứng dụng 208
7.3 Những chất chỉ thị tự nhiên 217
7.3.1 Kỹ thuật thực nghiệm 217
7.3.2 Ví dụ ứng dụng 220
7.4 Những quan trắc bổ trợ 221
7.4.1 Định vị vị trí 221
7.4.2 Quan trắc tại điểm cố định 223
7.4.3 Chuyển động Lagrange 226
7.4.4 Viễn thám 227
Chương 8 Nghiên cứu những hệ thống xáo trộn mạnh 229
8.1 Giới thiệu 229
8.2 Kỹ thuật phân loại cửa sông 230
8.3 Phát tán quy mô thời gian ngắn 233
8.3.1 Điều kiện không được kiểm soát bởi sự trượt 233
8.3.2 Hiệu ứng của kích thước xoáy 235
8.3.3 Phát tán tuyệt đối và tương đối 246
8.4 Phát tán có quy mô thời gian trung bình 248
8.4.1 Những điều kiện được kiểm soát bởi sự trượt nội thủy triều 248
8.4.2 Những hệ số khuyếch tán hiệu quả 250
8.4.3 Đóng góp của trượt đối với quá trình phát tán dọc 257
8.4.4 Đóng góp của trượt đối với phát tán hướng ngang 261
8.5 Phát tán quy mô thời gian dài 264
8.5.1 Phát tán dọc 264
8.5.2 Phát tán hướng ngang 265
8.6 So sánh với những điều kiện môi trường 267
8.6.1 Sự thích nghi với điều kiện xung quanh 267
8.6.2 Nguyên nhân biến thiên của Kxe, Kye 271
8.7 Tóm tắt 272
Chương 9 Nghiên cứu những hệ thống phân tầng 274
9.1 Giới thiệu 274
9.2 Những fio và cửa sông nêm mặn 276
9.2.1 Các đặc tính của cửa sông nêm mặn 276
9.2.2 Chuyển động khi triều lên trong cửa sông nêm mặn 278
9.2.3 Chuyển động khi triều xuống trong cửa sông nêm mặn 282
9.2.4 Các đặc trưng của fio 287
9.2.5 Dòng chảy vào và dòng chảy ra từ những fio 288
Trang 109.2.6 Nghiên cứu phát tán trong các fio và cửa sông phân tầng 290
9.3 Dòng chảy ra từ cửa sông 291
9.3.1 Đặc trưng của những dòng chảy ra 291
9.3.2 Xáo trộn vệt loang chảy ra 293
9.3.3 Phát tán dài hạn trong nước ven bờ 298
9.4 Các front 307
9.4.1 Giới thiệu 307
9.4.2 Các front xáo trộn thủy triều 308
9.4.3 Các front vệt loang 311
9.4.4 Các front trượt 312
9.5 Tóm tắt 316
Chương 10 Nghiên cứu những hệ thống phân tầng một phần 317
10.1 Giới thiệu 317
10.2 Quá độ 318
10.2.1 Sự thích ứng của phát tán đối với những mức độ rối khác nhau 318
10.2.2 Hiện tượng quá độ và sự phát triển của rối 322
10.2.3 Chất chỉ thị như một biện pháp lấy trung bình 324
10.3 Thực nghiệm nguồn muối 325
10.3.1 Nguồn muối 325
10.3.2 Hệ số phát tán 332
10.4 Các giá trị nhỏ nhất đối với phát tán hướng ngang 334
10.5 Nghiên cứu tương lai đối với phát tán trong môi trường biển 338
10.6 Tóm tắt toàn bộ 338
Tài liệu tham khảo 340
Trang 11Lời nói đầu
Vào ngày đầu tiên trong nghiên cứu sau đại học của tôi, giáo viên hướng dẫn tôi, giáo sư Kenneth Bowden, nói: 'Tôi muốn bạn khảo sát khía cạnh cơ bản nào đó của xáo trộn thẳng đứng có sử dụng một chất chỉ thị màu phát quang' Dường như vào thời gian
đó, đây là một đòi hỏi rất thẳng thắn - đơn giản là đổ chất màu nào đó vào biển và sử dụng một máy đo độ phát quang để xác định xem nó nhanh chóng xáo trộn theo độ sâu
đến đâu - thật dễ dàng!
