274 Chơng 9. Nghiên cứu những hệ thống Phân tầng 9.1 Giới thiệu Có những khu vực trong các cửa sông và nớc ven bờ có thể xác định là 'phân tầng' bởi vì ở đó tồn tại chênh lệch mật độ rất rõ ràng giữa nớc nổi trên mặt và lớp nằm bên dới. Chênh lệch mật độ có thể do nớc mặt có tỉ lệ nớc ngọt lớn hơn nớc tại các độ sâu, hoặc cách khác, nớc mặt có thể tơng đối ấm. Trong nhiều trạng thái, những biến đổi mật độ theo độ sâu có thể kiểm soát bởi cả thay đổi độ mặn lẫn nhiệt độ. Hình 9.1 Biên hình thành bởi dòng chảy ra của nớc nhiễm mặn từ cửa sông Teign, Tây Nam nớc Anh. (đợc sự đồng ý của Giáo s K.R. Dyer, Viện của Nghiên cứu Biển, Trờng đại học Plymouth) Trong cửa sông, sự giảm độ mặn của nớc mặt có thể do việc thâm nhập tự nhiên của nớc ngọt từ sông chính hoặc những sông nhánh của nó. Ngoài ra, độ mặn của lớp trên nhiễm mặn có thể bị ảnh hởng bởi lu lợng từ những rãnh tiêu đồng ruộng hoặc nguồn nớc thải. Cửa sông thể hiện sự thay đổi độ mặn rất rõ ràng tại độ sâu nào đó, đợc coi nh hiện thân của 'nêm mặn'. Tuy nhiên những hệ thống cửa sông đó, nh những fio, sâu đến nỗi dòng triều chảy rất yếu theo một cách khác với những hệ thống nêm mặn và đợc phân loại kiểu 'fio'. Khi triều xuống, nớc bị hãm trong cửa sông trong thời gian triều lên trở nên tự do lan truyền trên lớp nớc mặn hơn của biển hở. Nó tạo ra 275 trờng dòng chảy đặc trng có thể nhìn thấy nh một khu vực mịn của biển có một biên rõ rệt so với nớc thô hơn của vùng ven bờ (hình 9.1). Hình 9.2 Vị trí của những front nhiệt (đánh dấu từ A đến E) trong nớc thủy triều của biển Ai len và English Channel. (Theo Simpson và nnk., 1977, có sự cho phép) Những chênh lệch nhiệt độ theo độ sâu có thể hình thành bởi việc làm ấm nớc gần bề mặt do bức xạ mặt trời, dẫn đến sự kìm hãm xáo trộn thẳng đứng. Độ nổi hãm nớc ấm ở khu vực gần mặt nớc và xáo trộn do gió/sóng có thể tạo ra một lớp nớc tơng đối đồng nhất có mật độ thấp nằm trên một lớp sâu hơn, lạnh hơn. Trong những biển nông, không bị ảnh hởng của nớc ngọt nhập vào, những dòng thủy triều đẩy mạnh xáo trộn và nếu có đủ năng lợng rối, thì phân bố thẳng đứng của nhiệt độ có thể trả lại sự đồng nhất cho toàn bộ độ sâu cột nớc. Sự khác nhau tơng đối giữa độ nổi do năng lợng nhiệt từ mặt trời và năng lợng xáo trộn bắt nguồn từ dòng triều xác định nớc có trở nên phân tầng hay không. Những biến đổi không gian của cờng độ dòng triều xác định những vị trí mà tại đó nớc xáo trộn mạnh nằm kề bên nớc phân tầng và dọc theo những biên nh vậy có thể hình thành các front nhiệt (hình 9.2), đợc nhận thấy rõ ràng nh những lát mỏng tơng đối mịn. 276 Một đặc tính quan trọng của những hệ thống phân tầng là hiệu quả của chúng trong việc hạn chế vận chuyển lên trên của động năng rối phát sinh bởi ma sát đáy. Dới những những điều kiện phân tầng, sự phát tán các chất trong nớc mặt trở nên phụ thuộc vào rối, phát sinh bởi những bất ổn định tại mặt phân cách mật độ hoặc bởi ứng suất gió và sóng vỡ trên