Chương 9: VẤN ĐỀ Ô NHIỄM VÀ DÒNG MẬT ĐỘ
9.4. Dòng mật độ trong cảng
9.4.2. Bài toán thực tế
Vấn đề thảo luận trên đây chỉ đúng khi giả thiết thỏa mãn. Tuy nhiên, giả thiết mật độ nước sông thay đổi đột ngột là không đúng trong thực tế. Hơn nữa phần lớn mặt cắt ngang của cảng không phải là chữ nhật. Đưa ra một tính toán lý thuyết có thể chấp nhận được cho mặt cắt tùy ý là rất phức tạp. Vì lý do đó, nghiên cứu trên các mô hình vật lý bao giờ cũng là một lựa chọn được các nhà nghiên cứu quan tâm.
Hướng thứ 2 cũng được quan tâm, đó là xây dựng những công thức kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm về sự trao đổi nước cũng như các hệ số kinh nghiệm, dựa trên các số liệu quan trắc ở những cảng cụ thể. Các công thức loại này được dùng để dự báo cho các cảng có điều kiện gần tương tự nhau. Vì thể tích có thể tính bằng tích tốc độ với mặt cắt ướt và thời gian nên có thể thấy rằng căn bậc 2 của chênh lệch mật độ nhân với độ sâu sẽ bằng tốc độ nhân với diện tích mặt cắt ướt tại cửa vào Ae. Kết quả khảo sát thực địa ở khu vực cảng Rotterdam đã đưa đến biểu thức kinh nghiệm dưới đây:
h A G
Vd = e δ' (9.15)
Trong đó:
Vd =Tổng lượng nước đi qua mặt cắt ngang cửa vào dưới tác dụng của dòng mật độ trong một chu kỳ triều.
Ae = Diện tích mặt cắt ngang cửa vào (m2) G = Hệ số phụ thuộc vào mỗi cảng
h =Chiều sâu nước trung bình trong cảng (m) δ'= mật độ tương đối xác định bằng biểu thức sau:
ρ ρ
δ' =ρmax − min (9.16)
với:
ρmin = Mật độ nhỏ nhất trong sông ρmax = Mật độ lớn nhất trong sông
ρ = Mật độ trung bình trong sông trong một chu kỳ triều.
Phương pháp tính toán ở trên ứng dụng đối với các cảng sông chịu ảnh hưởng của thủy triều. Hơn nữa, kích thước và hình dạng cảng dự kiến xây dựng thường khác với các đặc trưng của những cảng đã có sẵn. trong những trường hợp này, các sơ đồ đã trình bày trên không thể áp dụng trực tiếp được và không thể lấy trực tiếp hệ số G. Chính vì vậy hướng sử dụng mô hình toán cũng được quan tâm. Tuy nhiên khi sử dụng mô hình cần chú ý nó cho phép mô phỏng thành lớp và thông thường mô hình 1 chiều không đủ mạnh để tính toán.
Dòng mật độ thực sự quan trọng trong quá trình lắng đọng của bùn cát, vì nó liên quan đến giá cả nạo vét. Vì vậy, ước tính độ lớn dòng mật độ là rất quan trọng trong giai đoạn nghiên cứu khả thi, thậm chí các ước lượng cũng rất có ý nghĩa. Kỹ thuật tính toán được thể hiện trong ví dụ dưới đây.
Một cảng được bố trí trong sông chịu ảnh hưởng triều có hàm lượng bùn cát là 77mg/l.
Cảng có chiều dài 2000m và mặt cắt hình thang với độ dốc mái m = 4, độ lớn thủy triều là 1.7 m và chiều sâu tại mực nước triều thấp nhất là 13.5 m
Hình 9-13 thể hiện cảng dự kiến như vậy với chiều rộng đáy là 400 m. Sông có độ muối tối đa là 8.06 (‰) và tối thiểu là 2.47 (‰). Với nhiệt độ nước T = 160C mật độ nước sông đạt giá trị lớn nhất là 1005.18 kg/m3 và nhỏ nhất là 1000.85 kg/m3, kết quả là:
3
' 4.32 10
02 . 1003
85 . 1000 18 .
