Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 10 doc

Mặc dù dòng chảy mật độ chỉ thể hiện một yếu tố phát sinh trượt thẳng đứng, những thực nghiệm rõ ràng thể hiện tầm quan trọng của rối biến đổi theo thời gian trong việc điều khiển độ lớn

độ trượt tương đối thấp Thuật ngữ 'thấp' phải được sử dụng với sự cân nhắc, vì nước xáo trộn mạnh liên quan đến những dòng chảy mạnh có thể phát sinh trượt đáng kể; chính xác hơn cần nói rằng độ trượt trên đơn vị 'dòng chảy trung bình độ sâu' là thấp Tổng quát, phát tán trong những điều kiện đồng nhất liên quan đến xáo trộn mạnh và độ trượt thấp

Ngược lại, phát tán trong những dòng chảy phân tầng, như đã xét trong Chương 9, phụ thuộc đáng kể vào xáo trộn và sự trượt qua mặt phân cách mật độ, ngoài ra là rối phát sinh bởi ma sát biên Sự trượt mặt phân cách gây ra những bất ổn định phát sinh rối cường độ cao, thường là gián đoạn, trong khu vực lân cận nêm mật độ Hơn nữa, việc tạo thành những bất ổn định này được trợ giúp bởi sự trượt qua nêm mật độ, mà đến lượt nó

được tăng cường bởi động lượng thẳng đứng, động lượng này bị giảm dưới những điều kiện phân tầng Như vậy phát tán trong dòng chảy phân tầng liên quan đến xáo trộn yếu

định, và do xáo trộn trở thành dòng chảy khác trong một chu kỳ thời gian ngắn, sự xuất hiện ngẫu nhiên của những sự kiện này không đúng với mức độ trật tự vốn có Khía cạnh này sẽ được thảo luận trong mục 10.3.1 về nguồn muối cửa sông, có thể phát biểu đơn giản là điều kiện mà độ mặn trung bình trong một chu kỳ dài tại một vị trí đã cho trong cửa sông không đổi Nguồn muối sẽ sử dụng để chỉ ra có thể sử dụng phân bố độ mặn như một đánh giá ban đầu những đặc trưng phát tán của một hệ thống như thế nào Trong nước ven bờ những khác biệt độ mặn có thể không đủ để xác định những gradient khuyếch tán một cách chính xác và những nghiên cứu phát tán dựa trên một chất chỉ thị

được trình bày Bởi vậy, mục tiếp theo khảo sát việc các thực nghiệm chất chỉ thị đã chỉ

ra phạm vi những hệ số phát tán trong những điều kiện khác nhau của dòng chảy và sự

ổn định ra sao Những phát hiện này sẽ được thảo luận dưới ánh sáng của hiểu biết hiện tại về môi trường biển cục bộ Tại điểm này sẽ trở nên rõ ràng đối với người đọc là sự hiểu biết thật sự về phát tán, những nguyên nhân và những hiệu ứng của nó, là một quãng

đường dài phải đi Bởi vậy, chương này kết luận bằng một vài nhận xét về những con

đường có thể nghiên cứu, ít nhất cũng xét đến tiềm năng lớn sử dụng công nghệ mới

10.2 quá độ

10.2.1 Sự thích ứng của phát tán đối với những mức độ rối khác nhau

Trong những chương trước đây đã thể hiện rằng phát tán phụ thuộc vào mức độ xáo trộn và độ lớn của trượt thẳng đứng và nằm ngang Trong chương này sự chú ý tập trung vào trượt thẳng đứng vì đây thường là yếu tố thống trị ở xa những biên ngang như

đường bờ hoặc những hòn đảo Hơn nữa, phân tầng mật độ ảnh hưởng đến phân bố thẳng

đứng của xáo trộn và trượt, và đặc điểm này có mối quan tâm đặc biệt là nghiên cứu quá trình phát tán trong những hệ thống phân tầng một phần

Cũng đã chỉ ra rằng rối sử dụng hiệu ứng phản hồi lên phát tán ở chỗ mức độ tăng rối, và do đó là xáo trộn, tạo ra sự thay đổi phân bố trượt vận tốc, ảnh hưởng lên sự phát sinh về sau của chuyển động rối Mức độ rối trong dòng triều phụ thuộc vào sức mạnh của dòng triều, và bởi vậy mức độ phát tán chất hoà tan phải biến đổi đáng kể trong một chu

kỳ triều Ngoài ra, sự tăng rối gián đoạn đã được quan trắc trong những dòng triều (Heathershaw, 1974) Những sự kiện 'nổ tung' này bền vững với khoảng từ 5 đến 10 giây

và có độ cách giãn là 100 giây

Những thực nghiệm trong phòng của Linden và Simpson (1988) mô tả trong mục 9.4.2 được sử dụng để suy luận sự phát tán thích ứng với những điều kiện xáo trộn khác nhau ra sao, chúng được tạo ra bằng cách cho những bọt không khí khuấy hai lớp trong

bể chứa Sự trượt vận tốc có trách nhiệm với phát tán phát sinh bởi sự xâm nhập của nước mặn dưới một lớp nước ngọt; điều này tạo nên dòng chảy mật độ (tà áp) Hai khía cạnh được khảo sát - trước hết, sự thích ứng của phát tán với khoảng thời gian của chu kỳ xáo trộn , bằng tần số tại đó dòng không khí được mở và ngắt xen kẽ, và thứ hai, sự thích ứng của phát tán đối với sức mạnh của lực điều khiển tà áp Tham số này cho bằng





ρ

ρ

trong đó H là độ sâu nước và u’t là cường độ rối rms (root mean square - căn bậc hai trung bình bình phương – ND) liên quan đến bọt Hệ số phát tán dọc K(B) xác định cho những giá trị khác nhau của  và B, và chuẩn hóa bằng cách sử dụng những giá trị K(0) là hệ số phát tán chỉ do bọt Hình 10.1 cho thấy hình vẽ kết quả

