Chương 9: VẤN ĐỀ Ô NHIỄM VÀ DÒNG MẬT ĐỘ
9.3. Dòng mật độ vùng cửa sông
Điểm được xem xét là giới hạn trên cùng của dòng triều khi vào cửa sông. Do nước mặn và nước ngọt có sự xáo trộn ở mức độ khác nhau, tại các vị trí khác nhau là nguyên nhân sinh ra dòng mật độ, tương tự như biến đổi của nhiệt độ. Dòng sinh ra do sự khác nhau về mật độ gọi là dòng mật độ, trong khi sự thay đổi về độ muối sẽ làm thay đổi tính chất hóa lý của bùn cát mịn.
9.3.1. Sự thay đổi độ muối theo thủy triều
Trước hết chúng ta nghiên cứu phân bố mặn trong sông. Đường đẳng nồng độ muối biểu diễn sự thay đổi của lượng muối. Nếu đường đẳng nồng độ phân bố theo phương thẳng đứng ta nói rằng nước mặn và nước ngọt xáo trộn hoàn toàn, trong khi phân bố của chúng theo phương nằm ngang nghĩa là giữa chúng có sự phân tầng: nước ngọt nằm trên, nước mặn nằm dưới. Hình 9-1 biểu diễn mặt cắt dọc phân bố nồng độ muối.
Hình 9-2: Phân bố nồng độ muối (‰)
Mô hình dòng chảy cơ bản vùng của sông là nước ngọt phía trên mặt hướng chảy ra biển, trong khi dòng nước biển ở đáy chảy vào trong sông. Độ lớn về lưu tốc và mức độ xáo trộn giữa nước ngọt và nước mặn thay đổi theo mỗi cửa sông. Chú ý rằng các sông ở bắc bán cầu, hướng dòng chảy của nước ngọt ra biển có xu thế lệch phải dưới tác dụng của lực Coriolis. Hướng đối diện của vùng cửa sông chịu ảnh hưởng trội của biển. ở hầu hết các cửa sông, dòng chảy từ biển vào đều nằm ở lớp dưới.
Chỉ trong trường hợp dòng chảy trong sông đủ lớn lấp đầy khối nước triều ngay cả trong trường hợp pha triều lên thì nước mặn không thể vào được của sông. Rất ít con sông có lưu lượng đủ lớn quanh năm để khống chế mặn xâm nhập vào cửa sông.
Độ mặn ttại một điểm bất kỳ trên sông thay đổi trong một con triều, và độ muối được xem là đạt giá trị lớn nhất tại điểm dừng triều. Mối quan hệ này đối với cảng Rotterdam được biểu diễn ở hình 9-3.
Từ hình vẽ ta thấy rằng độ muối của nước biển khoảng 35(‰), nhưng nước biển thuần túy không bao giờ thấy tại cảng Rotterdam. Sự xáo trộn nước ngọt chảy từ trong sông ra với nước biển để trở thành nước lợ. Nếu điểm xem xét càng xa bờ thì độ muối càng cao cho đến khi đạt trị số lớn nhất.
Hình 9.3: Dòng chảy và độ muối ở cảng Rotterdam
Mức độ xáo trộn tại vùng cửa sông liên quan đến tỉ số giữa khối nước triều và dòng chảy nước ngọt từ trong sông, và được biểu diễn bằng hệ số xáo trộn(α).
P T
*
=Qf
α (9.1)
where:
α : Hệ số xáo trộn,
P : Thể tích khối nước triều, Qf : Lưu lượng nước ngọt (m3/s), T : Chu kỳ triều (s).
Trường hợp xáo trộn hoàn toàn α = 0 và khi hình thành lớp với nước mặn nằm dưới thì α = 1.
Ví dụ tại sông Schelde người ta quan trắc thấy hiện tượng xáo trộn hoàn toàn, trong khi tại đoạn dẫn vào cảng Rotterdam thì lại là hiện tượng phân lớp (Lưu lượng trong sông chảy ra lớn, triều có độ lớn nhỏ).