1005 −
− =
= x
δ (9.17)
Độ sâu nước trung bình trong cảng là:
( )m x
h 1.7 14.35 2
5 1 .
13 + =
= (9.18)
Độ rộng tại mực nước tương ứng là:
400 + (14.35 x 8) = 515 m (9.19) Diện tích mặt cắt ướt tương ứng:
6565 2
) 35 . 14 )(
515 400 2(
1 m
Ae = + = (9.20)
Thể tích nước triều mang vào do dòng tràn, trong một chu kỳ triều sẽ là:
P = (515)(2000)(1.7) = 1.75 x106 m3 (9.21)
Hình 9.13: Sơ đồ hóa cảng tính toán
Mỗi m3 nước mang theo 77 g bùn cát. Tuy nhiên không phải toàn bộ số bùn cát này sẽ lắng đọng trong cảng trong chu kỳ triều tính toán mà một phần vẫn tồn tại dưới dạng bùn cát lơ lửng chảy theo dong nước ra vào cảng. Lượng bùn cát do dòng chảy mang theo là bao nhiêu thì hoặc xác định bằng số liệu đo đạc hoặc bằng các thí nghiệm trong phòng. Trong ví dụ, giả thiết rằng lượng này là 10 mg/l hay 10 g/m3, thì lượng bồi lắng trong cảng là 67 g/m3.
Tổng lượng bùn cát lắng đọng sẽ là:
Sf = (1.75 x106)(67)(10-3) = 1.17x105 kg/chu kỳ triều (9.22)
ảnh hưởng của dòng mật độ được tính bằng công thức (9-15). Thể tích nước trao đổi do dòng mật độ trong chu kỳ triều với giả thiết G = 8000 mg/chu kỳ triều sẽ là:
tide m x x
x x
Vd =8000 6565 (4.32 10−3)(14.35) =1.31 107 3/ (9.23)
Một nửa lượng nước này (6.53x106 m3/ chu kỳ triều) đi vào cảng phía đáy dưới dạng nêm mặn mang theo bùn cát Sd1 vào cảng, nghĩa là:
Sd1= (6.53x106) (67) (10-3) = 4.38x105kg/chu kỳ triều (9.24)
Nửa còn lại, lượng nước trao đổi phía trên mặt và nêm mặn di chuyển hướng ra cửa thuộc nửa phía trên (xem hình 9 –11). Vì nửa phía trên thường có hàm lượng bùn cát nhỏ hơn, hay bùn cát giữ lại trong cảng cũng ít hơn. Đối với cảng Rotterdam, giả thiết rằng dòng mặt chỉ mang theo 20% lượng bùn cát mà bùn cát thường rất mịn, nên quá trình bồi lắng xảy ra rất chậm chạp. Giả thiết rằng chỉ có 10 mg/l được bồi lắng trong cảng. Điều đó có nghĩa là:
Sd2 = (6.53x106)(0.2x77-10)(10-3) = 3.53x104 kg/chu kỳ triều (9.25)
Các thành phần bùn cát khác nhau lắng đọng trong cảng được thống kê ở bảng dưới đây. Ta có thể thấy rằng trên 80% lượng bùn cát lắng đọng là do dòng mật độ gây ra.