Những phát hiện chỉ ra rằng đối với một giá trị đã cho của B, tỷ lệ K(B)/K(0) tăng khi chu kỳ gián đoạn  của rối tăng Điều này được quy cho sự trượt tăng cường giữa hai lớp khi những bọt được ngắt, cho phép dòng chảy mật độ tăng tốc Tỷ lệ K(B)/K(0) cũng

tăng cùng với sự tăng của B với một giá trị cố định của , như thể do việc cường hoá hoàn lưu tà áp bởi những gradient mật độ lớn hơn Mặc dù dòng chảy mật độ chỉ thể hiện một yếu tố phát sinh trượt thẳng đứng, những thực nghiệm rõ ràng thể hiện tầm quan trọng của rối biến đổi theo thời gian trong việc điều khiển độ lớn phát tán dọc

Hình 10.1 Hệ số phát tán dọc K(B) được chuẩn hóa bởi K(0), giá trị chỉ do những bọt, vẽ theo tham số B tà

áp Những chữ thập tương ứng với dòng chảy trong đó rối không thay đổi theo thời gian; những điểm khác tương ứng với dòng chảy rối tuần hoàn với ba chu kỳ dao động khác nhau (Theo Linden và Simpson,

1988, với sự cho phép thân thiện của Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Kidlington 0X1 1GB, Vương

quốc anh)

Những quan trắc trong các cửa sông phân tầng một phần đã chỉ ra rằng cấu trúc vận tốc và mật độ có thể trải qua những biến đổi đáng kể trong thời gian một chu kỳ thủy triều, dẫn đến những thay đổi rõ rệt hệ số khuyếch tán dọc hiệu quả Kxe (West và Mangat, 1986; West và Shiono, 1988) Đã thấy trong những mục 9.2.2 và 9.2.3 rằng, những thay đổi đáng kể và đôi khi nhanh của cấu trúc mật độ và vận tốc có thể xuất hiện trong các cửa sông nêm mặn Chúng được gọi là những chu kỳ xáo trộn mạnh (IMP), được quan trắc trong những hệ thống phân tầng một phần Ví dụ, những quan trắc tại Blue House Point trong cửa sông Tees, phía Đông Bắc nước Anh, chỉ ra rằng một IMP bắt đầu xuất hiện vào khoảng 11,00 giờ, ứng với 1,5 giờ sau nước lớn (hình 10.2) (New và nnk.,

1986 ) Tại vị trí này sự chuyển động mạnh về phía biển của nước mặt được dự kiến gây

ra sự phân tầng tăng cường trong thời gian triều xuống, khi nước nhiễm mặn được mang

về phía biển trên lớp có độ mặn thấp hơn

Hình 10.2 Biến đổi độ mặn trong cửa sông Tees khi triều xuống, cho thấy sự xáo trộn hướng lên của muối

mặt nước s 0 , muối tại đáy s b (Theo New và nnk., 1986, được sự đồng ý của Academic Press)

Tuy nhiên, như thấy trong hình vẽ, việc bắt đầu xáo trộn mãnh liệt làm cho nêm mặn sẽ bị mòn xuống dưới, mang muối nhiều hơn lên nước gần mặt Sự xáo trộn mạnh này tiếp tục cho đến khoảng 5 giờ sau nước lớn, bằng thời gian đó cột nước gần như đồng nhất và bất kỳ sự xáo trộn tiếp theo nào cũng có hiệu ứng không đáng kể lên phân bố độ mặn nước mặt

Như đã thấy, sự phát triển của rối mạnh có thể làm cho cửa sông phân tầng một phần, ít nhất cũng là cục bộ, để thay đổi trạng thái xáo trộn mạnh Sự thâm nhập của muối khi triều lên, kèm theo sự xáo trộn ít rõ rệt hơn, sau đó có thể trả lại hệ thống về trạng thái phân tầng một phần của nó; quá trình này tương đương với thực nghiệm xâm nhập mặn của Linden và Simpson (1988) Phải nhớ rằng xáo trộn mãnh liệt xuất hiện

đáng chú ý nhất khi triều xuống trong các nhánh giữa của những hệ thống như vậy, nhưng như được ghi chú trong mục 9.2.3, trong các nhánh cao hơn của một vài cửa sông,

có xu hướng đồng nhất khi triều lên và phân tầng khi triều xuống (ví dụ sông Tamar tại phía Tây Nam nước Anh (West và nnk., 1990))

Một chuỗi những bất ổn định trong dòng chảy phân tầng có thể có nguyên nhân khác, và như được đề cập bởi Thorpe (1987), những bất ổn định với nguyên nhân khác nhau thậm chí có thể xuất hiện tại cùng một chỗ và cùng một thời gian Phân bố chi tiết trong một nhánh sông phân tầng một phần của cửa sông Tees cho thấy một số hiện tượng xáo trộn, có lẽ do các nguyên nhân khác nhau (hình 10.3) (Lewis, 1996) Khoảng một nửa chặng triều xuống (tức là 12,30 giờ), cấu trúc độ mặn trải qua một thay đổi đáng kể; sự phân kỳ của đường đẳng mặn tại khoảng 2,0 m độ sâu giả thiết rằng nó xuất hiện từ sự bất ổn định mặt phân cách Dựa vào những số Richardson gradient và tổng hợp đã quan trắc, có vẻ sự kiện xáo trộn được thúc đẩy bởi những bất ổn định Kelvin - Helmholtz phát triển tại đáy của nêm mật độ khi số Richardson gradient trở nên nhỏ hơn 0,25 Những

bất ổn định mặt phân cách có thể được trợ giúp bởi sự trượt dòng chảy phát sinh bởi những sóng nội hình thành trong cửa sông Tees Sau đó cột nước trở nên đồng nhất và

được quy cho rối phát sinh tại đáy, có khả năng xáo trộn muối và nước ngọt trên toàn bộ

