trờng đại học khoa học tự nhiên ROY LEWIS quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nớc ven bờ Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo 2 hµ néi 2004 3 5 Lời ngời dịch Khu vực cửa sông ven bờ là nơi tập trung dân c 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 thơng mại lớn nh 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 trờng nơi đây là việc làm không thể thiếu, thu hút sự đầu t 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 trớc hết cần có những hiểu biết nhất định về Hải dơng 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 nớc tiên tiến, việc nghiên cứu vùng này rất đợc chú trọng nhng do những đặc thù phức tạp của nó, các kết luận khoa học thờng đợc phát biểu một cách dè dặt. Do những nhu cầu phát triển kinh tế và quốc phòng của nớc ta, việc nghiên cứu cửa sông ven bờ càng dần đợc chú trọng. Quyển sách Quá trình phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nớc 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 trờng. 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 tơng lai cho ngời đọc Các học sinh năm cuối chuyên ngành hải dơng, thuỷ văn, môi trờng 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, ngời 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 cha 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 cha có thuật ngữ tiếng Việt chính xác ngời đọc có thể vận dụng theo ngôn từ mà một số ngành liên quan đã sử dụng, hoặc suy luận theo ngữ cảnh. Ngời dịch cám ơn Khoa KT- TV- HDH, Trờng 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. Ngời dịch Nguyễn Thọ Sáo 6 Mục lục Lời ngời dịch 5 Mục lục 6 Lời nói đầu 12 Lời cảm ơn 15 Chú giải 16 chơng 1. Giới thiệu 20 1.1 Những trạng thái phát tán tiêu biểu 20 1.2 Tính tơng 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 trợt 30 ứ ng dụng cho sự pha loãng trong sông 31 ứ ng dụng cho sự pha loãng trong môi trờng biển 35 1.4 Cấu trúc của quyển sách 36 chơng 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 Phơng trình Bernoulli 40 2.2.3 Năng lợng đặc trng của dòng chảy 43 2.2.4 Nớc nhảy thủy lực 45 2.2.5 Dòng chảy biến đổi dần dần 48 7 2.2.6 Phơng 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 lu 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 phơng trình chuyển động tổng quát 66 2.4.3 Sóng tiến 66 2.4.4 Cân bằng năng lợng sóng 68 2.4.5 Biến dạng sóng 69 2.4.6 Dòng d 71 2.4.7 Năng lợng rối phát sinh từ đáy 74 2.4.8 Tiêu tán năng lợng thủy triều 74 2.4.9 ứng suất trợt biến đổi theo thời gian 77 2.5 Tóm tắt 80 Vận tốc tuyệt đối 80 Trợt vận tốc 80 Xáo trộn do rối 80 Chơng 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 nớc 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 lu 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 Nớc 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 lợng rối 100 3.4.1 Khái niệm về phát sinh và tiêu tán cục bộ 100 3.4.2 Mức độ phát sinh năng lợng rối 101 8 3.4.3 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 lợng rối 105 3.5.1 Tắt dần do phân tầng 105 3.5.2 Lý thuyết trợt không đổi 107 3.5.3 Lý thuyết trợt biến đổi 110 3.6 Năng lợng 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 tơng đối của đáy và mặt phân cách 116 3.7 Tóm tắt 118 Chơng 4. Khuyếch tán rối 120 4.1 Trạng thái chuyển động rối 120 4.2 Các thuộc tính trung bình của trờng rối 121 4.2.1 Phân tách rối và những điều kiện trung bình 121 4.2.2 Khái niệm quãng đờng xáo trộn 122 4.2.3 Phơng trình cân bằng khối lợng tổng quát 123 4.3 Các thuộc tính thống kê của trờng 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 lợng 136 4.4 Tóm tắt 138 Chơng 5. Quá trình phát tán trợt 139 5.1 Khái niệm cơ bản 139 5.2 Phát tán trạng thái ổn định 144 5.2.1 Trợt thẳng đứng dọc theo dòng chảy trung bình 144 5.2.2 Trợt thẳng đứng vuông góc với dòng chảy trung bình 151 5.2.3 Trợt theo hớng vuông góc với dòng chảy trung bình 153 5.3 Dòng chảy trợt 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 9 5.3.4 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 trợt 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 trờng biển 162 5.5 Tóm tắt 164 Chơng 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 Phơng 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 hớng ngang 194 6.7.1 Thiết lập mô hình 194 6.7.2 Các phơng trình cơ bản 195 6.7.3 Phơng 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 Chơng 7. Phơng pháp luận đối với đo đạc và quan trắc 202 7.1 Giới thiệu 202 7.2 Những chất chỉ thị đợc giới thiệu 203 7.2.1 Kỹ thuật thực nghiệm 203 10 7.2.2 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 Chơng 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 