Chương Giới thiệu 1.1 Những trạng thái phát tán tiêu biểu 'Phát tán' chất hoà tan thể pha loÃng thông qua xáo trộn với chất lỏng bao quanh Đối với khối lượng vật chất đà cho, xáo trộn làm tăng thêm thể tích bị chiếm chỗ phát sinh giảm nồng độ Trong môi trường tự nhiên, phát tán xảy hiệu ứng kết hợp chuyển động rối chuyển động phân tử, chúng hỗ trợ trình làm tăng thể tích bị chiếm chỗ làm tăng diện tích tiếp xúc mà qua xáo trộn thực Thuật ngữ 'phát tán' áp dụng việc lan truyền chất trộn lẫn, chất mà không trải qua pha loÃng Điều bị hiểu sai phải có phân biệt cẩn thận lan truyền phát tán pha loÃng lan truyền phát tán xáo trộn làm giảm nồng độ vật chất Điều nhấn mạnh sách phát tán, xáo trộn pha loÃng xảy Nhiều khái niệm thảo luận thích hợp lan truyền vật chất không hoà tan - ví dụ, tách dần chất lơ lửng cá biệt động vật riêng lẻ quần thể phù du Những trình phát tán có tầm quan trọng đời sống biển Ví dụ, amôniắc cá tiết độc sống nước không pha loÃng xáo trộn với nước xung quanh Những chất dinh dưỡng phát sinh từ thối rữa sinh vật chết đáy biển không sẵn có cho sinh vật phù du xáo trộn thẳng đứng để phát tán chất dinh dưỡng toàn cột nước Thỉnh thoảng, trình phát tán không đủ để bảo đảm pha loÃng thích hợp, trường hợp chất dinh dưỡng, kết tập dẫn đến tăng trưởng mức tảo phù du, sinh 'nở hoa' Một vài hoa tảo độc cá tảo chết đi, chúng tạo thành lớp phủ đáy biển làm ngạt động vật sống Nếu xáo trộn qua lại nước với nước mặn cửa sông mạnh, có thay đổi độ mặn dọc theo chiều dài cửa sông cá di chuyển lên thượng lưu xuống hạ lưu chúng thích nghi với độ mặn khác Tuy nhiên, xáo trộn không đủ ®Ĩ lµm dung hoµ sù thay ®ỉi tõ n­íc ngät đến nước mặn, mặt phân cách mật độ rõ rệt hình thành, loài chưa thích nghi với thay đổi lớn độ mặn chết chúng di chuyển vào sâu mang qua mặt phân cách Trên ví dụ trình tự nhiên đà tồn từ đời sống phát triển biĨn Trong nhiỊu thÕ kû ng­êi ®· sư dơng khả phát tán biển cửa sông để làm loÃng thải phế thải Việc ứng dơng nµy nãi chung lµ 20 tèt nh­ng víi sù tăng trưởng dân cư công nghiệp liên đới, khả phát tán nhiều cửa sông số vùng ven bờ đà tải, dẫn đến tác động đến sống nước rủi ro ®èi víi vÊn ®Ị søc kháe ng­êi Bëi vËy, điều có tầm quan trọng lớn để hiểu chất thải trở nên phát tán biển cửa sông nào, để định lượng mức độ pha loÃng điều kiện khác Những nhà vật lý biển cố gắng thực nhiệm vụ cách sử dụng mô hình toán học để mô tả hệ thống phức tạp máy tính, áp dụng quan trắc trường để kiểm tra tính hợp lý dự đoán họ Nhiều nhà sinh vật học quan tâm đến vấn đề phát tán trứng cá, phân bố chất dinh dưỡng phát từ sông lan truyền đốm loang phï du chøa ®ùng Êu trïng cđa hƯ ®éng vật Những nhà hóa học biển cần đánh giá phát tán hạt mịn mang kim loại bám theo Như vậy, có mối quan tâm đáng kể để hiểu biết nguyên nhân phát tán để định lượng hiệu ứng lên lan truyền chất tự nhiên người tạo Quyển sách nhằm mục đích mô tả nhận thức trình phát tán môi trường biển khái niệm tương đối đơn giản với hy vọng có ích nhà hải dương học nhà khoa học từ chuyên ngành khác Một mục tiêu bổ sung sách tập hợp nghiên cứu lại với nhau, để vừa thể bước quan trọng việc hiểu biết trình phát tán, vừa mô tả kết thực nghiệm đặc biệt hữu ích Hy vọng danh mục sách tham khảo đưa sách có giá trị nhà nghiên cứu tìm kiếm thông tin Để bảo đảm khía cạnh phát tán đề cập với đầy đủ chi tiết, sách xét phát tán chất hoà tan chất lơ lửng mịn; để có thông tin phát tán dầu động lực trầm tích thô, người đọc cần phải tham chiếu đến tài liệu đà xuất khác (ví dụ Dyer, 1986a) Trong suốt sách này, điều nhấn mạnh dựa hiểu biết trình vật lý Tất nhiên toán học phải trình bày để xác định chế này, phải khẳng định việc mô tả có giả thiết đặt ý nghĩa kết phải thật rõ người đọc không nắm nhiều toán học 1.2 Tính tương tự khuyếch tán phân tử khuyếch tán rối 1.2.1 Khuyếch tán rối Những phân tử tạo chất lỏng thường luôn chuyển động chuyển động tăng theo nhiệt độ tác động phân tử phụ thuộc vào lượng nhiệt sẵn có Chuyển động phân tử gây xáo trộn qua lại chất hoà tan với dung m«i bao quanh Nh­ vËy, nÕu mét giät mùc nhỏ vào chén nước để đứng yên thời gian dài, mực khuếch tán toàn thể tích tác động chuyển động phân tử cuối trở nên pha loÃng Sự dịch chuyển mực đạt phân tử mực va chạm ngẫu nhiên với phân tử nước để cho, qua diện tích đà cho nước có trao đổi phân tử nước lẫn mực 21 Có hai tiêu để chuyển động phân tử coi trình khuếch tán Thứ nhất, số lượng phân tử mực chuyển động theo cách qua tiết diện phải số lượng phân tử nước chuyển động theo hướng ngược lại, giả thiết