Chương 7: CỬA SÔNG VÀ CỬA VỊNH TRIỀU
7.5. Cửa sông vùng triều
Từ “cửa sông vùng triều” bắt nguồn từ gốc Latinh “aestus”, nghĩa là triều. Phần lớn mọi người trên thế giới cho rằng cửa sông vùng triều là vùng sông gặp biển. Tuy nhiên, để có một định nghĩa chính xác hơn thì còn tuỳ vào quan niệm do các nhà khoa học xây dựng. Trong phạm vi này chúng ta không nghiên cứu các định nghĩa đó mà chỉ cần hiểu rằng cửa sôngvùng triều là nơi gặp gỡ của nước ngọt và nước biển.
Các cửa sông vùng triều không đồng nhất do sự khác nhau về độ lớn triều và lưu lượng chảy ra từ sông tạo nên sự trộn lẫn giữa nước ngọt và nước mặn. Về cơ bản, các nhà
khoa học chia thành 3 loại cửa sông vùng triều: cửa sông mặn tiến vào dưới dạng nêm;
cửa hỗn hợp một phần và cửa hỗn hợp hoàn toàn.
Cửa dạng nêm khi nước sông chảy vào biển có thuỷ triều nhỏ, nước ngọt nằm trên nêm nước mặn tiến vào sông với độ dày giảm dần và trong điều kiện hầu như không có dòng triều. Trong trường hợp này 2 khối nước chậm chạp trườn lên nhau tạo nên mặt ngăn cách được xem là cứng. Thực tế khi 2 khối nước trườn lên nhau tạo ứng suất cắt trên mặt tiếp giáp và là nguyên nhân gây ra rối cục bộ và sóng nội bộ tạo thành khu vực mặt tiếp giáp.
Vị trí của nêm mặn phụ thuộc vào dòng chảy trong sông. Khi lưu lượng chảy ra nhỏ, nêm mặn tiến sâu vào đất liền hơn khi lưu lượng dòng chảy lớn. Khi sông có lưu lượng bùn cát nhỏ sẽ xuất hiện dạng nêm mở, còn trường hợp lưu lượng bùn cát lớn có xu thế hình thành dạng delta. Đó là các cửa sông Hồng, Mekong hay Mississippi.
Dạng cửa sông hỗn hợp một phần là cửa hình thành khi nước sông chảy ra biển có độ lớn triều trung bình. Dòng triều là đáng kể và toàn bộ khối nước dịch chuyển lên xuống theo sự dịch chuyển của thuỷ triều. Cho nên, thêm vào dòng chảy sinh ra tại mặt ngăn cách, ma sát tại đáy sông tạo nên lực cắt tại đó và tạo ra hiện tượng rối - là nguyên nhân gây ra sự trộn lẫn giữa hai khối nước hơn là sóng sinh ra tại mặt ngăn cách. Không chỉ có nước mặn chuyển động đi lên mà nước ngọt cũng xâm nhập xuống.
Tại điểm càng ra gần cửa, dòng chảy tổng cộng (dòng dư) hướng vào đất liền giảm dần, nhưng dòng chảy có hướng ra biển khi càng đi lên mặt lại tăng lên. Điểm không có dòng dư thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình đáy. Tại điểm này, không có dòng dư hướng vào đất liền và được xem là điểm “0” của cửa sông.
Điểm “0” thay đổi lên xuống theo trục sông, phụ thuộc vào sự thay đổi của độ lớn triều trong nửa chu kỳ triều (12.5 đến 14 ngày). Cũng có sự thay đổi mùa phụ thuộc vào lưu lượng sông.
Tại các cửa sông rộng, nông nhưng có độ lớn triều lớn, dòng triều khá đáng kể so với dòng chảy trong sông thì hiện tượng trộn lẫn hoàn toàn xảy ra. Trong các cửa sông loại này, nồng độ muối thay đổi rất ít theo chiều sâu, nhưng lại thay đổi rất nhiều theo mặt cắt ngang. Cửa sông loại này thường là loại cửa hình phễu, nông, rộng ở cửa và thu nhanh khi đi vào trong đất liền.
Chỉ số trộn lẫn ỏ biểu thị mức độ trộn lẫn. Trộn lẫn hoàn toàn và hình thành lớp song song không trộn lẫn là 2 biên của quá trình trộn lẫn.
P T Q *
= f
α (7.3)
Qf = Lưu lượng nước ngọt (m3/sec) T = Chu kỳ triều (sec)
P = Khối nước triều (m3)
0.0 < α < 0.1 Trộn lẫn hoàn toàn, 0.1 < α < 1.0 Trộn lẫn từng phần,
α = 1.0 Hình thành dòng chảy tầng.
HARLEMAN AND ABRAHAM [1966] đã phát triển công thức tính mức độ trộn lẫn có tên là hệ số cửa Em.