Tiếp cận cơ bản hơn với vấn đề này là nghiên cứu của Ippen and Harleman (1961) về quá trình xáo trộn thông qua việc sử dụng hệ số phân tầng không thứ nguyên S. Hệ số này biểu diễn như sau:
len g luong nang suat Cuong
tieu luong nang suat Cuong
S tan
= tan (9.2)
Năng lượng tiêu tán ở tử số là kết quả của việc giảm sóng triều khi đi vào trong vùng cửa sông. Mẫu số phản ánh sự tăng lên của năng lượng khi mật độ của nó tăng lên khi đi ra phía cửa sông gặp nước mặn.
Harleman và Abraham (1966) đưa ra hệ số cửa sông E có ý nghĩa gần như hệ số phân tầng S.
α
= F Q T
= PF E
2
f 2
(9.3)
Với F là số Froude tương ứng với lưu lượng dòng triều lớn nhất tại cửa sông.
gh u F = /
Hệ số cửa sông E sử dụng thuận tiện hơn hệ số phân tầng S do việc xác định nó dễ dàng hơn. Ngược lại với hệ số xáo trộn Iw, mức độ xáo trộn ở cửa sông tăng lên cùng với sự tăng của hệ số cửa sông. Các cửa sông xáo trộn hoàn toàn có hệ số E = 0.15 9.3.2. Nêm mặn
Khi nước ngọt từ trong sông chảy ra gặp nước biển hình thành nêm mặn (hình 9-4).
Nước mặn xâm nhập vào trong sông ở dưới đáy, phía trên là nước ngọt chảy hướng ra ngoài và khi quá trình xáo trộn xảy ra tạo thành mặt tiếp xúc được xem là ít có sự xáo trộn giữa 2 khối nước tạo thành nêm mặn thì nêm mặn được gọi là nêm cứng. Chiều dài xâm nhập mặn được xác định bằng sự cân bằng giữa lực ma sát dọc trên bề mặt và độ dốc áp suất nằm ngang do độ nghiêng của mặt tiếp xúc. Khi đạt tới trạng thái cân bằng, mặt ngăn cách của nêm mặn ở trạng thái ổn định với lớp nước ngọt mỏng dần khi ra phía biển. Schijf and Schonfeld (1953) đã tìm được biểu thức tính toán chiều dài nêm mặn trong kênh lăng trụ, đáy nằm ngang, mặt cắt chữ nhật chảy vào biển.
Hình 9.4: Nêm mặn tĩnh tại vùng cửa sông Nếu không có sự xáo trộn qua mặt tiếp xúc thì chiều dài nêm mặn là:
3
1 3
2 2
1 5
3 6 5 2
1
2 F F
f F
Lw= h − + − (9.4)
Với
2 1 2 1
1
1 ( )
8
V V V f V
−
= − ρ
τ (9.5)
và F=Vf / δgh (9.6) Lw: Chiều dài nêm mặn (m)
Vf: Lưu tốc dòng chảy từ sông ở phía trên nêm mặn (m/s) V1: Lưu tốc nước ngọt ngay phía trên nêm mặn (m/s) V2: Lưu tốc trong khối nước mặn (m/s)
τ1: Lực ma sát dọc trên mặt tiếp xúc (N/m2) δ = (ρ2 - ρ1) / ρ1 (hệ số không thứ nguyên)
Biểu thức này phản ánh ảnh hưởng của độ sâu dòng chảy (h), lưu tốc dòng chảy nước ngọt Vf, và chênh lệch mật độ giữa 2 khối nước. Giá trị của f1 vào khoảng 0.1. Tất nhiên, ở trạng thái cân bằng lý tưởng, V2 = 0. Lý do là không có lực ma sát ở đáy sông như được biểu diễn trên hình 9- 4. Tài liệu để xây dựng đồ thị hình 9 - 4 gồm có:
f1 = 0.08; h = 10 m; Vf = 0.2 m/s; và δ = 0.0246, và tính được Lw = 2689 m.