phân tử mực nước có kích cỡ Nếu có không cân số lượng này, trình bao gồm trôi tuý nước qua tiết diện trình gọi bình lưu Hình 1.1 Vận chuyển khuếch tán qua mặt cắt ngang chuyển động phân tử Thứ hai, phải có nồng độ cao phân tử mực phía tiÕt diƯn so víi phÝa Do vËy, ®Ĩ cho khuyếch tán xảy ra, số lượng phân tử mực thể tích đơn vị phải thay đổi theo khoảng cách, tạo 'gradient' nồng độ - thiếu gradient này, chuyển động ngẫu nhiên hiệu ứng lên phân bố toàn diện phân tử mực (hình 1.1) Mối quan hệ suất vận chuyển khuếch tán gradient nồng độ biểu thị dạng Qmol A c y (1.1) Qmol vận chuyển thực khối lượng (những phân tử mực ví dụ này), Adiện tích mặt cắt ngang mà qua vận chuyển khuếch tán xảy ra, c/y gradient nồng độ theo hướng y Trong suốt sách này, hướng x lấy làm thành phần dòng chảy mặt phẳng nằm ngang hướng y vuông góc với mặt phẳng đó; z hướng thành phần thẳng đứng chiều dương hướng xuống Tác động khuếch tán phương trình (1.1) định lượng hệ số Dấu trừ trình phải chuyển tải khối lượng từ khu vực nồng độ cao đến thấp có theo hướng ngược lại Quá trình vận chuyển gọi 'khuyếch tán phân tử ' Một cách khác làm cho mực lan truyền đồng chén khuấy Thời gian đạt điều vài giây so với vài chén đơn giản để đứng yên Quá trình 'khuyếch tán' nhanh hình thành nhiều xoáy không 'những xoáy rối' tác động khuấy, xáo trộn phân tử có mặt, xoáy làm tăng mức độ vận chuyển lớn 22 Để định lượng mức độ vận chuyển khối lượng rối gây ra, tốt phác hoạ tương tự với cách tiếp cận vận chuyển phân tử Nếu xoáy rối riêng lẻ coi phần tử riêng biệt giống phân tử, chuyển động rèi qua mét tiÕt diÖn chÊt láng sÏ trao đổi phần tử chất với phần tử nước Một lần đây, để chế xem xét khuếch tán, thể tích chất mang theo cách phải thể tích nước mang đến theo hướng ngược lại Chuyển động xác định hệ số 'khuyếch tán rối', 'độ khuếch tán rối' K, cách sử dụng phương trình tương tự phương trình phân tử Suất vận chuyển vật chất Qturb chun ®éng rèi b»ng Qturb   K y A c y (1.2) víi Ky lµ hƯ sè khuếch tán theo hướng y Vì nồng độ điểm chất lỏng rối biến động đáng kể theo thời gian, nồng độ c trị số bình quân thời gian chọn Qturb suất trung bình thời gian Hệ số khuyếch tán phân tử coi nh­ mét thc tÝnh cđa chÊt láng vµ lÊy không đổi nhiệt độ cố định Tuy nhiên, xoáy rối riêng lẻ phần tử riêng biệt phân tử chúng có xu hướng thay đổi hình dạng liên tục vỡ thành phần tử nhỏ Do vậy, hệ số khuyếch rối Ky thuộc tính chất lỏng - giá trị phụ thuộc vào cường độ kích thước xoáy chuyển động rối, biến đổi từ phần đến phần khác chất lỏng Điều cho thấy khó đánh giá độ lớn Ky trạng thái riêng biệt việc xác định thông thường phụ thuộc vào khảo sát thực nghiệm Nói chung, hệ số khuyếch tán rối vào khoảng nghìn lần lớn hệ số khuyếch tán phân tử 1.2.2 Độ nhớt rối Vì chuyển động rối quan trọng chuyển động phân tử nhiều việc phát tán chất, có nhu cầu cần biết xoáy rối phát sinh định lượng mức độ phát sinh rối Để pha loÃng giọt mực khắp toàn thể tích cốc việc khuấy, nước cốc đặt vào chuyển động quay tròn Thật hầu hết lượng khuấy sử dụng để làm cho nước từ đứng yên đạt đến vận tốc quay; hoàn lưu đạt đến vận tốc quay ổn định, cần lượng đủ đòi hỏi để đền bù cho lượng tổn thất ma sát thành cốc Nước mép thành cốc thực đứng yên ma sát khác biệt vận tốc dễ nhận tâm cốc thành cốc Chính gradient vận tốc, 'độ trượt', với gradient vận tốc cục việc khuấy tạo ra, làm phát sinh xoáy rối Trạng thái phức tạp xoáy làm trơn khác biệt vận tốc dung hoà gradient sinh chúng Một dòng chảy ổn định phát triển cốc khuấy, lượng dành cho tác động khuấy dùng để thắng ma sát nước gần thành cốc; nước, độ nhớt tương đối thấp hầu hết lượng biến đổi để phát sinh xoáy rối, cuối 23 tiêu tán lượng chúng thành nhiệt Sự trượt vận tốc trạng thái ổn định có dạng bảo đảm tất lượng đầu vào đà sử dụng cho việc tạo xoáy rối chuyển động thành cốc - vận tốc không bề mặt thành cốc thể giống bám bụi cánh quạt máy Tại vị trí nước, tổn thất lượng ma sát nội số đo công thực để thắng lực cản chất lỏng rối Lực cản xác định lực tác động diện tích nhỏ mặt phẳng tiếp tuyến với hướng chuyển động trung bình; lực gọi 'ứng suất tiếp tuyến hay 'ứng suất trượt biểu thị ký hiệu Độ lớn ứng suất trượt phụ thuộc vào mức độ truyền động lượng qua tiết diện, với việc truyền khối lượng, thường phác hoạ tương tự sức cản phân tử, phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng Về mặt khái niệm, chuyển động ngẫu nhiên phân tử tạo nên trao đổi động lượng khu vực dòng chảy nhanh chậm trạng thái cân bằng, số lượng phân tử chuyển từ khu vực chất lỏng nhanh