độ sâu, khi những bất ổn định mặt phân cách đã phá vỡ rào chắn hình thành bởi nêm mặn

Hình 10.3 Sự biến đổi theo thời gian trong phân bố độ mặn tại một vị trí trong cửa sông Tees (Theo Lewis

và Lewis trong Hiệu ứng nổi trong Động lực học Ven bờ, 1997, bản quyền của Hiệp hội Địa vật lý Mỹ)

Sự đồng nhất bởi những bất ổn định chỉ do những sóng cuộn K - H có vẻ không chắc bởi vì năng lượng trong những đặc tính như vậy là không đầy đủ Mặc dầu hình 10.3 chỉ thể hiện sự thay đổi theo thời gian trong cấu trúc tại một điểm xác định, những quan trắc bằng hồi âm chỉ ra rằng những thay đổi lớn hơn trong phân bố độ mặn đã xuất hiện tại những thời điểm tương tự dọc theo toàn bộ nhánh sông 2 km, nói lên rằng bình lưu

đơn giản của nước xáo trộn đi qua điểm đo không phải là lý do cơ bản của những biến đổi trong cấu trúc độ mặn quan trắc được

Khi triều lên, những sóng cuộn K - H xuất hiện để phát triển trên mặt phía trên của nêm mặn đang đến (hình 10.3) Tại xấp xỉ một nửa pha triều lên một vài bất ổn định rất lớn phát triển, làm tăng nhanh độ mặn mặt nước; nguyên nhân của những đặc điểm chính này, đã được quan trắc trong những trường hợp khác, vẫn chưa được biết nhưng có thể tương tự như những sóng cuộn lớn được quan trắc để hình thành tại mặt trên của vùng xâm nhập mặn trong thực nghiệm ở phòng thí nghiệm (Simpson, 1997)

Một số nghiên cứu sớm nhất về sự bất ổn định nội trong biển là những thực nghiệm được thực hiện trong Địa Trung Hải bởi Woods (1968) Trong các nghiên cứu này, một chất chỉ thị màu phát quang được sử dụng để bám theo một khu vực mỏng của nêm nhiệt, và những thay đổi kế tiếp đối với lớp màu được xác định bằng cách sử dụng chụp

ảnh dưới nước Những thực nghiệm chỉ ra rằng những sóng nội lan truyền dọc theo nêm nhiệt thỉnh thoảng tạo ra những bất ổn định trượt, đục thành các lỗ trong lớp đó một cách hiệu quả Những đo đạc kỹ lưỡng nhiệt độ và dòng chảy chỉ ra rằng những bất ổn định

này thuộc kiểu Kelvin - Helmholtz Tuy nhiên, để dự đoán chính xác ở đâu và khi nào sự

đảo ngược xuất hiện trong toàn bộ lớp mỏng đòi hỏi phải có chi tiết hiện tượng của cấu trúc mật độ và trường sóng nội

Các nguyên nhân có thể có của những chu kỳ xáo trộn mạnh đã được thảo luận trong mục 9.2.3 Mặc dầu vẫn còn phải xác lập những lý do có thể khác nhau từ trạng thái biển này sang trạng thái biển khác (New và nnk., 1986), hiệu ứng của một IMP lên phát tán có tầm quan trọng hàng đầu Khoảng thời gian của một IMP có thể biến đổi từ một vài phút đến vài giờ, như thấy trong cửa sông Tees Hiển nhiên rằng trong những khu vực đó của cửa sông hoặc nước ven bờ thích hợp với xáo trộn mạnh như đã thấy tại những chỗ co hẹp trong cửa sông Fraser, một IMP có thể là một phần đáng kể của chu kỳ thủy triều Tuy nhiên, trong những khu vực thích hợp với những điều kiện phân tầng, khoảng thời gian của bất kỳ IMP nào có thể tương đối ngắn Như vậy điều quan trọng là nhận được sự hiểu biết có thể đúng nào đó và khoảng thời gian của những sự kiện xáo trộn mạnh như vậy nếu định lượng được hiệu ứng toàn bộ lên phát tán

10.2.2 Hiện tượng quá độ và sự phát triển của rối

Một vài thay đổi về trượt và cấu trúc mật độ liên quan đến những trạng thái được tạo ra bởi một ảnh hưởng bên ngoài lên dòng chảy - tức là về nguyên tắc chúng liên quan

đến trạng thái nào đó của thủy triều hoặc địa hình cửa sông, mà có nghĩa là một viễn cảnh nào đó có thể đoán trước Tuy nhiên, những thay đổi khác của trượt và cấu trúc mật

độ xuất hiện từ những bất ổn định mặt phân cách Tại một vị trí đặc trưng dọc theo độ dài cửa sông, mức độ trượt có thể bị ảnh hưởng bởi sự có mặt hoặc vắng mặt của những sóng nội Những sóng này có thể phát sinh tại vị trí từ xa nào đó và sự đi đến của chúng tại điểm quan tâm phụ thuộc vào một tập hợp những yếu tố không đoán trước được như mức độ tiêu tán của sóng, sự phá vỡ tại những vị trí khác và liệu có phải những điều kiện

là đúng để cho chúng phát triển tại chỗ ban đầu! Điều này làm cho 'những bất ổn định phát sinh nội tại‘ không thể dự đoán được một cách hiệu quả Một tổng quan tuyệt vời về

sự phức tạp của vấn đề đã được viết bởi Thorpe (1987)