Trong thực tế, chúng ta thường gặp cân bằng động. Sự xáo trộn xảy ra trong khu vực tiếp xúc giữa 2 khối nước. Hình đứt nét đứng trên hình 9 - 4 khoảng một nửa của nêm mặn. Lưu lượng thực tại một mặt cách ngang sẽ là:
Q1 = Qf + Qw (9.7)
Trong đó: Qw = Lưu lượng chảy vào thuộc khối nước mặn Qf = Lưu lượng nước ngọt
Q1 = Lưu lượng tổng hợp tại mặt cắt xác định Do tính liên tục của khối nước ta có:
Q1S1 = QwS2 (9.8)
Với S1 độ muối trong khối nước phía trên nêm và S2 là độ muối dưới nêm.
Khi thay đại lượng Vf tính toán từ các phương trình 9 -5 và 9 - 6 vào phương trình 9-4 ta thấy Lw có xu thế giảm khi Vf tăng và khi F = 1 thì Lw = 0. Chú ý rằng, Vf tăng cũng có nghĩa là Qf tăng, điều này dường như trái ngược với các công thức kinh nghiệm trình bày trong các phương trình 9-1 và 9-3. Theo đó khi Qf tăng hiện tượng phân tầng cũng tăng lên và mặt ngăn cách nằm ngang sẽ thay thế cho nêm với chiều dài xác định. Điều chưa rõ ràng này được giải thích bằng thực tế rằng ảnh hưởng của thủy triều có thể bỏ qua trong công thức 9 - 4, như vậy so sánh này là vô nghĩa.
Trong thực tế, sự xâm nhập mặn rất phức tạp do lưư lượng sông thay đổi, ảnh hưởng của thủy triều và lòng sông không phải lăng trụ.
Thông thường, ảnh hưởng của thủy triều là quan trọng nhất. Nó gây nên dao động của hệ thống dòng chảy 2 lớp trên đáy sông không bằng phẳng. Chuyển động này làm tăng khả năng xáo trộn qua lại giữa 2 lớp chất lỏng. Tại những cửa sông ảnh hưởng của thủy triều mạnh, trong khi nước ngọt chảy từ trong sông ra nhỏ, hiện tượng phân tầng sẽ bị phá vỡ dẫn đến quá trình xáo trộn hoàn toàn, nghĩa là tại một thời điểm bất kỳ, một mặt cắt bất kỳ, sự thay đổi độ muối theo phương thẳng đứng rất nhỏ.
9.3.3. Hiện tượng phân tầng theo phương ngang
Hiện tượng phân tầng theo phương ngang có nghĩa là có mặt ngăn cách nằm ngang ngăn cách giữa 2 khối nước có mật độ khác nhau. Nếu mật độ tầng trên nhỏ hơn tầng dưới thì mặt ngăn cách sẽ ổn định. Trong thực tế, mặt ngăn cách kiểu này rất ổn định thậm chí khi có sự chuyển động của cả 2 khối nước. Hiện tượng phân tầng do sự khác nhau về độ muối hoặc nhiệt độ thường thấy trong đại dương, nhưng ít thấy ở trong các hồ có độ sâu nước nhỏ.
Khi bề mặt phân tầng nằm ngang tồn tại trong khối nước, sóng sẽ hình thành trong khu vực mặt ngăn cách, lệch về khối nước phía trên. Mặt trên của khối nước là mặt tiếp xúc giữa nước và không khí. Tuy nhiên, sóng nội xảy ra tại khu vực ngăn cách giữa 2 khối nước mà sự sai khác mật độ của chúng không nhiều. Sự khác nhau này đã tạo nên sóng nội có khi mạnh bằng sóng do gió tạo ra.