đến khu vực chất lỏng chậm số lượng chuyển từ khu vực chất lỏng chậm đến khu vực chất lỏng nhanh hơn, khác biệt vận tốc xác định nên trao đổi động lượng Sự trao đổi lẫn phân tử làm cho chất lỏng chuyển động nhanh bị chậm lại, mà thực tế có nghĩa dòng chảy cảm nhận sức cản lên chuyển động phía trước Bằng cách tương tự, trao đổi lẫn xoáy khu vực nhanh chậm dòng chảy tạo nên truyền động lượng, làm cho chuyển động nhanh bị chậm lại lực cản (tức ứng suất trượt) ứng suất trượt phân tử mol liên quan với gradient vận tốc u/z theo độ dày dòng chảy hệ số nhớt phân tử chất, theo quan hệ đưa sau mol u z (1.3) Dấu trừ sức cản dương dòng chảy liên quan đến gradient vận tốc âm, tức dòng động lượng mol thể vận chuyển từ dòng chảy nhanh đến dòng chảy chậm Trong dòng chảy rối việc truyền động lượng biểu thị qua hệ số 'nhớt rối' N Nh­ víi khuch t¸n rèi, c¸c xo¸y lang thang cã thể coi khối chất lỏng tương tự phân tử Tuy nhiên, việc truyền trao đổi qua lại xoáy chuyển động chậm nhanh hơn, động lượng truyền áp suất Như N hàm số trao đổi xoáy lan truyền với vận tốc khác lẫn trình truyền áp suất Có thể xem xét trao đổi động lượng áp suất cách tương tự đường bóng bi-a Xem điều xảy bóng bi-a húc vào mép dÃy bóng vừa chạm đến; bóng trở nên đứng yên động lượng truyền vào dÃy bóng bóng mép cuối dÃy bóng chuyển động xa với động lượng ban đầu Con lắc Newton, cầu treo hàng, thực nguyên lý 24 Mặc dầu xoáy coi bóng bi-a, khái niệm truyền động lượng cho xoáy kề bên áp lực xoáy xa có ích Một động lượng truyền theo cách vậy, chuyển động xoáy động lượng vào khu vực dòng chảy lan truyền với vận tốc khác không trao đổi động lượng Điều có nghĩa khu vực xáo trộn tương đối chậm, ví dụ nước phân tầng, suất truyền động lượng lớn suất truyền thuộc tính khối lượng, đòi hỏi trao đổi lẫn xoáy để việc truyền động lượng xảy (mục 3.5.1) Khái niệm hỗ trợ thực nghiệm vùng nước tự nhiên, mà khẳng định hệ số khuyếch tán rối nhớt rối theo hướng thẳng đứng giảmđi phân tầng tăng lên, với giá trị Kz giảm nhanh giá trị Nz Bằng cách tiếp cận tương tự phương trình (1.3) ứng suất trượt phân tử, ứng suất trượt rối (tức lực cản đơn vị diện tích) biểu thức zx   N z u z (1.4) víi zx ứng suất trượt mặt phẳng tác động theo phương x vuông góc với trục z , mật độ chất lỏng Những biểu thức tương đương phát biểu ứng suất trượt vuông góc với hướng x y, môi trường biển hướng thẳng đứng bật ma sát đáy có tác động lớn gradient vận tốc Vì vận tốc điểm chất lỏng rối dao động liên tục, u vận tốc trung bình theo khoảng thời gian chọn Vì với khuếch tán rối, trị số Nz thuộc tính không đổi chất lỏng mà phụ thuộc vào trạng thái chuyển động rối, độ lớn nhớt rối tự chọn dòng chảy rối cho trước mà phải xác định từ quan trắc 1.2.3 Những điều kiện để chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối Những dòng chảy lớp dòng chất lỏng làm thành đường song song không cắt gọi 'theo lớp' vận tốc xem chuyển động lớp, 'tầng' Vận tốc phần tử chất lỏng không thiết dọc theo lớp kề cận, vật cản trơn đường dòng chảy theo đường đồng mức bao quanh vật thể Một trạng thái khác xuất dòng chảy rối, đường phần tử chất lỏng vạch không song song cắt quấn vào cách lộn xộn Mặc dầu dòng chảy chuyển động, nói trung bình theo hướng, nhiễu động liên tục không dự đoán vận tốc điểm có hệ quan trọng Những nhiễu động hiển nhiên khó đo được, chúng có hiệu ứng đáng kể lên đường hạt riêng lẻ chất lỏng, chúng đóng vai trò quan trọng trình phát tán tách hạt Được biết vào kỷ thứ mười tám, dòng chảy rối dòng chảy tầng đà thể cho hai loại dòng chảy khác biệt Vào thời gian đó, đà thấy kết thí nghiệm lòng dẫn hở đường ống khác theo dòng chảy rối tầng, đánh giá cách thức mà độ nhớt ảnh hưởng đến trạng thái 25 chất lỏng Tuy nhiên, khảo sát thực nghiệm Osbome Reynolds (1842-1912), giáo sư công trình Trường đại học Manchester, đà dẫn đến hiểu biết tốt điều kiện thích hợp cho loại dòng chảy cụ thể Thiết bị thí nghiệm Reynolds sử dụng để khảo sát độ từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối gồm ống thuỷ tinh đặt nằm ngang, loe đầu, gắn khít vào thành thùng nước (hình 1.2 (a)) Lượng nước thoát từ thùng qua ống kiểm soát van lối thông (không hình) Một chất màu hoà tan, chứa bình nhỏ, phun thành tia nhỏ đầu loe ống, tạo thành sợi nhỏ dọc theo trục tâm ống Reynolds quan trắc thích ứng sợi nhỏ theo lưu lượng khác chảy từ thùng (Reynolds, 1884) Ông lưu lượng tăng, sợi màu nhỏ bắt đầu dao động, dòng chảy đạt đến mức mà chất màu nhiên xáo trộn hoàn toàn với nước ống (hình 1.2 ( b)) Hình 1.2 Thí nghiệm Reynolds để