Ba mươi năm sau, sự tiến bộ trong hiểu biết về xáo trộn thẳng đứng có vẻ chậm trễ một cách khó tin Chúng ta vẫn còn gặp khó khăn lớn trong việc định lượng mức độ xáo trộn thẳng đứng trong biển, mặc dầu các nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định rằng quá trình này có tầm quan trọng hàng đầu đối với việc pha loãng các chất được thải vào môi trường biển Câu hỏi đặt ra là tại sao vấn đề này lại khó khăn đến như vậy?
Các năm trước đây đã có xu hướng xem biển như một khối nước lớn được xáo trộn
kỹ, chuyển động cùng với thủy triều một cách đều đặn và có thể dự đoán được Nhận thức này có thể ít nhất một phần là do những nhà lý thuyết đã đơn giản hóa toán học của họ với giả thiết rằng rối trong biển là đồng nhất theo phương nằm ngang và phương thẳng
đứng Trong các cửa sông, đã rõ rằng chuyển động thẳng đứng của rối bị tắt dần ở một phạm vi nào đó bởi sự phân tầng, được tạo ra do nước sông chảy tràn trên nước mặn hoặc
do việc làm ấm tầng nước mặt Có thể nhận thức đúng đắn rằng sự tắt dần này của rối phải dẫn đến việc giảm mức độ xáo trộn thẳng đứng, cũng như sự yếu đi của xáo trộn rối ngang, nhưng lại chưa bao giờ nhận ra rằng khó mà thu được một mối quan hệ giữa mức
độ xáo trộn và mức độ phân tầng hiện có
Những khảo sát thực nghiệm trong cả ba thập niên đã qua thể hiện một số phức tạp của những quá trình trong các cửa sông và vùng nước ven bờ Thậm chí sự phân tầng tương đối yếu có thể ảnh hưởng đến cường độ rối và biến đổi vận tốc, hoặc sự trượt, trên toàn bộ độ sâu Các hệ thống không trở nên ổn định hơn khi phân tầng tăng lên Phân tầng làm giảm mức độ truyền động lượng trong các lớp thẳng đứng đang có, chỉ với một khác biệt nhỏ về mật độ giữa chúng, để trượt qua nhau như thể được 'bôi trơn'; nó làm tăng độ trượt thẳng đứng, lần lượt có thể tạo ra sự bất ổn định dẫn đến tăng thay vì giảm mức độ xáo trộn thẳng đứng
Để bổ sung cho nhận thức đã thay đổi về trạng thái của chuyển động rối trong biển và hiệu ứng phân tầng, có một nhận thức nâng cao về sự tồn tại của những quá trình khác ảnh hưởng đến sự phân bố các chất trong những vùng nước thủy triều Nước có mật
độ khác nhau hợp lại và tuỳ theo điều kiện thủy triều, có thể hình thành những khu vực hội tụ, dọc theo đó vật liệu trôi nổi như bọt, tảo biển và dầu tụ tập lại Những khu vực như vậy cũng có thể làm hạn chế sự lan truyền theo hướng thẳng đứng và hướng ngang
Trang 12của các vật liệu nổi trung tính như hóa chất hoà tan, chất hạt mịn hoặc thực vật phù du
và động vật phù du Thậm chí sóng trên mặt phân cách, khi lan truyền dọc theo biên giữa các lớp nước nổi gần bề mặt và những lớp nước có mật độ lớn hơn ở tầng sâu, có thể tạo nên các đường hội tụ, đôi khi khá rõ đối với người quan sát như những vệt nước trơn tru loang qua mặt nước gợn sóng Sự hình thành của những khu vực hội tụ này dường như phụ thuộc vào những điều kiện đặc biệt của gió và thủy triều nên chúng xuất hiện và biến mất đi phụ thuộc vào những điều kiện môi trường Những điều này làm cho việc dự