Nước tĩnh là điều kiện tạo nên hiện tượng phân tầng theo phương ngang với khối nước ngọt nằm trên khối nước mặn. Sóng nội bộ (hình 9-5) hình thành giống như sóng do tàu thuyền, sóng do động đất hoặc hiện tượng lở đất ngầm gây ra. Sóng nội bộ cũng hình thành trên bề mặt của 2 khối chất lỏng chuyển động tương đối so với nhau.
Hình 9-5: Sóng nội
Tốc độ truyền sóng tại bề mặt ngăn cách tính theo công thức:
2 1 1 2
2 1 2
1 )
(
θ ρ θ ρ
θ θ ρ ρ
+
= − g
c (9 - 9)
Với:
c = tốc độ truyền sóng ρ = mật độ
θ = Chiều dày lớp chất lỏng
Khi ρ2 xấp xỉ bằng ρ1,phương trình (9 - 9) được viết là:
2 1 1 2
2 1 2
1 )
(
θ ρ θ ρ
θ θ ρ ρ
+
= − g
c =
h gθ1θ2
δ (9 - 10)
với:
δ = (ρ1 - ρ2) / ρ1 h = θ1 + θ2
Các sóng này có thể rất cao vì ảnh hưởng của trọng lực không lớn. Chúng thường chịu ảnh hưởng nhỏ của sóng âm tại bề mặt. Sóng nội cũng có thể hấp thụ một cách đáng kể năng lượng do tàu thuyền tạo ra. Ví dụ dưới đây giải thích điều này.
Một con tàu có độ sâu mớn nước là 4 m chạy qua một khối chất lỏng đồng nhất phía trên có độ dày 3 m với độ muối S = 5(‰) và nhiệt độ T =2 0C nằm trên khối nước có chiều dày 7 và độ muối S = 36(‰), nhiệt độ T = 40C . Hỏi tốc độ giới hạn của tàu là bao nhiêu để có thể di chuyển qua khu vực này?
Từ bảng quan hệ giữa độ muối, nhiệt độ (bảng 4.1, chương 4), ta có σ t1 = 4.00 : ρ1 = 1004.0 kg/m3
σ t2 = 28.70 : ρ2 = 1028.7 kg/m3
Theo đầu bài ta có: θ1 = 3 m; θ2 = 7 m; Thay vào phương trình (9-10) ta có
c = 0.71m/s
) 3 )(
7 . 1028 ( ) 7 )(
1004 (
) 7 )(
3 )(
81 . 9 )(
0 . 1004 7
. 1028
( =
+
− (9.11)
Chỉ khi tàu chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc này thì nó mới có thể chuyển động lên phía trước.
Đây là vấn đề rất được quan tâm ở vài thế kỷ trước đây ở vùng biển Baltic khi nước có độ muối tương đối nhỏ chảy trên lớp nước có độ muối cao hơn chảy ra từ Skagerak.
9.3.4. Bồi lắng trong sông
Như đã được trình bày ở những phần trước, sự dao động mực nước trong một chu kỳ triều là nguyên nhân làm cho nêm mặn chuyển động lên xuống. Hệ quả trực tiếp nhất
của việc di chuyển nêm mặn vào sông là quá trình bồi lắng tại cửa sông. Dòng chảy sát đáy thay đổi rất mạnh bởi sự hiện diện của nêm mặn. Phần phía trên đỉnh nêm mặn, dòng chảy có hướng ra biển, trong khi trong nêm mặn dòng chảy có hướng chảy vào sông với tốc độ khá nhỏ. Vì lưu tốc đáy tại đỉnh nêm phải bằng không, nên quá trình bồi lắng sẽ xảy ra ở khu vực này. Ở những cửa sông mà ảnh hưởng của thủy triều không lớn và sự tồn tại của nêm ổn định thì bùn cát bồi lắng có thể làm đáy sông nâng lên đáng kể. Chính là vai trò của nêm mặn mà tại đây có sự thay đổi mật độ nước là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng bồi lắng. Cũng còn phải kể tới sự khác nhau về nhiệt độ nước tạo nên sự thay đổi khi gặp nhau và thúc đẩy thêm quá trình bồi. Hiện tượng xáo trộn này còn thấy ở những kênh xả nước sau khi làm lạnh của nhà máy nhiệt điện.