mặt nớc. Hiệu ứng khác của phân tầng mạnh là sự truyền động lợng xuống dới bị ngăn chặn mãnh liệt, nh vậy làm cho lớp trên sẽ dễ dàng dịch chuyển hơn bởi ứng suất gió trên mặt nớc. Trạng thái này tơng tự nh khi đổ kem lên mặt nớc cà phê; sự thổi nhẹ nhàng có thể làm cho đốm loang của kem chuyển động trong cốc bởi vì có ma sát nhỏ giữa kem và cà phê. Một hệ quả thứ ba của phân tầng là trọng lực có thể làm cho lớp nớc mặt lan truyền trên lớp dầy đặc hơn ở dới, làm cho lớp đó mỏng đi cho đến khi đạt đến một điểm mà tại đó lực này trở nên không đáng kể so với các lực khác, nh sức cản ma sát tại mặt phân cách và do dao động mặt nớc thủy triều. Sự lan rộng này tơng tự nh sự lan rộng ban đầu của kem rót lên mặt nớc cà phê, hoặc sự lan rộng của chất lỏng khi tràn ra trên mặt bàn. Chơng này khảo sát hiệu ứng phân tầng mạnh lên sự phát tán trong những hệ thống biển. Đầu tiên, những đặc trng của dòng chảy phân tầng đợc xét chi tiết. Sau đó những quá trình phát tán trong cửa sông nêm mặn lẫn những fio đều đợc khảo sát, có sử dụng thực nghiệm hiện trờng để minh họa nhiều đặc tính khác nhau. Những khía cạnh phát tán trong dòng chảy ra của cửa sông đợc tóm lợc và tầm quan trọng của giai đoạn này trong phát tán cửa sông đợc thể hiện bằng việc đánh giá nồng độ của chất ô nhiễm tại đáy biển. Sự chuyển động liên tiếp và sự phát tán của nớc nhiễm mặn phát ra từ cửa sông sẽ đợc thảo luận và cuối cùng là xem xét sự hình thành những front. 9.2 những fio và cửa sông Nêm mặn 9.2.1 Các đặc tính của cửa sông nêm mặn Khi nớc ngọt chảy vào một cửa sông là lớn và dòng triều là yếu, một sự khác biệt rõ rệt về độ mặn có thể xuất hiện giữa lớp trên và lớp thấp hơn. Sự khác nhau này xuất hiện vì năng lợng rối từ dòng triều không đủ để xáo trộn một cách đáng kể nớc mặn với nớc có nguồn gốc sông. Nếu không có ma sát giữa những lớp cao hơn và thấp hơn, mặt phân cách phải nằm ngang và trải rộng lên thợng lu cho đến khi nó chạm đáy sông đang cao dần lên. Trong thực tế, một ít ma sát tại mặt phân cách làm cho nó nghiêng xuống dới về hớng thợng lu, nh vậy hình thành xâm nhập mặn theo dạng hình nêm (hình 9.3). Một phân bố vận tốc tiêu biểu trung bình thủy triều trên một mặt phẳng cắt qua chiều rộng cửa sông minh họa sự đồng nhất của vận tốc mặt nớc đến độ sâu của mặt phân cách độ mặn, tại đó hớng dòng chảy đảo ngợc. Phân bố của muối xấp xỉ đồng nhất trong mỗi lớp, những khác nhau tiêu biểu khoảng 20,0 giữa các lớp, nh đợc minh họa bằng ví dụ cửa sông Duwamish chảy vào Puget Sound tại Seattle (Partch và Smith, 1978). Trong những hệ thống đủ lớn để lực Coriolis trở nên đáng kể và không bị ảnh hởng bởi những chỗ uốn cong, mặt phân cách mật độ có xu hớng dốc nghiêng xuống phía bên phải nhìn ra phía biển; độ dốc có góc ngợc lại trong nam bán cầu. 277 Một đặc tính của hệ thống nêm mặn là gradient mật độ lớn tại mặt phân cách ngăn chặn rất mạnh rối thẳng đứng, nh vậy làm giảm xáo trộn qua mặt phân cách xuống một mức