Mặc dầu việc tạo thành một trạng thái không ổn định có thể do một hoặc vài hiện tượng, kết quả có thể không phải một trạng thái phát triển hoàn toàn của rối Thuật ngữ 'quá độ' được sử dụng để thay đổi từ trạng thái dòng chảy tầng thành một cái gì đó khác rất khó xác định, nhưng kéo theo mức độ lớn hơn đáng kể của chuyển động không đều 'tương tự rối' (Thorpe, 1987) Trong biển hở, sự phát triển của một trạng thái hỗn độn là hiếm có, mặc dầu sự quá độ từ tầng đến dòng chảy rối có thể thường xuyên xuất hiện Thorpe giả thiết rằng những thay đổi cấu trúc mật độ mịn có thể không phải do rối mạnh, nhưng vẫn còn hơn là do sự phân rã chưa đầy đủ của một cấu trúc bị biến đổi, bởi năng lượng lấy từ bất ổn định trước khi đạt được một trạng thái rối phát triển hoàn toàn Không may là việc hiểu biết cái gì xảy ra đối với sự thay đổi năng lượng và dòng khối lượng trong thời gian quá độ thậm chí còn ít hơn đối với những trạng thái trong đó sự quá

độ là hoàn toàn Vấn đề định lượng những thay đổi xuất hiện trong dòng chảy phân tầng

được hợp nhất bằng việc cùng một loại bất ổn định có thể đi qua một số giai đoạn quá độ, mỗi trong số đó có thể tương ứng với những hiệu quả khác nhau của chuyển đổi năng

lượng Đối với việc giải quyết một vấn đề thực tiễn về vận chuyển thẳng đứng và phân bố lại chất hoà tan trong dòng chảy phân tầng, những xem xét như vậy đòi hỏi giá trị đo đạc rối rất chi tiết theo không gian và thời gian Hình 10.4 là một sơ đồ khái niệm quy mô minh họa vai trò của những bất ổn định Kelvin - Helmholtz theo những số Reynolds và Froude khác nhau, dựa vào thực nghiệm trong phòng và hiện trường

Hình 10.4 Phác họa sự thích ứng của hiện tượng quá độ liên quan đến bất ổn định K - H đối với những biến

đổi của số Reynolds và Froude mặt phân cách (Theo Thorpe, Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý, 92(C5),

5231-5248, 1987, bản quyền của Hiệp hội Địa vật lý Mỹ)

sự kiện xáo trộn đặc trưng, đặc biệt do việc hình thành những điều kiện thúc đẩy sự bất

ổn định, phụ thuộc vào lịch sử đã qua của những sự kiện xáo trộn trong dòng chảy Như vậy, việc sử dụng trực tiếp những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và lý thuyết những quá trình rối để định lượng hiện tượng tương đương trong những trạng thái biển là đặc biệt khó, bởi vì tần số xuất hiện của hiện tượng đó nói chung là không biết, đặc biệt khi những sự kiện xáo trộn đó có thể hiếm

10.2.3 Chất chỉ thị như một biện pháp lấy trung bình

Việc sử dụng chất chỉ thị đã chứng tỏ là con đường hữu ích để đạt được sự thấu hiểu nào đó về hiệu ứng toàn bộ của hiện tượng quá độ lên quá trình phát tán một chất hoà tan Mặc dầu kỹ thuật được thảo luận trong Chương 7 và được minh họa bởi một vài kết quả trong Chương 8 không chỉ ra những chi tiết về tần số và độ lớn của những bất ổn

định, nó cung cấp một phương tiện lấy trung bình ảnh hưởng kết hợp của trượt vận tốc và xáo trộn rối Trạng thái của chất chỉ thị và cách tiếp cận thực nghiệm có thể có hiệu quả

đáng kể về thông tin phát sinh Ví dụ, nếu những khác biệt độ mặn được sử dụng để đánh giá mức độ phát tán, thì phân bố muối sẽ là kết quả của những quá trình phát tán qua một số chu kỳ thủy triều một cách bình thường Những sự kiện xáo trộn đặc trưng như vậy, ví như sự xuất hiện của phát tán đặc biệt thấp vào một ngày đặc trưng, có thể không hiển nhiên khi phân bố toàn bộ của muối được đo một vài ngày về sau Tuy nhiên, nếu một sự kiện quan trọng xuất hiện trong chu kỳ đo đạc, thì cấu trúc đang thay đổi của phân bố độ mặn trở nên hiển nhiên và có thể sử dụng để biết một ít về quá trình xáo trộn, như được minh họa bởi hình 10.3 Kết luận này phụ thuộc vào những quy mô thời gian và không gian được chi tiết hoá một cánh đầy đủ để cho phép hiệu ứng của sự kiện sẽ được phát hiện và định lượng Ví dụ, những đo đạc phân bố độ mặn tại những khoảng một giờ trong một chu kỳ thủy triều không thích hợp cho việc suy xét hiện tượng xáo trộn phát triển và hoàn tất trong 15 phút

Những hiệu ứng trung bình của các quá trình lên quy mô thời gian và không gian nhỏ hơn thường xác định rõ ràng hơn bằng cách sử dụng một chất chỉ thị, như chất chỉ thị màu phát quang Quy mô ban đầu của phân bố màu thẳng đứng có thể nhỏ hơn 1,0 m đủ

để xác định những thay đổi do xáo trộn tại nêm mật độ, như thể hiện bởi Woods (1968) trong nêm nhiệt Địa Trung Hải Khó khăn đối với những thực nghiệm trên quy mô nhỏ là rối có vẻ có mặt ở những quy mô lớn hơn quy mô thực nghiệm, và các xoáy liên quan làm cho chất chỉ thị bị dịch chuyển hoặc thậm chí phá huỷ trong một trạng thái không thể

đoán trước Điều này hầu như chắc chắn là một trong những lý do biến động trong những kết quả nhận được từ thực nghiệm màu Một quá trình đặc trưng làm biến dạng những

đốm loang hoặc vệt loang chất chỉ thị là tác động của trượt dòng chảy và những phương pháp để loại bỏ hiệu ứng này khỏi dữ liệu thực nghiệm được thảo luận trong Chương 8 Thậm chí với 'việc làm sạch' bản ghi dữ liệu này, thường có sự phân tán rõ rệt của mức độ xáo trộn đã đánh giá, nói chung được biểu thị bằng những hệ số khuyếch tán hoặc những vận tốc khuyếch tán