nghiên cứu độ dòng chảy; a) thiết bị sử dụng, (b) phá vỡ sợi màu với việc tăng lưu lượng Sử dụng lý luận thứ nguyên, xác định số đặc trưng cho dòng chảy tầng Trong chÊt láng cã mËt ®é ®ång nhÊt, chØ cã ba loại lực điều khiển chuyển động: gia tốc khối (hoặc quán tính) dòng chảy, lực ma sát gradient áp suất 26 Vì lực cân nhau, cần xét hai số chúng để đặc trưng cho chuyển động - số Reynolds sử dụng lực ma sát quán tính Giả thiết u lµ vËn tèc tham chiÕu vµ l lµ chiỊu dµi đặc trưng Khối lượng biểu thị tích số mật độ thể tích nên ta có l3 gia tốc u2/l để nhận lực quán tính l2u2 Lực ma sát biểu thị tích số ứng suất trượt u/l diện tích l2 để có lu Số Reynolds lấy tỷ lệ lực quán tính lực ma sát dạng Re l l u lu  lu  (1.5) Thông thường thay / 'độ nhớt động học' Rel = lu/ Trong nước 27o C, có giá trị 1,15 x 10-6 m2s-1 QuÃng đường (chiều dài) đặc trưng thường lấy khoảng cách dọc theo dòng chảy kể từ gốc, đầu loe ống thí nghiệm nguyên Reynolds Tuy nhiên, ống tròn ta quy ước lấy đường kính d làm quÃng đường đặc tr­ng sè Reynolds Red, Reynolds cho thÊy ®é lín Red yếu tố để xác định chuyển dòng chảy từ trạng thái tầng sang trạng thái rối; đánh giá thực nghiệm dòng chảy chuyển sang rối xảy Red nằm 2500 4000 Nghiên cứu dòng chảy ống khảo sát chuyển từ trạng thái rối sang trạng thái tầng (Massey, 1989: tr.142 ) Nhận thấy giá trị Red mà dòng chảy trở lại trạng thái tầng dễ xác định nhiều so với chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối; nói chung giá trị khoảng 2000 Khi nghiên cứu thực nghiệm bể chứa phòng thí nghiệm môi trường biển, tốt sử dụng độ sâu h chất lỏng làm quy mô chiều dài số Reynolds (tức Re = hu/) Mức độ mà xoáy dòng chảy trợ giúp cho phát tán phụ thuộc vào sức mạnh tác động khuấy rối định lượng dạng 'cường độ rối' Đại lượng xác định cách sử dụng kết đo đạc vận tốc trường rối Đặc tính dòng chảy rối nhiễu động nhanh vận tốc xuất vị trí (hình 1.3) Bởi vậy, vận tốc u thời điểm biểu thị tổng giá trị trung bình um thời đoạn cộng với chênh lệch vận tốc u' so với giá trị trung bình Như vËy vËn tèc tøc thêi, vÝ dơ theo h­íng x cã thĨ viÕt lµ u = um + u ' (1.6) Theo định nghĩa, giá trị bình quân u' thời đoạn dùng để xác định um không, để xác định độ lớn nhiễu động rối, sử dụng giá trị bậc hai trung bình bình phương u' Cường độ rối nhiễu động vận tốc theo hướng x biểu thị bậc hai trung bình bình phương thành phần rối dạng ilx u '2 (1.7) gạch ngang biểu thị giá trị trung bình độ lệch vận tốc bình phương theo thời gian Trong nhiều tình thực tế, người ta quan tâm so sánh cường độ rối với dòng chảy trung bình việc sử dụng tỷ số ilx/um nói đến kết nghiên 27 cứu thực nghiệm Một dòng chảy trở nên rối, việc tăng vận tốc dòng chảy làm tăng thêm cường độ trường rối, tăng vận tốc khuấy để xáo trộn mực cốc Như vậy, Re hàm số dòng chảy trung bình, cường độ rối tăng theo số Reynolds Vậy mức độ phát tán chất rối phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trung bình Hình 1.3 Vận tốc u thời điểm tạo từ giá trị um trung bình khoảng lấy trung bình, chênh lệch tức thời u từ giá trị trung bình 1.2.4 Hiệu ứng độ đối víi ph©n bè vËn tèc Trong vÝ dơ vỊ viƯc khy c¸i cèc chøa giät mùc, vËn tèc cđa m¸y khy cã thĨ ®iỊu chØnh cho ®Õn ®é quay nước đạt đến giá trị ổn định mà suất lượng đưa vào cần cân với mức độ tổn thất ma sát Tại giai đoạn cường độ rối tương đối ổn định liên quan đến gradient vận tốc cốc Dòng chảy tầng dòng chảy rối ổn định ống liên quan đến thay đổi vận tốc theo hướng ngang, minh họa hình 1.4 Trong dòng chảy tầng phân bố vận tốc có dạng parabôn có biến đổi đáng kể vận tốc khu vực trung tâm ống Tuy nhiên, dòng chảy rối vận tốc khu vực trung tâm biến đổi rõ ràng đến vậy, gradient vận tốc thành ống lớn nhiều so với dòng chảy tầng Dòng chảy môi trường biển dao động với tính tuần hoàn liên quan đến thủy triều Thông thường, dòng triều tăng đến vận tốc tối đa sau chậm lại chu kỳ khoảng trước lặp lại thay đổi vận tốc theo hướng ngược lại với chu kỳ tương tự Trong đa số cửa sông vùng ven bờ, dòng triều tương ứng với số Reynolds bảo đảm nước trạng thái rối hầu hết thời gian, biến đổi vận tốc dòng chảy theo khoảng cách kể từ đáy biển, 'sự trượt vận tốc' lớn khu vực lân cận đáy Những thay đổi đáng kể dòng chảy nhận thấy gần đường bờ 28 Một đặc tính đặc trưng cửa sông vùng ven bờ mức độ phân tầng tồn nước có mật độ thấp chồng lên nước có mật độ cao Những chênh lệch mật độ xảy làm nóng lớp nước gần mỈt mỈt trêi hc bëi sù lan trun cđa nước tương đối vào nước có độ mặn cao Nồng độ muối hay 'độ mặn' nước biển có ảnh