đoán xáo trộn của vật chất trong biển rất khó khăn
Như vậy, nhận thức về trạng thái xáo trộn trong khu vực nước ven bờ và cửa sông
đã thay đổi trong nhiều năm, và các phát hiện mới bằng thực nghiệm tiếp tục thay đổi viễn cảnh này Tuy nhiên, nhu cầu định lượng những quá trình xáo trộn trong môi trường biển vẫn còn đó, và điều cơ bản là bất kỳ ai bắt đầu khảo sát sự xáo trộn trong nước có thủy triều cần phải có một cảm nhận đối với sự hiểu biết hiện tại về những yếu tố cơ bản
ảnh hưởng đến xáo trộn Vì môi trường biển biến động như vậy, không thể nói chính xác quy trình và phân tích thực nghiệm nào phải tuân thủ vấn đề đã đặt ra Bởi vậy, quyển sách này không phải là một tài liệu chỉ dẫn - nó mô tả kiến thức hiện nay về các quá trình
ảnh hưởng đến sự xáo trộn và phát tán các chất trong các cửa sông và khu vực nước ven
bờ, để những khảo sát trong tương lai có thể thực hiện với kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng có thể có
Để cung cấp một cơ sở vững chắc nhằm hiểu biết những cơ chế quan trắc được trong biển, ba chương đầu bao trùm một số nét nổi bật về cơ học chất lỏng, xét đến những hiệu ứng phân tầng Điều quan trọng là người đọc cần có những cơ sở nào đấy mà theo đó, rối liên quan đến sự lan truyền chất và cách tiếp cận 'cổ điển’ này được nói đến trong Chương 4 Tiêu điểm của quyển sách là sự phát tán, cơ chế mà trong đó ảnh hưởng kết hợp của rối với sự biến đổi theo không gian của vận tốc trung bình làm tăng cường quá trình pha loãng Vì cơ chế này cơ bản như vậy, Chương 5 đưa ra mô tả tương đối chi tiết
lý thuyết được sử dụng để xem xét quá trình phát tán ở những giai đoạn riêng biệt của quá trình xáo trộn; có lẽ khía cạnh hữu ích nhất là phần cuối của chương, minh họa mức
độ lan truyền chất dưới những điều kiện cho trước của sự trượt vận tốc, và xáo trộn theo hướng thẳng đứng có thể định lượng ở dạng hệ số phát tán như thế nào
Có lẽ không thực tế khi đưa ra những chi tiết về tất cả các loại mô hình đã có để
đánh giá sự pha loãng trong biển - Chương 6 cung cấp một tổng quan để người đọc ý thức
được phạm vi của các mô hình và các giả thiết đơn giản hóa cơ bản mà mọi mô hình đều phải có, vì chúng chỉ mô phỏng xấp xỉ sự phức tạp của tình hình thực tế Hầu như nhất thiết phải có khảo sát thực nghiệm, đặc biệt trong các khu vực mới nghiên cứu, và Chương 7 phác thảo một vài phương pháp đã sử dụng để nghiên cứu quá trình phát tán
và phân tích dữ liệu Ba chương cuối mô tả một vài phát kiến, được công bố trong các tài liệu tham khảo, trong các khảo sát những quá trình trong các cửa sông và nước ven bờ, nổi bật đối với xáo trộn vật chất; nói rộng ra, những nghiên cứu này được phân chia thành những kết quả theo những điều kiện xáo trộn mạnh, phân tầng và xáo trộn từng phần Điều quan trọng là người đọc ít nhất phải có hiểu biết tổng quát về những quá trình này vì một số trong số chúng có thể có tác động trong khu vực nghiên cứu