Khi bùn cát lơ lửng mà thành phần của nó gồm các các hạt sét và mật độ của nước tại nêm mặn tạo ra sự khác nhau về độ muối thì các quá trình điện hóa có ảnh hưởng quyết định đến hình thức lắng đọng tại cửa sông. Các hạt sét mịn trong nước ngọt có hình dẹt hoặc hình mũi kim với kích thước tối đa khoảng vài micromet.
Khi xáo trộn với nước biển mà thành phần các ion dương như (Na+, Mg2+, Ca2+ v.v...) thì quá trình trung hòa phát triển, các hạt liên kết với nhau thành hạt có kích thước lớn hơn để chìm lắng xuống đáy sông. Độ muối khoảng 3‰ là giới hạn trong quá trình kết tủa và lơ lửng hóa. Ảnh hưởng điện hóa chỉ mạnh mẽ khi sự thay đổi của độ muối nằm dưới giới hạn này. Quá trình kết tủa xảy ra mạnh khi nồng độ muối tăng lên, nhưng đến khi triều rút, nước ngọt tăng lên hay độ muối giảm đi thì quá trình phá vỡ các hạt đã liên kết để trở lại trạng thái lơ lửng lại xảy ra. Quá trình này thường làm thay đổi hàm lượng cát lơ lửng trong nước ở những nơi độ muối nhỏ. Có thể hình dung ảnh hưởng này bằng việc so sánh tốc độ lắng chìm của hạt cát trong nước ngọt và tốc độ lắng chìm của nó trong nước có độ muối trên 5‰. Các kết quả nghiên cứu của Allersma, Hoekstra và Bijker (1967) cho tỉ số này khoảng 1:50.
Chất lượng của bùn cát đáy sông trong vùng này không giống với bùn cát nguyên gốc.
Thực tế bùn cát tạo thành trong quá trình kết tủa thường có hàm lượng nước khá cao.
Thể tích của nó gấp khoảng từ 5 đến 10 lần thể tích của các hạt nguyên gốc (trong cơ học đất ta nói độ rỗng bùn cát tại đây khoảng 90%). Rõ ràng rằng trong một thể tích đơn vị lượng nước chiếm một tỉ lệ lớn, do vậy dung trong bùn cát loại này khoảng 1100 đến 1250 kg/m3. Vật chất này có đặc tính của chất lỏng nhớt với độ nhớt gấp khoảng 100 đến 1500 lần độ nhớt của nước. Loại vật chất này với tên gọi là bùn nhão rất khó xác định khi khảo sát đáy sông vì nó phản xạ vô cùng yếu nên thể hiện không rõ ràng trên đồ thị đo đạc. Loại bùn này lỏng đến mức tàu thuyền có thể di chuyển dễ dàng trên nó. Quá trình cố kết của loại bùn này xảy ra rất chậm chạp. Lớp với độ dày tới 2.5m tồn tại dưới dạng lỏng tới hàng nhiều tuần lễ và nó dễ dàng trở lại trạng thái lơ lửng khi lưu tốc dòng chảy vượt giới hạn cho phép từ 0.2 đến 1.0 m/s.