T
* Q
* F
= P E
f 2 o
m (7.4)
trong đó:
Qf = Lưu lượng nước ngọt (m3/sec) T = Chu kỳ triều (sec)
P = Khối nước triều (m3) Fo = số Froude =
gh v
o m
vm= lưu tốc dòng triều lớn nhất (m/sec) ho = Độ sâu trung bình tại cửa sông (m)
Nếu Em gần với trạng thái chảy tầng, khi Em tăng lên thì mức độ trộn lẫn cũng tăng lên.
Có một loại cửa sông thường thấy ở các vùng khô hạn – nơi có độ mặn khá cao. Càng đi ra phía cửa độ mặn và nồng độ muối càng tăng do quá trình bốc hơi rất lớn. Do nồng độ muối cao nên xuất hiện quá trình chìm xuống và chảy ra biển ở lớp dưới và xuất hiện dòng mặt chảy vào sông.
Bảng phần dưới do SAVENIJE [1992] tổng hợp cho biết các loại cửa sông khác nhau trên thế giới. Hình dạng của phần lớn các cửa sông thế giới có dạng hình phễu, được biểu diễn bằng 2 công thức sau đây:
b) (-x
=B
B(x) 0exp (7.5)
a) (x A -
=
A(x) 0exp (7.6)
trong đó:
A0 Diện tích mặt cắt ướt tại cửa sông (m2)
A(x) Diện tích mặt cắt ướt tại toạ độ x từ cửa sông (m2) B0 Độ rộng tại mặt cắt cửa sông (m)
B(x) Độ rộng tại toạ độ x từ cửa sông (m) x Khoảng cách tính từ cửa sông (m)
a,b Các hệ số xác định từ tài liệu đo đạc.
Có một số cửa sông không thể xác định được các hệ số a,b chung cho toàn đoạn cửa vì chúng không có dạng hình phễu, chẳng hạn núi đá ăn sát ra bờ sông tại điểm sát cửa.
Do hiện tượng này mà chiều rộng bị co hẹp, thay vào đó, độ sâu nước tăng lên. Tuy nhiên, với những cửa sông có địa chất tốt thì hiện tượng bù trừ này cũng không được đáp ứng vì tính chất rắn chắc của vật chất đáy sông.
Trong bảng 7.1, cột cuối cùng là loại trộn lẫn (một trong 4 loại đã trình bày ở trên)
Tên cửa sông A0 h a b H T E Pt Qb type
Đơn vị m2 m km km m hr km Mm3 m3/s
Mae Klong Solo
Lalang Limpopo Tha Chin Chao Phya Incomati Pungue Maputo Thames Eems Corantijn Gambia Schelde Delaware Tejo
1400 2070 2550 2600 300 4300 8100 28000 40000 58500 61000 69000 84400 150000 255000 60000
5.2 9.2 10.6 7.0 5.3 7.2 3.0 4.3 3.6 7.1 3.9 6.5 8.7 10.0 6.6 7.0
102 226 217 50 87 109 42 20 16 23 19 64 121 26 41 11
155 226 96 50 87 109 42 20 16 23 19 48 121 28 42 11
2.0 0.5 2.6 1.1 2.0 2.2 1.4 4.6 2.8 4.3 3.6 2.2 1.2 3.7 1.8 3.4
24 24 24 12 24 24 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
15 6 27 8 15 22 7 18 12 14 15 12 9 12 9 10
21 12 74 21 45 95 57 504 480 878 1220 828 675 1200 2168 570
2000 1500 2500 1100 600 3620 500 930 280 304 300 4090 2000 500 2000 1500
2 1 1 1 2 1 2 3 2 3 3 2 3 3 3 3 A0 Diện tích mặt cắt ướt tại cửa
h Độ sâu trung bình mặt cắt cửa a Hệ số hội tụ chiều dài
b Hệ số hội tụ ngang H Độ lớn triều T Chu kỳ triều
E Khoảng cách dòng triều lên từ cửa sông
Pt Khối nước triều
Qb Lưu lượng ứng với mực nước ngang bờ (Có thể là k/n Qtl)
Loại 1 có độ dốc nồng độ mặn lớn tại cửa sông, thường thấy ở các cửa sông hẹp, thẳng.
Loại 3 ngược với loại 1 nghĩa là độ dốc nồng độ muối nhỏ tại cửa và thường xảy ra với cửa sông dạng hình phễu, độ rộng lớn.
Loại 2 không phải là dạng chuyển tiếp của 1 và 3, nhưng là dạng hỗn hợp giữa 2 loại trên. Đoạn đầu có dạng đường cong 3, nhưng đến khoảng giữa lại đổi chiều sang dạng 1. Ứng với loại này, cửa sông hẹp ở đoạn thượng lưu và hình phễu điển hình ở đoạn gần cửa.
Loại 4 ứng với trường hợp cửa sông có độ mặn rất cao