đợc kiểm soát bởi sự trợt 233 8.3.2 Hiệu ứng của kích thớc xoáy 235 8.3.3 Phát tán tuyệt đối và tơng đối 246 8.4 Phát tán có quy mô thời gian trung bình 248 8.4.1 Những điều kiện đợc kiểm soát bởi sự trợt nội thủy triều 248 8.4.2 Những hệ số khuyếch tán hiệu quả 250 8.4.3 Đóng góp của trợt đối với quá trình phát tán dọc 257 8.4.4 Đóng góp của trợt đối với phát tán hớng ngang 261 8.5 Phát tán quy mô thời gian dài 264 8.5.1 Phát tán dọc 264 8.5.2 Phát tán hớng ngang 265 8.6 So sánh với những điều kiện môi trờng 267 8.6.1 Sự thích nghi với điều kiện xung quanh 267 8.6.2 Nguyên nhân biến thiên của K xe , K ye 271 8.7 Tóm tắt 272 Chơng 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 trng của fio 287 9.2.5 Dòng chảy vào và dòng chảy ra từ những fio 288 11 9.2.6 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 trng của những dòng chảy ra 291 9.3.2 Xáo trộn vệt loang chảy ra 293 9.3.3 Phát tán dài hạn trong nớc 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 trợt 312 9.5 Tóm tắt 316 Chơng 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 tợng quá độ và sự phát triển của rối 322 10.2.3 Chất chỉ thị nh 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 hớng ngang 334 10.5 Nghiên cứu tơng lai đối với phát tán trong môi trờng biển 338 10.6 Tóm tắt toàn bộ 338 Tài liệu tham khảo 340 [...]... Kxe hệ số phát tán dọc (m2s- 1) Krc hệ số phát tán hướng tâm (m2s- 1) Ky hệ số khuyếch tán rối ngang (m2s- 1) Kye hệ số phát tán ngang (m2s- 1) Kz hệ số khuyếch tán rối thẳng đứng (m2s- 1) L độ dài lòng dẫn hoặc nhánh sông M khối lượng vật chất thải Nx hệ số nhớt rối (tọa độ x) P mức độ tăng PE (kgm-2s- 1) (Jm- 2) (m2s- 1) 16 (ms- 1) P vận tốc khuyếch tán đốm loang Pb mức độ rối KE nhận được từ ma sát đáy Pn... phân cách Fm dòng muối lên thượng lưu G mức độ phát sinh rối KE H hiệu suất nhiệt H độ dốc của gradient độ mặn H biên độ thuỷ triều (m) I lưu lượng chất ô nhiễm (kgs- 1) Is lưu lượng nhập chất ô nhiễm tại mặt cắt s (kgs- 1) Isv lưu lượng chất ô nhiễm (kgm-2s- 1) Kh hệ số phát tán ngang đối với đốm loang hình êlíp (m2s- 1) Kx hệ số khuyếch tán rối dọc (m2s- 1) Kxe hệ số phát tán dọc (m2s- 1) Krc hệ số phát tán. .. (ms- 1) u0 vận tốc tại điểm thải (ms- 1) ur vận tốc tổng hợp trong mặt phẳng x- z (ms- 1) us vận tốc mặt nước (ms- 1) uSm vận tốc dòng trôi Stokes (ms- 1) uTm vận tốc trung bình theo độ sâu trung bình thủy triều (ms- 1) u vận tốc theo hướng x (ms- 1) v vận tốc theo hướng y (ms- 1) w vận tốc theo hướng z (ms- 1) x tọa độ dọc y tọa độ ngang z tọa độ thẳng đứng (hướng xuống dưới) zx gradient vận tốc thẳng đứng (trượt)... 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... tốc (tọa độ x) k số sóng l quy mô khuyếch tán ls quy mô xoáy trong dòng chảy phân tầng lo quy mô xoáy trong dòng chảy xáo trộn m, n,p (ms- 1) độ sâu lớp fn (ms- 1) những hằng số (m) 17 (m2s- 1) q lưu lượng thể tích trên chiều rộng đơn vị r tỷ lệ của độ lệch chuẩn s độ mặn s độ dốc đáy sL độ dốc mặt nước t thời gian u* vận tốc ma sát (ms- 1) ub vận tốc dòng chảy đáy (ms- 1) uFW vận tốc dòng chảy nước ngọt (ms- 1). .. 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... triều (s- 1) (s- 1) (m2s- 3) 18 h độ lệch chuẩn toàn bộ đối với đốm loang hình êlíp x độ lệch chuẩn (tọa độ x) xs độ lệch chuẩn do khuyếch tán và phát tán x độ lệch chuẩn chỉ do phát tán rc độ lệch chuẩn hướng tâm yc độ lệch chuẩn tương đối so với những tọa độ cố định yr độ lệch chuẩn tương đối so với trọng tâm ứng suất trượt độ nhớt phân tử động học cao trình mặt nước (m) độ sâu phân số z / h (m) 19... tích lăng trụ thủy triều của cửa sông Q lưu lượng khối lượng (kg s- 1) Q lưu lượng thể tích (m3s- 1) Q hệ số dịch chuyển hướng dọc Qn thể tích của đoạn thứ n R bán kính thủy lực (m) R lưu lượng thể tích sông (m3s- 1) Re số Reynolds Ri số Richardson gradient RiB số Richardson tổng hợp Rf số Richardson dòng T chu kỳ thủy triều (h) U biên độ dòng triều (x) (ms- 1) Vn thể tích lúc nước thực tế của đoạn thứ n... 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, ... 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 . khuyếch tán rối dọc (m 2 s -1 ) K xe hệ số phát tán dọc (m 2 s -1 ) K rc hệ số phát tán hớng tâm (m 2 s -1 ) K y hệ số khuyếch tán rối ngang (m 2 s -1 ) K ye hệ số phát tán ngang (m 2 s -1 ). nhu cầu phát triển kinh tế và quốc phòng của nớc ta, việc nghiên cứu cửa sông ven bờ càng dần đợc chú trọng. Quyển sách Quá trình phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nớc ven bờ của. trờng đại học khoa học tự nhiên ROY LEWIS quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nớc ven bờ Biên dịch: Nguyễn Thọ