rất thấp. Tuy nhiên, nếu vận tốc tơng đối của lớp mặt nớc so với lớp thấp hơn vợt quá một giới hạn nhất định, bất ổn định có thể xuất hiện tại mặt phân cách, tạo ra sự dịch chuyển hớng lên trên của muối từ nêm mặn. Hình 9.3 Hình dạng đặc trng của xâm nhập mặn trong một cửa sông nêm mặn Sự dịch chuyển này của muối là quá trình một chiều, trong đó không có chuyển động xuống dới tơng ứng của nớc ngọt, và đợc phân loại nh sự cuốn theo. Trong các cửa sông sâu, chuyển động trong lớp thấp hơn sẽ có vẻ đặc biệt chậm bởi vì diện tích mặt cắt lớn và vận tốc tơng đối sau đó chủ yếu do sức mạnh của dòng chảy sông. Dới những điều kiện dòng chảy nớc ngọt lớn, các cửa sông nh vậy có thể lệ thuộc vào sự cuốn theo đáng kể của muối từ lớp thấp hơn vào trong dòng chảy mặt đang chuyển động về phía biển. Những quan trắc chỉ ra rằng độ mặn tại mặt nớc tăng về phía biển trong khi độ mặn của lớp thấp hơn lại khó biến đổi. Hơn nữa, quá trình cuốn theo tạo ra sự tăng thể tích về phía biển và điều này đạt đợc do vận tốc dòng chảy tăng lên chứ không phải lớp mặt xuống sâu hơn. Để duy trì sự cân bằng thể tích của hệ thống, tổn thất nớc từ lớp thấp hơn bởi sự cuốn theo đợc đền bù bằng một chuyển động chậm về phía đất của nớc từ biển. Quá trình cuốn theo này đợc minh họa trong hình 9.4. Cơ chế minh họa thể hiện điều kiện trung bình thủy triều, và nó chồng lên chuyển động lên xuống của thủy triều. Những quan trắc đã để lộ ra rằng, một vài cửa sông chỉ cho thấy những đặc trng nêm mặn thực sự khi triều lên và thể hiện nh các hệ thống xáo trộn khi triều xuống. Bởi vậy, những khía cạnh này đợc xét riêng rẽ trong những mục sau. 278 9.2.2 Chuyển động khi triều lên trong cửa sông nêm mặn Những khảo sát trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra một nêm mặn có thể hình thành và dịch chuyển dới một lớp nổi hơn ra sao. Để minh họa những hiệu ứng xuất hiện, có thể thử nghiệm bằng một thực nghiệm đơn giản là đặt một thùng hình chữ nhật với một vách chắn thẳng đứng ngăn nớc ngọt với dung dịch muối, độ sâu của chất lỏng là nh nhau ở hai phía của vách ngăn (hình 9.5). Khi rút nhẹ vách ngăn, cột nớc có áp suất lớn hơn tại phía mặn của thùng đẩy dung dịch muối xuống dới nớc ngọt, và để duy trì tính liên tục thể tích, một dòng chảy bù mang nớc ngọt chảy trên dòng xâm nhập mặn. Hình 9.4 Hoàn lu cuốn theo trong một hệ thống nêm mặn. (Theo Bowden, 1967) Bởi vì một trạng thái tơng tự xuất hiện khi mở cửa cống cho phép xáo trộn nớc có mật độ khác nhau, những khảo sát đợc nói đến nh vậy gọi là thực nghiệm thông thuỷ (Turner, 1973: tr. 70). Mặc dầu sự trao đổi nớc muối và nớc ngọt chỉ kéo dài một vài giây, thực nghiệm này cho thấy rằng những sóng hình thành trên mặt phân cách mật độ và phản xạ lại mép thùng khi chúng trở nên bị phát tán bởi ma sát ra sao. Nhiều thực nghiệm thông thuỷ đợc kiểm soát đã đợc thiết lập trong phòng thí nghiệm (Simpson, 1997: tr. 140 -55). Hiệu ứng của ma sát biên lên dạng xâm nhập