hưởng chủ yếu đến mật độ nước Trong biển hở cách xa bờ, độ mặn tiêu biểu 35 g kg nước - viết 35 phần nghìn (ppt), thời gian gần đơn vị biểu thị đơn vị độ mặn thực hành (psu), cách khác, không sử dụng thứ nguyên Trong sách đơn vị độ mặn không đưa ra, hiểu ppt Tại mặt phân cách tầng nước mặt có độ mặn tầng nước sâu có độ mặn cao hơn, xáo trộn thẳng đứng tạo độ gọi gradient độ mặn thẳng đứng; gradient gọi 'nêm mặn' Tương tự, x¸o trén cã thĨ ph¸t sinh mét khu vùc có nhiệt độ biến đổi dần dần, 'nêm nhiệt', hai lớp có nhiệt độ khác Vì mật độ nước biển bị ảnh hưởng độ mặn nhiệt độ, gradient thẳng đứng mật độ liên quan đến nêm mặn nêm nhiệt này; gradient mật độ gọi 'nêm mật độ' Trong điều kiện phân tầng ổn định xoáy cần nhiều lượng để chuyển động thẳng đứng từ lớp có mật độ lớn đến lớp có mật độ thấp hơn, ngược lại Công thực với lượng bị tiêu hao chuyển động trung bình và, chí với mức độ phân tầng mật độ nhỏ, nhiễu động thẳng đứng chuyển động rối giảm Như vậy, điều kiện phân tầng dòng chảy có xu hướng ổn định với việc chuyển động lớp song song phân bố vận tốc thẳng đứng có dạng điển hình trạng thái tầng trạng thái rối; biến đổi lớn vận tốc xuất gần đáy, gradient vận tốc nhận thấy xuất cao cột nước, đặc biệt khu vực lân cận nêm mật độ ảnh hưởng phân tầng lên chuyển động rối phân bố vận tốc có hệ quan trọng phát tán biển Hình 1.4 Phân bố vận tốc ống có dòng chảy rối tầng Phân tầng mật độ không gây tác động trực tiếp lên nhiễu động ngang có hiệu ứng gián tiếp đà quan trắc (mục 3.5.1) Ví dụ, có xu hướng phân tầng môi trường biển làm giảm nhiễu ®éng ngang chun ®éng 29 rèi, bëi v× sù kìm hÃm nhiễu động thẳng đứng phân tầng có ảnh hưởng đến rối xoáy tất hướng theo ba trục Như vậy, phân tầng làm giảm cường độ rối, xác định phương trình (1.7), ba thành phần vận tốc Những khác quy mô cường độ tồn nước đồng chuyển động rối thẳng đứng hạn chế mặt nước đáy biển; chuyển động ngang từ đường bờ xa không bị hạn chế đến xoáy lớn so với xoáy mặt phẳng thẳng đứng Tóm lại, điều kiện biển rối, nhiễu động tạo hai hiệu ứng đặc trưng Trước hết, xoáy rối dòng chảy có hiệu chuyển động phân tử việc pha loÃng chất Thứ hai, xoáy hiệu việc truyền động lượng, đóng góp cho việc làm trơn gradient vận tốc, gradient nguyên nhân phát sinh xoáy vị trí ban đầu Như truyền động lượng có hiệu ứng trực tiếp lên dòng chảy trung bình; ngược lại, truyền khối lượng xoáy nói chung hiệu ứng lên trường dòng chảy Tuy nhiên, vật chất muối, khối lượng truyền đầy đủ xoáy thay đổi trường mật độ, sau lại ảnh hưởng đến trường dòng chảy 1.3 Đánh giá hiệu ứng phát tán lên pha loÃng Phát tán trượt Mục trước xem xét cách truyền động lượng khối lượng xoáy rối chuyển động ngẫu nhiên, tương tự cách truyền thể phân tử; chuyển động không hướng ưu thống trị chuyển động liên quan đến xoáy nhỏ trường rối Các xem xét mục hiệu ứng xoáy lớn trường, chúng tác động chậm nhiều so với quy mô nhỏ có hiệu việc pha loÃng chất hoà tan Đà chuyển động rối phát sinh trượt vận tốc trường dòng chảy Nếu xoáy liên quan đến trượt tương đối nhỏ so với thể tích bị chiếm chỗ vật chất khuếch tán đảo hướng trước xoáy chí nhỏ gây xáo trộn, chúng không phát sinh biến dạng bền vững chất (hình 1.5 (a)); tức dÃn xoắn lại thể tích cục tạm thời Tuy nhiên, chồng lên chuyển động ngẫu nhiên thường có chuyển động chậm phụ thuộc vào thay đổi thường xuyên hướng Những chuyển động có tổ chức chậm liên quan đến xoáy quy mô lớn thay đổi vận tốc theo không gian dòng chảy trung bình, thuật ngữ 'trung bình' nói đến vận tốc đà lấy trung bình thơì đoạn để loại bỏ chuyển động rối tần số cao Những chuyển động chậm phát sinh biến dạng chất lan truyền, dài rối quy mô nhỏ, để thúc đẩy xáo trộn bảo đảm đốm loang đà bị biến dạng trở lại hình dạng nguyên Vì biến dạng làm tăng diện tích tiếp xúc mà qua xáo trộn xảy ra, nhiễu động nhanh có hiệu việc truyền khối 30 lượng (hình 1.5 (b)) Biến dạng tương tự việc làm tăng diện tích bề mặt bóng hình cầu b»ng c¸ch bãp nhĐ nã cho nã dĐt mét phần - thể tích không đổi không khí cầu phân bố lại gần trọng tâm Hiệu ứng biến dạng đốm loang vật chất biển nhận thấy rõ chế bật khuyếch tán chuyển động túy rối Khi xảy biến dạng quy mô lớn thể tích chất hoà tan, đưa 'hiệu ứng trượt' trình xáo trộn gọi 'khuyếch tán hiệu quả' thay 'khuyếch tán rối' Thuật ngữ 'phát tán' thường sử dụng sách này, để mô tả pha loÃng chế khuyếch tán hiệu Hình 1.5 Sự biến dạng đốm loang theo xoáy rối (a) đảo ngược thường xuyên, (b) đảo ngược tương đối ít, có mặt xoáy quy m« nhá øng dơng cho sù pha lo·ng sông Những trình