Dù có thừa những điều không chắc chắn liên quan đến những thực nghiệm chất chỉ thị, một vài bức tranh tổng quát nổi bật có giá trị trong việc định lượng độ lớn phát tán trong nước biển Trước hết, những đo đạc độ mặn cho thấy một vài cửa sông có thể có nguồn muối có thể chứng tỏ được và phát hiện này có thể sử dụng để đánh giá những hệ

số phát tán trung bình thủy triều Thứ hai, khi lấy trên nhiều khu vực thuỷ văn khác nhau, có vẻ xuất hiện sự bền vững nhất định về độ lớn của hệ số phát tán hướng ngang, khi chỉ xét những giá trị nhỏ nhất để giảm ảnh hưởng không đều của trượt ngang do gió Hai mục sau lần lượt khảo sát kết quả từ những thực nghiệm độ mặn và chất chỉ thị màu

10.3 thực nghiệm Nguồn muối

10.3.1 Nguồn muối

Nguyên lý tổng quát của nguồn muối là, khi lấy trung bình qua nhiều chu kỳ thủy triều, những biến đổi trong dòng chảy sông có thể bỏ qua, độ mặn tại bất kỳ vị trí đặc trưng nào dọc theo cửa sông còn lại là hằng số Điều hợp lý là dòng chảy nước ngọt qua cửa sông liên tục vận chuyển muối về phía biển và bởi vậy, có thể nghĩ rằng cửa sông trở nên ngọt hơn và ngọt hơn Sự thực điều này không xảy ra, cho thấy rằng muối phải được mang về phía đất bởi một cơ chế nào đó, và tiêu chuẩn độ mặn không đổi có nghĩa là mức

độ mà điều này xảy ra phải phù hợp chính xác với mức độ vận chuyển ra biển bởi dòng chảy sông Bởi vì chỉ có chuyển động bình lưu qua hệ thống là do sông, cơ chế mang muối

về phía đất phải không liên quan đến bất kỳ chuyển động thực tế nào của nước, tức là nó phải được khuếch tán

Để khảo sát những cơ chế cộng tác với dòng muối hướng vào phía đất, nhiều nghiên cứu đã đánh giá độ lớn của những thành phần vận chuyển do sự tương quan của vận tốc, độ mặn và độ sâu tại những vị trí đặc trưng Mức vận chuyển, hoặc dòng muối do dòng chảy u bằng tích số <us>, trong đó những dấu móc biểu thị lấy trung bình trong một khoảng thời gian (mục 4.2.1) và s là độ mặn đo cùng thời gian và cùng vị trí như với dòng chảy Toàn bộ dòng muối trên chiều rộng đơn vị qua một mặt cắt thẳng đứng có thể lấy trung bình trong một chu kỳ thủy triều để cho ta dòng thực tế FT bằng cách sử dụng biểu thức

 



T h

T usdzdt T

đặc trưng tham gia vào cơ chế khuếch tán về phía bờ Phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu quan trắc, những nghiên cứu này không phải luôn luôn tạo ra một nguồn muối có thể chứng tỏ được; giá trị của chúng thường được dự phòng những độ lớn tương đối cho một vài số hạng

Một nghiên cứu có tập hợp dữ liệu tương đối lớn cho cửa sông Tees (hình 10.5) chỉ

ra rằng nguồn muối đã đạt được và cho thấy rằng, trong hệ thống hẹp này, có những số hạng nhất định thống trị cơ chế cân bằng (Lewis và Lewis, 1983) Những kết quả khảo sát này được cho trong hình 10.6 Trong sơ đồ, hướng dương được lấy về phía biển để những giá trị âm trên hình vẽ thể hiện những thành phần của dòng hướng về phía đất

Tại mỗi trong số tám vị trí lấy mẫu dọc theo cửa sông, dòng kết hợp thực tế do những thành phần riêng biệt được chỉ ra bởi một mũi tên Vận chuyển thực tế về phía biển bởi dòng chảy sông được chỉ ra bằng đường liền; tất nhiên đây là dòng dương và nó được phản chiếu trong trục x để so sánh có thể thực hiện với những số hạng khuếch tán Có thể thấy rằng những mũi tên nói chung tuân theo xu hướng của đường liền - chênh lệch độ lớn là

do những quan trắc đã được lấy tại tâm của lòng dẫn chính của cửa sông, trong đó dòng chảy mạnh hơn, trong khi dòng muối của sông dựa vào vận tốc trung bình mặt cắt

Hình 10.5 Cảnh quan mặt bằng của cửa sông Tees, phía Đông Bắc Nước Anh (Theo Lewis và Lewis, 1983,

được sự đồng ý của Academic PrPress)

Vận chuyển thực tế của muối về phía biển do dòng chảy sông được đánh giá bằng việc làm khớp một hàm đối với phân bố dọc trung bình thủy triều của độ mặn Đây là một hàm hyperbolic có dạng

Q là hệ số dịch chuyển dọc đối với phân bố độ mặn

Nói chung, phân bố dọc của muối tương ứng với H = 0,002 và Q = 0,5

Dòng 'khuếch tán' hướng vào phía đất F của muối đòi hỏi cân bằng với dòng ra phía biển của dòng chảy nước ngọt qua hệ thống sẽ được tính toán từ quan hệ

FA s

trong đó R là dòng nước ngọt chảy vào và A là diện tích mặt cắt ngang trung bình thủy triều tại một vị trí được chọn dọc theo cửa sông

Ba số hạng cơ bản chỉ ra trong hình 10.6 là dòng hoàn lưu thẳng đứng, dòng phát tán nhiễu động (hoặc bơm thủy triều) mà phần lớn do sự tương quan của những dao động thủy triều trong vận tốc và độ mặn, và dòng xuất hiện từ dòng trôi phi thủy triều ý nghĩa vật lý của mỗi số hạng này bây giờ sẽ được mô tả