mặn đợc thể hiện bởi một thực nghiệm thiết kế đặc biệt. Trong thực nghiệm này, nớc đợc bơm vào một thùng kính có thành đứng song song ở một mức ổn định. Một phần của đáy thùng có một vành đai băng tải linh hoạt có thể chuyển động với cùng vận tốc nh nớc đi vào, nh vậy loại trừ sức cản ma sát lên dòng chảy (hình 9.6). Một dung dịch muối đợc liên tục đa vào tại điểm hạ lu của thùng tại đáy, nh vậy cho phép nớc thừa vợt qua đỉnh. Vận tốc dòng chảy và sàn đợc điều chỉnh cho đến khi ranh giới chủ đạo của xâm nhập mặn đạt đợc và dừng ngay lập tức tại hạ lu của sàn chuyển động. Thực nghiệm này tạo ra nêm mặn nh đợc minh họa trong hình 9.6 (a), cho thấy sự hình thành của những sóng cuộn lên mặt phân cách mật độ. Nếu sàn đợc cố định theo toàn bộ độ dài của thùng để ma sát ảnh hởng lên chuyển động của dung dịch muối, thì sự hình thành sóng 279 cuộn bị chặn lại và nêm mặn cho thấy dấu hiệu nhỏ của bất ổn định (hình 9.6 (b)). Sự khác nhau giữa hai trạng thái thực nghiệm đợc minh họa bởi phân bố vận tốc trong dòng chảy đang tiếp cận ranh giới chủ đạo của xâm nhập mặn. Với một sàn chuyển động, vận tốc hầu nh đồng nhất theo độ sâu và sự trợt phát sinh bởi nớc dâng lên trên vùng xâm nhập mặn tạo ra sự hình thành những sóng cuộn đặc trng. Trong môi trờng biển điều này tơng đơng với sự chuyển động của dòng chảy mật độ trong nớc tơng đối ứ đọng, trong đó ma sát biên không đáng kể. Một ví dụ là sự lan rộng của nớc ngọt trên mặt nớc biển, nh xuất hiện tại những cửa sông nhánh hoặc tại nơi dòng chảy ra biển hở. Hình 9.5 Thực nghiệm đơn giản để trình bày hiện tợng 'thông thuỷ' Khi sàn cố định, vận tốc dòng chảy trên vùng xâm nhập bị giảm đáng kể, nh vậy làm cho độ trợt quá nhỏ để phát sinh cấu trúc sóng cuộn. Trong môi trờng biển, trạng thái này xuất hiện sớm lúc triều lên, khi chuyển động tiếp tục về phía biển của nớc mặt ngợc với dòng xâm nhập mặn. Trạng thái này cũng xảy ra tại lúc cuối triều lên, khi chuyển động lên thợng lu của nêm mặn bị 'giữ lại' bởi dòng chảy về phía biển của nớc ngọt. Một ví dụ của nó là mặt phân cách mật độ rõ rệt có thể hình thành trong cửa sông Fraser khi chuyển động triều lên ngừng lại (hình 9.7). Cấu trúc bên trong của xâm nhập mặn Những kết quả thực nghiệm trong phòng cho thấy mũi nớc mặn tiến triển dọc theo đáy thùng, phát sinh chuyển động hớng lên tại mép đầu và hình thành những sóng cuộn điển hình trong trạng thái sàn chuyển động (hình 9.8). Nớc muối không xáo trộn với chất lỏng bao quanh đợc mang về phía đuôi xâm nhập. Trong cửa sông Fraser quá trình này không xuất hiện trong thời gian triều lên vì ma sát đáy làm chậm lại chuyển động của lớp thấp hơn và phân tầng làm giảm sức cản mặt phân cách lên lớp trên, làm cho nớc ở trên nêm mật độ tràn qua lớp thấp hơn (Geyer và Farmer, 1989). Về phía đầu của vùng xâm nhập mặn trong cửa sông Fraser cơ chế này dẫn đến sự vận chuyển đi xuống, thay vì đi lên của nớc. Nh vậy có hai ô hoàn lu, một ô tại đầu quay lên