Phần trên của lớp bùn gần như lớp chất lỏng nhớt và lớp này có thể bơm hút rất dễ dàng. Tuy nhiên, nếu xem là vật chất thì dung trọng của lớp bùn lỏng này rất thấp, do vậy năng suất bơm rất thấp. Một trong những biện pháp cải thiện năng suất nạo vét là
nạo vét lớp dưới và gom những vật chất lớp trên xuống hố vừa nạo vét để chúng cố kết ở đó. Tuy nhiên, biện pháp thu gom là rất quan trọng. Hiện nay người ta thường sử dụng 2 biện pháp sau:
• Nếu khu vực nạo vét có độ dốc thì nên nạo vét đầu tiên ở phía cuối dốc để dưới tác dụng của trọng lực lớp bùn lỏng ở phía trên sẽ tự trượt xuống hố đã tạo ra do nạo vét.
• Biện pháp thứ 2 dựa trên ứng suất trượt tồn tại khi nước chảy phía trên lớp bùn loãng tạo ra lực dẫn cho lớp bùn nhão chuyển động. Tuy nhiên nếu lực trượt quá lớn thì thì lớp bùn loãng bị khuấy lên và rất dễ trở lại trạng thái lơ lửng.
9.3.5. Một số biện pháp kiểm soát dòng mật độ trong sông
Có rất ít giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa kinh tế cao nhằm kiểm soát tình trạng nêm mặn lấn vào trong sông. Phần lớn các giải pháp kỹ thuật chỉ tập trung vào những khu vực nhỏ có ý nghĩa kinh tế cao như lưồng tàu và khu vực cảng. Có thể dễ dàng nhận ra rằng có thể hạn chế được quá trình xâm nhập của nêm mặn nếu giảm độ sâu nước mặn hoặc tăng lượng nước ngọt từ trong sông chảy ra. Người ta có thể làm đập ngầm bằng cuội sỏi ngăn chặn nêm mặn tiến vào do làm giảm độ sâu nước khu vực tạo đập. Các giải pháp này được ứng dụng rộng rãi ở khu vực luồng vào cảng ở cac cảng lớn trên thế giới như cảng Rotterdam (Hà Lan), trên sông Mississippi để kiểm soát mặn cho cửa lấy nước ở New Orleans.
Dòng mật độ do nhiệt gây ra có thể kiểm soát được bằng việc đẩy nhanh quá trình xáo trộn giữa 2 khối nước hoặc tăng quá trình truyền nhiệt giữa các lớp nước hoặc với khí quyển. Chẳng hạn biện pháp thúc đẩy quá trình xáo trộn giữa các lớp bằng cách tạo ra quá trình không ổn định của dòng có nhiệt độ cao hoặc tạo ra hiện tượng không ổn định trong các tầng nước. Giải pháp xây dựng các mố trụ hoặc đê ngầm tại cửa ra kênh nước nóng sau khi đi qua nhà máy nhiệt điện sẽ đẩy nhanh quá trình rối và đẩy nhanh quá trình xáo trộn giữa các lớp nước. Cũng có thể sử dụng các bơm khí đặt dưới nước để tạo ra hiệu ứng tương tự. Hiện tượng rối tự nhiên xảy ra khi nêm nước thải nóng hơn nhưng có độ muối nhỏ hơn được bố trí cho chảy ra biển ở gần đáy. Khi đó hiện tượng nước có mật độ thấp hơn, nóng hơn có xu thế nổi lên trên và tạo nên quá trình xáo trộn.
Một giải pháp khác để kiểm soát ô nhiễm dạng nhiệt là làm lạnh nước thải nóng trước khi xả chúng trở lại nguồn. Giải pháp này có thể kết hợp với việc đổ tạm chúng ra những hồ nông hoặc cho chảy tuần hoàn qua các tháp lạnh. Cũng có thể làm lạnh một cách đơn giản bằng việc sử dụng một kênh dẫn nước ra khá rộng và dài.
Tất cả các giải pháp trên là truyền nhiệt trong các lớp nước khác nhau hoặc ra khí quyển. Khi xây dựng các tháp làm lạnh cần quan tâm đến việc bảo vệ khu vực giữa của lấy nước và cửa tháo nước.
Ví dụ: Ngưỡng tràn ngầm chống nêm mặn xâm nhập trên sông Mississippi