Hoàn lưu thẳng đứng

Đây có lẽ là quá trình dễ hiểu nhất vì được thể hiện bằng những số hạng trạng thái ổn định; với lý do này, nó được sử dụng để minh họa những bước trong lý thuyết phát tán trượt đã cho trong mục 5.1 Hình 3.3 cho thấy phân bố vận tốc và muối tiêu biểu cho phân bố trong cửa sông phân tầng một phần Hoàn lưu dư mang nước mặt về phía biển với mức cân bằng chính xác với thể tích vận chuyển của nước đáy về phía đất Vì không có bình lưu thực tế của nước do hoàn lưu này, đòi hỏi cần thỏa mãn là quá trình phải được khuếch tán Mức độ vận chuyển muối về phía biển bởi lớp trên nhỏ hơn mức độ vận chuyển muối bởi lớp thấp hơn vì những tầng nước mặt có độ mặn thấp hơn Như vậy vận chuyển toàn bộ qua một mặt cắt ngang cửa sông là lên thượng lưu Cần thấy rằng chỉ có thể có độ mặn trạng thái ổn định như được chỉ ra trong hình 3.3 nếu dòng muối thẳng

đứng là chỉ vừa đủ để thay thế muối trong lớp trên với mức độ mà nó bị mất vào biển

Bơm thủy triều

'Bơm thủy triều' là do sự tương quan của dao động thủy triều trong vận tốc trung bình độ sâu và độ mặn Quá trình tạo nên một phần phát tán nhiễu động phát sinh bởi sự tương quan chéo của những biến đổi vận tốc, độ mặn và độ sâu Hình 10.7 giới thiệu những hình vẽ biến đổi vận tốc và độ mặn tại một vị trí cố định trong nhánh trung tâm cửa sông Tees trong một chu kỳ thủy triều Hình vẽ cho thấy sự biến đổi những giá trị trung bình độ sâu cùng với các giá trị gần mặt nước và đáy Vận tốc trung bình độ sâu nói chung có dạng hình sin và không lệch một cách đáng kể với hình này do những sự kiện xáo trộn bên trong thủy triều Mặt khác, độ mặn trung bình độ sâu bị lệch đáng kể so với biến đổi hình sin thuần tuý, chủ yếu do ảnh hưởng của độ mặn nước mặt lên giá trị trung bình độ sâu tại bất kỳ thời điểm nào Khi triều lên, sự khác nhau trong vận tốc dòng chảy giữa những lớp trên và thấp hơn do hoàn lưu dư, gây ra sự tăng độ mặn trong lớp trên so với lớp thấp hơn Ưu thế này do sự trượt dòng chảy khi triều lên xuất hiện trong Tees bởi vì xáo trộn tương đối thấp trong một phần thời gian của chu kỳ thủy triều Nếu điều kiện xáo trộn thấp được duy trì khi triều xuống, thì dòng dư khôi phục sự dịch chuyển tương

đối của độ mặn mặt nước và đáy, tạo ra sự biến đổi xấp xỉ hình sin của độ mặn trung bình

độ sâu Trong thực tế, dòng triều xuống thích hợp với xáo trộn mạnh và mức giảm độ mặn mặt nước bị giảm do sự vận chuyển hướng lên của muối Như vậy, do sự tương tác kết hợp của hoàn lưu dư với biến đổi thủy triều trong xáo trộn thẳng đứng, độ mặn trung bình độ sâu có xu hướng tăng khi triều xuống và giảm khi triều lên Do đó tương quan của thay

đổi vận tốc và độ mặn trong thời gian thủy triều có thể làm cho dòng muối dao động trở nên hướng về phía biển Trong thực tế, sự đảo hướng dòng muối có thể không xảy ra

nhưng hoàn lưu dư tăng cường có xu hướng giảm độ lớn của nó lên thượng lưu Đây là một điểm quan trọng vì nó cho thấy hai số hạng cân bằng muối lớn nhất được bổ sung ra sao; một dòng mạnh do dòng chảy dư làm dịu dòng bơm thủy triều và một dòng dư yếu tăng cường nó

Hình 10.6 Thành phần của dòng muối đo tại tám trạm dọc theo trục cửa sông Tees Dòng dự kiến của muối

do dòng chảy nước ngọt được chỉ ra bởi một đường liên tục và những mũi tên chỉ ra dòng thực tế được tính toán từ tổng số của những thành phần, đo tại trung tâm lòng dẫn (Theo Lewis, 1987, được sự đồng ý

của Blackwell Scientific Publications)

Dòng muối trôi Stokes

Từ hình 10.6 có thể thấy rằng dòng do tương quan của những nhiễu động vận tốc

và độ mặn trở nên khá lớn tại hai trạm gần phía đất nhất Dòng này được điều khiển bởi một cơ chế khác với cơ chế mô tả ở trên

Những đo đạc dòng chảy tại cầu Victoria, ứng với trạm thượng lưu nhất trong hình 10.5, chỉ ra rằng giá trị trung bình thủy triều tiêu biểu khi triều cường là khoảng 0,20 ms-

1 Dựa vào lưu lượng thể tích tương ứng của nước ngọt nhập vào từ sông, dòng chảy dư

tại cầu phải nhỏ hơn 0,01 ms-1 Sự mâu thuẫn có thể giải thích bởi dòng chảy ngược lên trên cửa sông là dòng trôi Stokes (mục 2.4.6); dòng trôi Stokes tại cầu Victoria được tính toán là xấp xỉ 0,21 ms-1, đủ để thống trị toàn bộ sự đóng góp dòng chảy sông cho dòng dư Tại hai trạm thượng lưu, dòng dư thậm chí đủ mạnh để ảnh hưởng đến thời gian đảo

Hình 10.7 Biến đổi vận tốc và độ mặn quan trắc gần mặt nước và đáy, và độ sâu trung bình, tại trạm 3

trong cửa sông Tees ( _ trung bình độ sâu, - - - 0,2 độ sâu, 0,6 độ sâu) (Theo Lewis và Lewis, 1983,