và ô kia quay xuống, không nh một ô đơn giả thiết trong hình 9.8. Sức mạnh tơng đối của hai ô 280 này phụ thuộc vào độ lớn sức cản đáy lên xâm nhập mặn. Những xuất hiện theo ba chiều của đầu xâm nhập có thể thấy trong thực nghiệm trong phòng gồm các sóng cuộn, mấu và khe (hình 9.9). Hình 9.6 Thực nghiệm thiết lập để khảo sát xâm nhập mặn. (Theo Simpson, 1987, đợc sự đồng ý của Cambridge University Press) Hình 9.7 Mặt phân cách mật độ trong cửa sông Fraser vào lúc cuối triều lên. (Theo Geyer và Fanner, 1989, đợc sự đồng ý của Hội Khí tợng Mỹ) Những quan trắc khi triều lên giả thiết rằng sự hình thành sóng cuộn là do những bất ổn định trợt Kelvin - Helmholtz, xuất hiện khi số Richardson gradient nhỏ hơn giá trị phân giới là 0,25 (mục 3.6.3). Trong cửa sông Fraser thấy rằng Ri gần đến 0,25 cả trong nớc bị trợt mạnh trên nêm mật độ, lẫn trong lớp xáo trộn phía dới, dù sự phân tầng đáng kể trong khu vực trớc và không đáng kể trong khu vực sau. Điều này nói lên 281 rằng những gradient vận tốc và độ mặn đợc duy trì bằng những bất ổn định K H, phát triển khi Ri < 0,25. Sự phân tầng mạnh nh vậy làm tăng cờng độ trợt, tạo ra rối làm cho Ri nhỏ hơn 0,25; sự phân tầng yếu liên hệ với độ trợt tơng đối khiêm tốn, bảo đảm rằng Ri không bao giờ trở nên nhỏ hơn 0,25. Hình 9.8 Hoàn lu tại mép đầu của xâm nhập mặn Hình 9.9 Khu vực front của nêm mặn tiến dọc theo sàn của một thùng nớc ngọt. (Đợc sự đồng ý của J.E. Simpson, Khoa Toán ứng dụng và Vật lý Lý thuyết, Đại học Tổng hợp Cambridge) Dựa trên những phân bố trong cửa sông Fraser theo những thời gian khác nhau trong chu kỳ thủy triều, hiển nhiên tần số xuất hiện những giá trị Ri dới 0,25 là lớn hơn trong thời kỳ giữa và cuối lúc triều xuống chứ không phải vào thời kỳ nào khác (Geyer và Smith, 1987). Bởi vậy sự duy trì những gradient vận tốc và độ mặn đợc thấy một cách khái niệm, là do những bất ổn định trợt gián đoạn, mà thờng xuyên hơn ở trên và ở dới nêm mật độ. Cần thấy rằng giá trị cao nhất của Ri đã cho trong phân bố (hình 9.10) là hơi tuỳ tiện vì nó phụ thuộc vào quy trình lấy trung bình đợc sử dụng để giữ cho Ri hữu hạn ở vận tốc lớn nhất. Điều này nảy sinh bởi vì có điểm yếu trong định nghĩa Ri. Tại 282 độ sâu mà du/dz = 0, nh thờng có thể xuất hiện trong những dòng chảy tự nhiên, Ri có xu hớng tiến đến vô hạn; xu hớng cực trị này thờng đợc kiểm soát bằng việc lấy một giá trị tuỳ chọn nhỏ nhất cho phép đối với sự trợt thẳng đứng khi tính toán Ri. 9.2.3 Chuyển động khi triều xuống trong cửa sông nêm mặn Những điều kiện xáo trộn trong cửa sông nêm mặn khi triều xuống rất khác so với những gì xuất hiện khi triều lên. Khi bắt đầu triều xuống, nêm mặn, đợc giữ lại vào cuối lúc triều lên, là gần nh ổn định và có xu hớng có mặt phân cách rõ rệt với nớc phía trên của nó. Mức độ phân tầng này cho phép dòng chảy sông chảy trên vùng xâm nhập mặn, phát sinh sự trợt rõ rệt qua mặt phân cách. Tuy nhiên, mức độ ổn định thờng lớn đến mức