pha loÃng, sinh chuyển động túy rối, tác động kết hợp biến dạng trượt vận tốc tác động rối, xác định chất pha loÃng nhanh chóng Những hệ số xáo trộn, hệ số khuếch tán rối, Kx, Ky Kz, sử dụng để định lượng mức độ pha loÃng xáo trộn theo hướng thành phần, ví dụ dọc theo hướng dòng chảy trung bình, vuông góc với dòng chảy trung bình 31 thẳng xuống dưới, tương ứng Ta định lượng pha loÃng cách sử dụng công thức toán học để mô tả hình thức mà theo xáo trộn mở rộng thể tích nước bị chiếm chỗ chất bị pha loÃng Đặc điểm quan trọng kỹ thuật khối lượng chất giả thiết không đổi, cho vấn đề lại xác định mức độ tăng thể tích xáo trộn Để minh họa cách tiếp cận này, xét thải liên tục chất ô nhiễm từ ống đặt kè kéo dài phía lòng sông, để hình thành vệt loang lan rộng (hình 1.6 (a)) Diện tích mặt cắt sông giả thiết tương đối không đổi nên thay đổi đáng kể vận tốc trung bình phía hạ lưu dòng chảy, lấy trung bình theo độ sâu chiều rộng sông Do có xáo trộn ngang phía bờ sông xáo trộn thẳng đứng phía đáy, chất thải hình thành vệt loang lan rộng Tại mặt cắt khoảng cách phía hạ lưu nguồn, lát mỏng vệt loang phải có dạng hình 1.6 (b); vị trí lát cắt hình 1.6 (a) Giả sử t giây để nước chuyển từ kè để đến mặt cắt hạ lưu, nên thời gian mà vật chất khuếch tán để chiếm chỗ thể tích lát mỏng; t coi 'thời gian khuyếch tán' Xáo trộn dọc theo hướng dòng chảy có hiệu ứng lên pha loÃng, nồng độ nguồn thải mặt cắt kỊ cđa vƯt loang kh¸ gièng nhau; bëi vËy ph¸t t¸n däc cã thĨ bá qua ThĨ tÝch cđa l¸t máng sau khuÕch t¸n mét thêi gian t tích số bề dày lát x diện tích mặt cắt ngang vệt loang A, tức thể tích Ax Tại đầu cuối ống thải, mặt cắt ngang chất ô nhiễm nhỏ nồng độ phải tương tự vật chất không pha loÃng thân ống Với lát mỏng có bề dày x bao gồm nguồn thải, thời gian để nước mặt sau lát cắt truyền đến mặt trước lát cắt x/uo Nếu lượng nguồn đổ vào Q kg s-1, nước chứa lát cắt phải nhận nguồn vào Qx/uo kg cđa vËt chÊt nã ®i qua kè Với giả thiết khối lượng chứa lát cắt có bề dày x sè theo thêi gian, nång ®é c cđa chÊt lát cắt hạ lưu khối lượng vật chất lát cắt chia cho thể tích đà xác định, cho nªn c Qx Q / Ax  uo uo A (1.8) Biểu thức xác định sở để đánh giá pha loÃng chất thải liên tục vào sông Nói cách đơn giản nồng độ sau thời gian khuyếch tán ®ã phơ thc vµo ®é lín cđa ngn vµo, vËn tốc dòng chảy qua điểm nguồn mặt cắt ngang mà qua vật chất khuếch tán Vì độ lớn khối lượng chất đổ vào thường tương đối không đổi, việc đánh giá nồng độ pha loÃng thông thường phụ thuộc vào việc xác định hai yếu tố lại Dòng chảy nguồn thải, vị trí khác dọc sông, phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy nước từ lưu vực diện tích mặt cắt sông điểm quan tâm Dòng chảy thể tích qua mặt cắt dòng chảy sông ta nhận vận tốc dòng chảy lớn diện tích mặt cắt ngang nhỏ, vận tốc dòng chảy nhỏ diện tích mặt cắt ngang lớn Đối với dòng chảy ổn định vận tốc dòng chảy không đổi theo khoảng cách dọc sông, đánh giá dòng chảy cách sử dụng công thức xét đến độ dốc trung bình đáy sông sức cản ma sát (mục 2.2.1) 32 Sự tăng trưởng mặt cắt vệt loang, minh họa hình 1.6 (b), phụ thuộc vào độ lớn hệ số mô tả xáo trộn thẳng đứng ngang Ky Kz, tương ứng Cách sử dụng hệ số để mô tả mở rộng theo hướng đứng hướng ngang mặt cắt ngang vệt loang phác thảo mục 4.2.3 6.4.1 Để xác định hệ số này, phải phun chất thị vào dòng chảy đo pha loÃng sau Bằng cách khác đánh giá hệ số từ liệu có sẵn sông, dùng sông có đặc trưng vật lý tương tự Hình 1.6 Vệt loang hình thành thải liên tục từ kè; (a) hình dạng tổng qu¸t cđa vƯt loang, (b) diƯn tÝch bao bäc bëi đường đẳng trị nồng độ lát mỏng cắt qua vệt loang Ví dụ Dòng chảy nước trung bình nhiều năm sông Avon miền Nam nước Anh khoảng 20,0 m3 s-1 Một nguồn đổ chất thải amôniắc với lưu lượng 2,7 kg/ngày đòi hỏi đánh giá nồng độ cửa lấy nước tưới nằm 230 m phía hạ lưu Diện tích mặt cắt ngang sông không đổi 80 m2 Sông nông, có độ sâu trung bình 1,9 m, xáo trộn hoàn toàn toàn độ sâu xảy nhanh sau đổ vào Hệ số khuếch tán ngang đánh giá từ nghiên cứu đoạn sông vào khoảng Ky = 0,05 m2 s-1 Dòng chảy trung bình lấy lưu lượng chia cho diện tích mặt cắt (tức u0 = 20,0/80,0 = 0,25 m s-1) vµ bëi vËy, thêi gian chảy truyền từ nguồn đến công trình lấy nước 230/0,25 = 920 giây (15,3 phút) Sử dụng phương trình (4.17) (6.4), chiều rộng W vệt loang sau khuÕch t¸n mét thêi gian t b»ng W = 5, Ky1/2 t 1/2 33 Do ®ã chiỊu réng vƯt loang W= 5,7 x (0,05) 1/ x (920) 1/2 = 38,6 m diện tích mặt cắt bị chiếm vệt loang A = 38,6 x 1,9 = 73 m2, tức gần toàn mặt cắt ngang sông bị