được sự đồng ý của Academic Press)

ngược dòng chảy Hình 10.8 minh họa cơ chế làm cho dòng muối dao động dưới những hoàn cảnh như vậy

Hình 10.8 Biến đổi trong vận tốc và độ mặn tại vị trí 8 trong cửa sông Tees, một vị trí tại đó sự đảo ngược

dòng chảy bị ảnh hưởng của dòng trôi Stokes ( độ sâu trung bình, - - - 0,2 độ sâu, 0,6 độ sâu)

(Theo Lewis và Lewis, 1983, được sự đồng ý của Academic Press)

Tại một vị trí đã cho những thời gian đảo ngược dòng chảy dịch chuyển một cách

đáng kể so với những thời gian mà dòng triều trung bình độ sâu đảo ngược hướng Như

vậy, mặc dù dòng triều vẫn còn gần như hình sin, dòng chảy về phía đất có thể dừng khoảng nửa giờ trước khi dòng chảy nhiễu động đổi dấu (hình 10.8 (a)) Tuy nhiên, sự biến đổi độ mặn là gần như đối xứng qua thời gian đảo ngược dòng chảy vào lúc cuối của pha triều lên bởi vì sự thay đổi độ mặn phát sinh bởi vận chuyển bình lưu của phân bố độ mặn hướng dọc (hình 10.8 (b)) Như vậy biến đổi độ mặn không còn đối xứng qua thời gian đảo ngược dòng triều tại lúc cuối pha triều lên Vậy là dòng muối trong thời gian những chu kỳ dòng chảy hướng về phía biển (những khu vực gạch chéo trong hình vẽ) nhỏ hơn dòng muối trong thời gian những chu kỳ dòng chảy hướng về phía đất Theo cách này dòng dao động thực tế được hướng lên trên cửa sông vào nhánh sông, trong đó sự phân tầng nói chung là yếu trong suốt chu kỳ thủy triều và cơ chế xáo trộn không đối xứng thấy được sau đó trong cửa sông là ít đáng kể

Dòng trôi phi thủy triều

Có thể sai lầm khi có ấn tượng rằng hoàn lưu thẳng đứng và phát tán nhiễu động (bơm thủy triều) là những cơ chế duy nhất điều khiển sự cân bằng muối Trong cửa sông Tees, những trạm thượng lưu cũng bị ảnh hưởng bởi dòng do những tương quan khác không giữa những biến đổi độ sâu và độ mặn, và bởi tương quan của những nhiễu động vận tốc và độ sâu; cả hai số hạng này tạo ra một dòng muối hướng về phía biển Số hạng sau thể hiện hiệu ứng của vận tốc Stokes lên phân bố độ mặn trung bình thủy triều và nó một phần đối ngịch với dòng nhiễu động xuất hiện từ một dòng chảy dư mạnh Những cửa sông khác có thể có những yếu tố khác trội hơn như những dòng xuất hiện do những biến

đổi ngang của các thuộc tính (Fischer, 1972) hoặc những thay đổi đáng kể trong diện tích mặt cắt ngang trong thời gian một chu kỳ thủy triều (Okubo, 1964)

Độ lớn của cơ chế phát tán

Ngoài việc chỉ ra rằng đạt được sự cân bằng muối, hình 10.6 cũng cung cấp thông tin hữu ích về độ lớn tương đối của các số hạng dòng khuếch tán khác nhau trong cửa sông Tees Trong tính toán, những chuyển động rối của nguồn muối với những chu kỳ ít hơn một phút được tính trung bình bằng quy trình lấy mẫu Thực tế là, cân bằng muối hợp lý vẫn còn nhận được có thể xem như bằng chứng rằng dòng do nhiễu động rối là không quan trọng Hơn nữa, tất cả các đo đạc thực hiện tại tâm lòng dẫn chính của cửa sông và không xét đến dòng muối do những biến đổi hướng ngang, với ngoại lệ là những giá trị vận tốc tại tâm chắc chắn cao hơn giá trị trung bình mặt cắt ngang Những kết quả như vậy nói lên rằng những biến đổi hướng ngang không tạo ra bất kỳ dòng khuếch tán

đáng kể nào trong Tees Cân bằng những số hạng khuếch tán với vận chuyển bình lưu không thật hoàn hảo Tại biên phía biển của cửa sông, dòng thực tế thấp hơn dự kiến mặc dầu độ lệch cân bằng là khá nhỏ Tại những trạm phía trên, nguồn muối trong chu kỳ 5 ngày của thời kỳ triều cường hoặc yếu lệch khỏi cân bằng Vì đây là khu vực trong đó gradient độ mặn dốc nhất, nó được dự kiến nhạy cảm nhất đối với những thay đổi của những ảnh hưởng bên ngoài như dòng chảy sông và đối với những ảnh hưởng bên trong như biến đổi dòng thích ứng với những thay đổi hằng ngày của độ lớn thủy triều Thấy rằng dòng muối toàn bộ tạo nên sự dịch chuyển xuống hạ lưu của phân bố dọc của muối giữa những kỳ triều cường và yếu

Khía cạnh quan tâm khác thể hiện trong hình 10.6 là việc phát hiện rằng những thành phần đặc trưng của dòng muối không biến đổi một cách trơn tru dọc theo toàn bộ

độ dài cửa sông Ví dụ, dòng do hoàn lưu thẳng đứng đạt đến một giá trị đặc biệt lớn tại trạm thứ năm kể từ biên phía biển, khoảng hai lần lớn hơn giá trị của cùng thành phần