trong một hệ thống nêm mặn thì xáo trộn ít xuất hiện, nh trờng hợp chuyển động triều xuống sớm trong cửa sông Fraser (Geyer và Farmer, 1989). Sự chảy tràn của nớc sông trên nớc nhiễm mặn của cửa sông cũng có thể quan trắc trong các nhánh phía trên của một vài cửa sông, có thể phân loại nh 'phân tầng một phần'. Một ví dụ là cửa sông Tamar phía Tây Nam nớc Anh, trong đó xu hớng phân tầng tăng lên trong thời gian triều xuống do xáo trộn rối bị hạn chế gần giới hạn xâm nhập mặn (West và nnk., 1990). Xa hơn về phía biển, xáo trộn thủy triều trong của sông Tamar làm vỡ cấu trúc nêm mặn khi triều xuống, tạo ra một phân bố muối tiêu biểu cho hệ thống phân tầng một phần. Một khi độ cao thủy triều hạ thấp tại biên phía biển của cửa sông nêm mặn, gradient mặt nớc sẽ dốc và áp suất kết quả trở nên đủ mạnh để đẩy nêm mặn về phía biển. Sức cản ma sát tại đáy cản trở chuyển động này của muối và sự trợt đáng kể có thể thiết lập qua mặt phân cách mật độ. Sự trợt này có thể gây ra những bất ổn định K-H, làm cho nêm mật độ dày lên đáng kể vì nớc ngọt xáo trộn với nớc mặn tại mặt trên của nêm mặn. Tại giai đoạn này lúc giữa kỳ triều xuống, một vài cửa sông dờng nh trải qua sự xáo trộn nhanh, làm thay đổi cấu trúc mật độ thẳng đứng từ hai lớp trở thành liên tục phân tầng, hoặc xáo trộn hoàn toàn trong một vài thời điểm. Giai đoạn xáo trộn nhanh này đợc nói đến nh chu kỳ tăng cờng xáo trộn (IMP) và vẫn còn các tranh luận đối với nguyên nhân của nó. Vào lúc cuối triều xuống, nêm mặn có thể khó xác định rõ khi nó bị vỡ thành các đốm loang do xáo trộn không đều và bởi địa hình đáy. Nếu dòng triều chảy xuống và lu lợng sông đủ mạnh, nớc mặn có thể bị ép ra khỏi cửa sông, để lại một gradient mật độ rõ ràng giữa nớc ven bờ và cửa sông lúc nớc thực tế. Nói cách khác, xâm nhập mặn có thể còn lại trong các cửa sông vào thời gian cuối triều xuống, cho phép nó lần nữa bắt đầu thâm nhập về hớng đất khi gradient mặt nớc trở nên nhỏ vì thời gian nớc thực tế đang đến. Một đặc tính chung của cửa sông nêm mặn khi triều xuống là ở chỗ khi nêm mật độ dày lên, nó cũng sâu hơn khi độ mặn mặt nớc và đáy trở nên tơng đối không đổi. Đặc tính này đợc minh họa bằng ví dụ cửa sông Fraser (hình 9.11 (a)) trong đó sự khác biệt độ mặn tại mặt nớc và đáy quan trắc đợc là 26,0 trong thời gian giữa lúc triều xuống (Geyer và Farmer, 1989). Những bản ghi hồi âm cho thấy những sóng cuộn K - H hiện hữu trong nêm mật độ trong thời gian này, hỗ trợ giả thuyết rằng những bất ổn định 283 trợt về cơ bản có trách nhiệm với xáo trộn. Trong nêm mặn và với phạm vi độ mặn từ 5,0 đến 25,0, những số Richardson gradient nhỏ hơn 0,25 với một tỉ lệ đáng kể; những tính toán này xem xét sự trợt vận tốc bổ sung bởi sóng nội. Phát hiện này lần nữa giả thiết rằng bất ổn định trợt K - H là cơ chế trội. Phân bố vận tốc trong Fraser phù hợp với những phân bố độ mặn (hình9.11 (b)), cũng tơng đối tuyến tính qua nêm mật độ và có gradient tơng tự tại mỗi