phủ đầy nguồn thải đà pha loÃng Từ phương trình (1.8), nồng độ amôniắc công trình lấy nước tưới là: c = Qm / u0A = 2,7 / (24 x 3600 x 0,25 x 73) = 1,71 mg m-3 C«ng thøc ®èi víi nång ®é c = Qm / u0A che giấu số giả thiết ẩn, làm cho cách tiếp cận xấp xỉ đơn giản Tất nhiên, biểu thức toán học sử dụng để mô tả tình trạng thực tế đương nhiên xấp xỉ trình thực tế mà muốn thể Vì lý đó, công thức gọi 'mô hình toán học'; chúng phép đơn giản hóa hữu ích sử dụng máy tính để đánh giá, cho ta nồng độ so với nồng độ quan trắc thực tế để xem yếu tố quan trọng đà tính đến hay chưa Nếu việc so sánh với liệu trường cho thấy dự đoán theo mô hình đà thỏa mÃn, phải loại bỏ phải thay đổi mô hình để mô tả lại bổ sung thêm trình Bây đưa vài ví dụ để thấy ứng dụng công thức đơn giản dẫn đến dự đoán không phù hợp nồng độ sông Trước hết, hÃy xét dòng chảy không mà vận tốc trung bình biến đổi dọc theo độ dài sông Để làm rõ tăng diện tích mặt cắt ngang vệt loang hàm số thời gian, công thức viết sau c Q u A(t ) (1.9) Điều nhấn mạnh để đánh giá nồng độ sau khoảng cách lan truyền đó, phải có thời gian lan truyền Tuy nhiên, mặt cắt ngang, theo vận tốc dòng chảy biến đổi theo khoảng cách dọc sông thời gian khuyếch tán đánh giá cách đơn giản từ vận tốc đà biết mặt cắt riêng lẻ khoảng cách lan truyền; phải xét đến vận tốc dòng chảy vị trí trung gian điểm thải mặt cắt đà chọn Một ví dụ khác cho thấy việc đánh giá c từ công thức đơn giản không thích hợp, quan trắc mà đa số sông vận tốc biến đổi mặt cắt ngang đà cho Ma sát với bờ đáy sông làm cho dòng chảy giảm, để bảo đảm lưu lượng thể tích qua mặt cắt ngang trì theo lưu lượng nước ngọt, vận tốc trung tâm lòng dẫn phải lớn giá trị trung bình mặt cắt Một hiệu ứng biến đổi vận tốc dòng chảy mặt cắt sông vận tốc điểm thải từ ống không giống vận tốc trung bình mặt cắt ngang vệt loang thải Trong trường hợp vậy, giá trị thích hợp u0 vận tốc điểm thải dòng chảy trung bình Nếu vận tốc trung bình sử dụng thay vào đó, việc ứng dụng phương trình (1.9) dẫn đến đánh giá thấp cao nồng độ mặt cắt hạ lưu, phụ thuộc vào vị trí mặt cắt điểm thải Một ví dụ thứ ba, xét ảnh hưởng rối lên đặc trưng xáo trộn Mặt cắt ngang vệt loang A phụ thuộc vào mức độ xáo trộn thẳng đứng ngang mà phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy sức cản ma sát Mặc dầu thực tế chung để giả thiết 34 hệ số xáo trộn không đổi, chúng biến đổi đáng kể theo khoảng cách dọc chiều dài sông Cá biệt, hệ số khác có mặt nhánh sông có chỗ uốn khúc, vùng cạn nước sâu yên lặng Như vậy, ứng dụng phương trình (1.9) với hệ số xáo trộn cố định dẫn đến đánh giá sai nồng độ Điều cho thấy mô hình dựa vào công thức đơn giản, thường có giá trị việc đánh giá ban đầu, cung cấp độ xác đòi hỏi việc đánh giá nồng độ chất hoà tan Một biểu thức tương đương với phương trình (1.9) phát tán đốm loang vật chất riêng biệt có dạng c M V (t ) (1.10) M toàn khối lượng chất thải V(t) thể tích sau thời gian khuyếch tán t Không giống tình thải liên tục, không đòi hỏi vận tốc dòng chảy qua điểm nguồn chất thải giả thiết tức thời Tuy nhiên, phân bố vận tốc dòng chảy cần có để tính toán giá trị t; đòi hỏi liệu để đánh giá đốm loang vật chất phải lan truyền đến đâu thời gian Khối lượng M giả thiết không đổi nên nồng độ phụ thuộc hoàn toàn vào độ lớn V(t) - điều điều khiển xáo trộn hướng ngang, hướng thẳng đứng đốm loang rời rạc, có x¸o trén h­íng däc øng dơng cho sù pha lo·ng môi trường biển Cách tiếp cận để định lượng pha loÃng môi trường biển tuân thủ nguyên lý nghiên cứu sông ngòi Một lần nữa, lấy vệt loang chất thải làm ví dụ, nồng độ đơn giản phụ thuộc vào độ lớn khối lượng vật chất đổ vào, vận tốc qua điểm thải diện tích mặt cắt ngang mà qua vật chất khuếch tán Tuy nhiên, phức tạp sớm xuất áp dụng mô hình đơn giản biển cửa sông Thậm chí đầu vào nguồn thải không đổi, độ lớn hướng dòng chảy biến ®ỉi cïng víi thđy triỊu, c¸c hƯ sè ph¸t t¸n bị ảnh hưởng biến đổi không gian dòng chảy đặc tính cục bộ, trình hóa học hóa sinh tác động bổ sung vào chế vật lý quan trọng việc xác định nồng độ Mặc dầu nguồn thải sử dụng để minh họa trình pha loÃng, xem xét ví dụ nguồn liên tục khác, thải trứng cá vật chất sinh học khác đáy biển Hình 1.7 giới thiệu ví dụ minh hoạ vài trình ảnh hưởng đến lan rộng chất thải xả vào nước thủy triều cửa sông từ lối thoát bờ Trong ví dụ này, vận tốc lớn đoán chừng xuất gần mặt nước trung tâm lòng dẫn trường duỗi thẳng Xáo trộn thẳng đứng bị chặn mặt phân cách mật độ, có lẽ nước mặt có độ mặn nhỏ nước sâu Dưới điều kiện định dòng chảy, bất