Bảng 9.3: Các thành phần bùn cát lắng đọng trong cảng Thành phần Số lượng(kg/chu kỳ triều) % so với tổng số
Dòng tràn 1.17 x 105 19.8
Nước mặn đi vào 4.38 x 105 74.2
Nước mặn đi ra 3.53 x 104 06.0
Tổng do dòng mật độ 4.73 x 105 80.2
Tổng cộng 5.90 x 105 100.0
Một câu hỏi thường trực cho việc bảo dưỡng thường xuyên cảng là sau một năm cảng bị bồi lấp bao nhiêu? vấn đề này sẽ được làm rõ ràng nếu dung trọng khô và dung trọng tự nhiên của bùn cát được xác định. Thông thường, dung trong khô của bùn cát là 2650 kg/m3 và dụng trọng tự nhiên là 1200 kg/m3. Gọi Vv lượng nước lấp đầy lỗ rỗng của 1 m3 bùn cát thì:
1200 = (2650) (1-Vv) + (1000) (Vv) (9.26) Từ đó tính được Vv = 0.88. hay trong 1m3bùn cát chứa:
(1-0.88) (2650) = 318 kg (9.27)
các hạt khô. Như vậy, theo bảng 9-3 thì thể tích bùn cát khô sẽ là:
(5.9 x 105) / (318) = 1855 m3 (9.28)
Giả sử khu vực nghiên cứu có chế độ bán nhật triều, nghĩa là trong 1 năm số lần nước vào ra cảng sẽ là:
(365.25)x (24) / (12.42) = 706 (9.29)
và lượng bùn cát bồi lắng trong cảng trong thời gian 1 năm sẽ là:
(1855) (706) = 1.31x106 m3/year (9.30)
giả thiết rằng thể tích bùn cát lắng đọng đều trong cảng thì độ dày lớp lắng đọng sẽ là:
(1.31 x 106) / (2000)(400) = 1.64 m (9.31)
Kinh nghiệm cho thấy nếu nạo vét lớp bùn cát có chiều dày nhỏ hơn 2.5 m là không kinh tế. Trong trường hợp này nên nạo vét với chu kỳ 18 tháng
Rõ ràng rằng dòng mật độ có vai trò rất quan trọng, nếu bằng cách nào đó loại bỏ được vai trò của dòng mật độ thì chu kỳ phải nạo vét có thể tăng lên khoảng 5 lần (xem bảng 9-1) tương ứng với khoảng thời gian khoảng 7 năm, như vậy ý nghĩa kinh tế sẽ rất cao.
Các tính toán sơ bộ thường không cho kết quả đáng tin cậy do dòng chảy tại cửa vào cảng rất phức tạp. Tính phức tạp thể hiện ở hình trạng thái chảy vòng và chảy xoáy ở cửa vào. Sự tương tác giữa dòng chảy vào và dòng chảy vòng ở phía trên mặt và dưới đáy sẽ làm thay đổi lượng bùn cát mang vào trong cảng. Nếu cảng nhỏ, lượng nước trao đổi xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn và lượng bùn cát lắng đọng do quá trình này cũng kết thúc cùng với quá trình trao đổi, tuy nhiên dòng xoáy vẫn tiếp tục tác dụng và có sự trao đổi bùn cát từ sông vào cảng. Vai trò của dòng xoáy khá trội đối với các cảng nhỏ.
Dòng xoáy cũng ảnh hưởng đối với những cảng lớn. Tuy nhiên, quá trình này có xu thế bị kích thích bởi các thành phần dòng chảy khác ở cửa cảng nhiều hơn các thành phần dòng chảy trong sông. Như vậy, chúng cung cấp lượng bùn cát nhỏ vào trong cảng. Hãy tưởng tượng rằng vùng cửa sông sẽ có sự cạnh tranh của các loại dòng xoáy, dòng tràn, dòng mật độ và dòng chảy sông ngòi và dòng chảy tổng hợp sẽ rất phức tạp.
Các tàu nhỏ với mớn nước nông thường chịu ảnh hưởng của dòng mặt, trong khi các tàu lớn với mớn sâu thì đáy của nó chạm vào khu vực mặt ngăn cách của các lớp nước nơi chịu ảnh hưởng cùng lúc các loại dòng chảy và ta có thể tưởng tượng được người hoa tiêu trên tàu sẽ gặp phải những khó khăn ngoài mong muốn như thế nào.