thời gian phân bố. Sự duy trì mối tơng tự này trong chu kỳ xáo trộn đợc xét đến nói lên rằng xáo trộn động lợng và độ mặn đợc thực hiện với những mức độ tơng tự, dẫn đến tỷ lệ K z /N z = 1.0 (xem mục 3.5.1). Hình 9.10 Sự biến đổi của vận tốc, độ mặn và số Richardson gradient với độ sâu trong cửa sông Fraser. (Theo Geyer và Smith, 1987, đợc sự đồng ý của Hội Khí tợng Mỹ) Xáo trộn không xuất hiện đồng đều khắp cửa sông mà có vẻ đợc thúc đẩy bởi hình dạng của địa hình. Thậm chí một sự co hẹp tơng đối nhẹ thờng đủ để thay đổi dòng chảy nội từ dới phân giới đến trên phân giới. Khi điều này xảy ra, một khu vực xáo trộn mở rộng đợc hình thành ở hạ lu chỗ co hẹp. Một khi năng lợng đợc lấy từ dòng chảy trung bình để duy trì quá trình xáo trộn, dòng chảy trở lại dới phân giới tại khoảng cách nào đó kể từ mặt cắt thúc đẩy sự bất ổn định. Bốn khu vực mở rộng phân biệt rõ rệt đã đợc quan trắc bằng máy hồi âm trong thời gian triều xuống tại cửa sông Fraser (hình 9.12). Vào lúc cuối triều xuống những vệt loang này tiếp tục đợc phát hiện nhng cấu trúc của nêm mật độ bị phá vỡ mãnh liệt bởi giai đoạn đó của thủy triều. [...]... trộn trong các cửa sông nêm mặn đã được quan trắc để lập tương quan với những thay đổi độ lớn thủy triều (ví dụ sông James, York và Rappahannock (Haas, 197 7); sông Columbia (Jay và Smith, 199 0); Puget Sound (Geyer và Cannon, 198 2); sông Duwamish (Partch và Smith, 197 8)) Điều này quy cho sự phụ thuộc của dòng chảy trên phân giới vào vận tốc thủy triều đối với một độ lớn thủy triều đặc trưng 9. 2.4 Các. .. nhiệt độ quan trắc trong các cửa sông phân tầng mạnh (Theo Kullenburg, 197 2, được sự đồng ý của Hội đồng Quốc tế về Thám hiểm Biển) 9. 2.6 Nghiên cứu phát tán trong các fio và cửa sông phân tầng Một số nghiên cứu chất chỉ thị đã thực hiện bằng cách sử dụng màu phát quang trong những fio và cửa sông phân tầng và có mức độ trượt rõ rệt (Kullenberg, 197 2, 197 4) Màu được phun trong chu kỳ 2 - 3 phút tại những... lượng cửa sông; ví dụ, đánh giá cho các sông Tyne và Wear giả thiết rằng những vệt loang trở 296 nên bị cắt khỏi miệng cửa sông do sự đảo ngược của thủy triều trước khi vật chất có thể xáo trộn đến đáy (Lewis, 199 0) Hình 9. 22 Khu vực nồng độ đáy biển cực đại khi (a) triều yếu và (b) triều cường (Theo Lewis, 199 0, Hydrobioiogia, 195 , 1-1 1, với sự cho phép thân thiện của Kluwer Academic Publishers) 297 9. 3.3... dt (9 .1 1) trong đó là phân số của động năng rối có sẵn để làm tăng thế năng cột nước, và bởi vậy, có cùng tham số như đã sử dụng trong phương trình (3 .7 1) Từ những phương trình (9 . 8) và (9 .1 0) thấy rằng ( h' h ) H 3 U1b 8 Cd c p 3 g (9 .1 2) Hợp lý khi giả thiết đối với xấp xỉ đầu tiên, những hệ số Cd, , cp và không đổi Lấy hiệu suất xáo trộn cũng không đổi, thì vế phải của phương trình (9 .1 2) xấp... với quãng đường xáo trộn và rối phát sinh tại đáy được giả thiết chiếm chỗ toàn bộ cột nước Như vậy phương trình (9 . 