ổn định xuất mặt phân cách này, làm cho số chất thải truyền xuống lớp thấp Một đánh giá ảnh hưởng chế phát tán cần thiết để bảo đảm kết thực nghiệm trường 35 giải thích cách xác Điều quan trọng để hiểu trình sử dụng mô hình dự báo Hình 1.7 Một số trình ảnh hưởng đến lan rộng chất thải từ nguồn đổ vào cửa sông bờ sông Một sử dụng liệu đà công bố tham số hệ số xáo trộn mô hình toán học, phải xem xét cẩn thận tác động tính nhạy cảm điều kiện hải dương học đặc biệt Thật thú vị thấy giá trị tham số chọn sở nghiên cøu thùc nghiƯm khu vùc quan t©m thĨ hiƯn kết nghiên cứu thực nghiệm với lý nêu Quyển sách nhằm mục đích cung cấp hiểu biết chế gây phát tán để nhà khoa học biển, dù từ chuyên ngành nào, có khả đánh giá mức kết thực nghiệm trường dẫn xuất tham số có ý nghĩa để sử dụng mô hình toán cho trình phát tán 1.4 Cấu trúc sách Công thức đà cho phương trình (1.9) phục vụ mét h­íng dÉn c¸ch thĨ hiƯn cđa qun s¸ch Nh­ công thức đà ra, có hai yếu tố thực cần thiết để đánh giá nồng độ chất môi trường biển Một phân bố vận tốc dòng chảy, nguồn khu vực xảy phát tán, hai mức độ phát tán đà thấy mức độ phát tán tự phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, thông qua hiệu ứng lên rối lên trượt dòng chảy Như việc hiểu biết yếu tố có ảnh hưởng đến phân bố biến đổi theo thời gian vận tốc nghiên cứu tượng phát tán Chủ đề sách trình bày vận tốc mức độ phát tán cửa sông khu vực nước ven bờ Tâm niệm với mục đích này, hai chương sau (Chương 3) khảo sát lý thuyết theo đánh giá vận tốc dòng chảy chất lỏng, với ví dụ lấy từ cửa sông vùng ven bờ để minh họa trình Trạng thái đơn giản dòng chảy xáo trộn mạnh, yếu tố thuỷ động lực gây rối trượt vận 36 tốc xét Chương 2; điều nhấn mạnh tổng quát dành cho trình điều kiện lý tưởng dòng chảy Chương xét hiệu ứng phân tầng lên tranh dòng chảy, tham chiếu đặc biệt đến nguyên nhân ổn định yếu tố làm phá vỡ ổn định cột nước Chương khảo sát khái niệm khuyếch tán rối phát triển cách biểu thị số hạng toán học hiệu ứng rối pha loÃng chất hoà tan Những chương dàn cảnh để Chương khảo sát đóng góp trượt vận tốc phát tán chất môi trường biển Nguyên lý chế này, nhắc đến mục 1.3 biến đổi theo không gian vận tốc làm tăng diện tích bề mặt thể tích bị chiếm chỗ, cho phép xoáy rối trở nên hiệu việc pha loÃng vật chất Trong Chương mô tả vài loại mô hình toán học thường sử dụng để định lượng hiệu ứng phát tán pha loÃng chuyển động chất hoà tan, ví dụ áp dụng tham số phát tán Nó vấn đề theo tia vệt loang lan rộng, đà thấy cửa biển, sau xét thể đốm loang vệt loang tách biệt, trước chuyển sang mô hình thích hợp cửa sông vùng ven bờ Chỉ dẫn đưa để lựa chọn mô hình thích hợp liên quan đến tham số xáo trộn Những phương pháp đo đạc yếu tố điều khiển trình phát tán phác thảo Chương Ba chương cuối mô tả chế phát tán xuất nước xáo trộn mạnh, phân tầng phân tầng phần, tương ứng Chương giới thiệu kết thực nghiệm trạng thái cửa sông vùng ven bờ đồng nhất, độ lớn tương đối tham số đà đưa Chương xét trình lan truyền hệ thống phân tầng mạnh, thể nêm mặn cửa sông fio, sử dụng kết từ khảo sát trường để minh họa khái niệm lý thuyết Số phận nước có độ mặn thấp chảy từ cửa sông vào vùng ven bờ tác động tiềm tàng lên sống nước bao gồm chương Cuối cùng, Chương 10 xét hệ thống phân tầng phần để chúng chuyển từ phân tầng đến xáo trộn ngược lại Những quan trắc gần sử dụng để minh họa biến thiên mạnh hệ số phát tán biển vấn đề liên hệ giá trị với điều kiện vật lý xung quanh Tính dự đoán khắc phục mức độ cân lượng tự nhiên hệ thống biển ảnh hưởng lên mức độ lan truyền muối khuếch tán Chương kết thúc với vài đề xuất cho nghiên cứu tương lai phát tán biển theo hướng có Để quan tâm thêm, số kiện lịch sử dẫn chứng suốt sách Hy vọng, đánh giá phương pháp ph¸t triĨn kh¸i niƯm ph¸t t¸n sÏ khÝch lƯ ng­êi đọc thấy tương đối hợp lý lý thuyết đà chọn, thiết lập tiếp cận riêng họ cho vấn đề định lượng trình phát tán môi trường biển 37 ... (1 5,3 phút) Sử dụng phương trình (4 .1 7) (6 . 4), chiều réng W cđa vƯt loang sau khch t¸n mét thêi gian t b»ng W = 5, Ky1/2 t 1/ 2 33 Do ®ã chiỊu réng vƯt loang W= 5,7 x (0 ,0 5) 1/ x (9 2 0) 1/ 2 = 38,6... tượng phát tán Chủ đề sách trình bày vận tốc mức độ phát tán cửa sông khu vực nước ven bờ Tâm niệm với mục đích này, hai chương sau (Chương 3) khảo sát lý thuyết theo đánh giá vận tốc dòng chảy chất. .. trình phát tán phác thảo Chương Ba chương cuối mô tả chế phát tán xuất nước xáo trộn mạnh, phân tầng phân tầng phần, tương ứng Chương giới thiệu kết thực nghiệm trạng thái cửa sông vùng ven bờ