đó của dòng tại trạm thứ tư Cân bằng muối được duy trì bằng sự tương ứng các giá trị cao và thấp đối với dòng do bơm thủy triều tại những trạm thứ tư, thứ năm, tương ứng Mặc dầu độ sâu trung bình tại hai trạm này hầu như giống nhau, cửa sông trở nên nông hơn đáng kể vì trạm 4 gần với biên phía biển, và có vẻ việc giảm độ sâu là nguyên nhân xáo trộn rối mạnh Sự xáo trộn này làm giảm sức mạnh hoàn lưu thẳng đứng, làm yếu sự phân tầng, và do đó làm giảm độ lớn của dòng ổn định (xem mục 5.2.1) Như vậy nguồn muối cho thấy những cơ chế khác nhau có thể thống trị phát tán trên một chiều dài tương

đối ngắn của một cửa sông như thế nào - trong ví dụ này giữa các trạm chỉ là hơn 2 km

10.3.2 Hệ số phát tán

Phát tán trung bình thủy triều

Một khía cạnh quan trọng của phân tích dòng muối là cung cấp thông tin về những quá trình tạo ra phát tán dọc trong cửa sông Có lẽ minh họa tốt nhất là bằng việc xem xét phát hiện rằng những dòng phát tán do hoàn lưu thẳng đứng và bơm thủy triều

là bổ sung cơ bản tại những vị trí đặc trưng trên một độ dài đáng kể của cửa sông Tees Trong phân tích dòng muối đã mô tả ở trên, dòng muối được chia ra những thành phần xuất hiện từ phân bố trạng thái ổn định của vận tốc và độ mặn và những đối tác biến đổi theo thủy triều của chúng Hơn nữa, những cơ chế tạo nên những dòng này thực chất là những cơ chế được mô tả trước đây bởi Taylor (1953) (mục 5.2.1); tức là trượt dòng chảy thẳng đứng dọc theo hướng dòng chảy và xáo trộn thẳng đứng Như vậy tiếp cận cân bằng muối được biểu thị theo cách trong đó sự trượt và xáo trộn thẳng đứng, dù cho tính biến thiên đáng kể của chúng trong thời gian thủy triều, kết hợp để bảo đảm rằng muối được mang về phía đất với mức độ phù hợp với mức tổn thất ra biển bởi dòng chảy sông Mối quan hệ trung bình thủy triều này có thể biểu thị như sau

ufws0  Fm  0 (10.5) trong đó ufw là vận tốc do dòng chảy nước ngọt, s0 là độ mặn trung bình độ sâu trung bình thủy triều và Fm dòng muối hướng lên thượng lưu tại một mặt cắt đặc trưng qua cửa sông Đối với hệ số phát tán dọc Kxe tại mặt cắt

x

s K s

F m fFc (10.8)

Đã thấy từ những quan trắc trong Tees (Lewis và Lewis, 1983) rằng một phần

đáng kể của dòng khuếch tán trong các cửa sông được thống trị bởi hoàn lưu thẳng đứng

và những thành phần dao động Fv và FT tương ứng Như vậy, với xấp xỉ đầu tiên

T v

Từ những phương trình (10.5), (10.8) và (10.9)

)( v T

0

f S u





Toàn bộ kết quả khảo sát từ 1975 ở cửa sông Tees giả thiết rằng f nằm trong phạm

vi 0,5 đến 0,7 Giả thiết rằng f = 0,6, bảng 10.1 liệt kê những giá trị quan trắc đối với - (Fv+FT) cùng những giá trị ufws0/f dựa vào lưu lượng sông trong thời gian quan trắc

Những giá trị từ những trạm thứ ba và thứ tư từ miệng cửa sông như trong hình 10.5 được sử dụng trong ví dụ này Lấy những gradient độ mặn quan trắc, những giá trị

đối với Kxe được tính toán trên cơ sở những phương trình (10.6) và (10.10) và chúng cũng

được cho trong bảng

Bảng 10.1 cho thấy giữa những kỳ triều cường và yếu, những giá trị Kxe không thay đổi nhiều, dù có sự tăng đáng kể trong gradient dọc của độ mặn Ví dụ, tại trạm 3,

Kxe giảm từ 86 đến 70 m2s-1 (tương đương với 22 % mức thay đổi), khi s0/x tăng từ 0,30

đến 0,51 x 10-6 m-1 (tương đương với 54 % mức thay đổi) Từ bảng 10.1 có thể thấy rằng sự thay đổi từ triều yếu đến triều cường làm cho dòng muối do hoàn lưu thẳng đứng Fv tăng

từ -3,49 đến -10,11 x 10 -2 kgm-2s-1; điều này thể hiện sự tăng rõ ràng mức độ vận chuyển

về phía bờ của muối bởi cơ chế này Tuy nhiên, bảng 10.1 cũng chỉ ra rằng dòng muối do bơm thủy triều FT, thật sự đảo ngược dấu do vậy có sự vận chuyển về phía biển của muối bởi cơ chế này khi triều cường Như vậy dòng khuếch tán kết hợp - ( Fv + FT), chỉ tăng 40

% Trong việc tính toán hệ số phát tán dọc, sự tăng này phần lớn được bù đắp bởi sự tăng gradient độ mặn, và do đó sự thay đổi Kxe giữa triều cường và triều yếu là tương đối nhỏ Như vậy, trạng thái bổ sung của những dòng muối do hoàn lưu thẳng đứng và bơm thủy triều bảo đảm rằng chỉ có một biến đổi tương đối khiêm nhường trong hệ số phát tán dọc

Phát tán nội thủy triều

Đối với phần lớn cửa sông Tees, sự duy trì nguồn muối chủ yếu do cân bằng giữa vận chuyển muối về phía biển bởi dòng chảy sông và dòng khuếch tán muối hướng vào phía đất bởi hoàn lưu thẳng đứng và bơm thủy triều Vì vận chuyển do sông và hoàn lưu thẳng đứng lấy như những số hạng trạng thái ổn định, sự khác nhau giữa chúng được tạo

ra bởi sự vận chuyển muối tích hợp thủy triều bởi bơm thủy triều Điều này tương đương với việc biểu thị lại phương trình (10.10) ở dạng

)

f S u

chú ý rằng cả FT và Fv là dương đối với vận chuyển hướng lên thượng lưu