4) tương đương 304 với Kz = Kz0f(RiB), và f(RiB) là một hàm tắt dần do hiệu ứng phân tầng Phân bố độ mặn trong hình 9. 31 được mô tả bằng cách sử dụng hàm f ( Ri) 1 (1 10 RiB ) 2 (9 . 5) Hình 9. 31 Phân bố độ mặn dự đoán đối với vệt loang Rhine (Theo de Kok, 199 4, được sự đồng ý của Viện... quan trắc trong cửa sông Duwamish (Partch và Smith, 197 8) Những thay đổi tiêu biểu trong cấu trúc trước đây, trong và sau IMP được cho thấy trong hình 9. 13 Thoạt tiên, nêm mật độ nằm trên một lớp sâu đồng nhất (hình 9. 13 (a )) và trong thời gian xáo trộn nêm mật độ sâu hơn và một lớp xáo trộn không đồng nhất hình thành gần mặt nước (hình 9. 13 (b )) Vào khoảng cuối chu kỳ xáo trộn, lớp nước mặt xáo trộn... xét những quá trình liên quan đến xáo trộn vệt loang do dòng chảy ra, sự phát tán dài hạn hơn trong nước ven bờ, và sự hình thành những front vệt loang 292 Hình 9. 18 Sự đung đưa của vệt loang sông Connecticut được chỉ ra bởi đường đẳng mặn tại (a) nước dừng khi triều xuống, (b) nước dừng khi triều lên (Theo Garvine, J Geophys Res., 79, 83 1-8 46, 197 4, bản quyền của Liên hiệp Địa vật lý M ) 9. 3.2 Xáo... của nhiệt qua mặt nước trên đơn vị diện tích, cp là nhiệt dung tại áp suất không đổi và h là bề dày lớp nước 308 mặt Lấy mô hình một chiều (hình 3. 1), sự xáo trộn hoàn toàn của lớp nước mặt có mật độ - với lớp thấp hơn có bề dày h' - h và mật độ , tạo ra độ tăng thế năng bằng 1 g h(h ' h) 2 (9 . 7) Sử dụng phương trình (9 . 6), thấy rằng d 1 gH (h ' h) dt 2 cp (9 . 8) Mức độ phát sinh năng lượng... vực nước ngọt bị ảnh hưởng bởi lưu lượng sông Rhine đã được thực hiện (van Alphen và nnk 198 8; de Ruijter và nnk., 199 2) Hình 9. 29 thể hiện các phân bố vận tốc và độ mặn cách nhau hai giờ một của một trạm tại lối vào Thủy đạo Rotterdam Một biến đổi nửa ngày đặc biệt rõ rệt của phân tầng được quan trắc trong ROFI tại vị trí tương đối gần miệng của Rhine vào mùa thu năm 199 0 (Simpson và nnk., 199 3) Điều... tại đáy đã cho trong phương trình (2 .6 9) bằng Pb C d u b 3 (9 . 9) trong đó ub, độ lớn của dòng chảy tức thời tại đáy Để đánh giá mức độ trung bình của năng lượng rối phát sinh PbT trong một chu kỳ thủy triều đầy đủ, ub có thể biểu thị bằng một sóng điều hoà đơn ub=Utb cost và thay vào phương trình (9 . 9) Lấy trung bình trong một chu kỳ thủy triều đầy đủ cho ta PbT 4C d U 13b 3 (9 .1 0) Để bảo đảm những . lớn thủy triều (ví dụ sông James, York và Rappahannock (Haas, 197 7); sông Columbia (Jay và Smith, 199 0); Puget Sound (Geyer và Cannon, 198 2); sông Duwamish (Partch và Smith, 197 8)) . Điều này quy. bộ sắc nét trong phân bố nhiệt độ (hình 9. 1 5), trong đó hệ số khuyếch tán có bậc 10 -6 m 2 s -1 . Dựa vào những khảo sát trong một số fio và những vùng ven bờ, Kullenberg (1 97 2) tính toán. màu và nhiệt độ quan trắc trong các cửa sông phân tầng mạnh. (Theo Kullenburg, 197 2, đợc sự đồng ý của Hội đồng Quốc tế về Thám hiểm Biển) 9. 2.6 Nghiên cứu phát tán trong các fio và cửa sông