317 Chơng 10. Nghiên cứu những hệ thống phân tầng một phần 10.1 Giới thiệu Trong Chơng 8 những kết quả khảo sát thực nghiệm trong môi trờng biển xáo trộn mạnh đã đợc thảo luận, những trờng hợp nghiên cứu đặc trng đợc dùng để minh họa trạng thái phát tán trong những điều kiện nh vậy. Khi cột nớc xáo trộn mạnh, nói chung do rối mạnh phát sinh bởi ma sát của biên với dòng chảy, mặc dầu việc khuấy bởi tác động gió và sóng tại mặt nớc cũng hỗ trợ quá trình đồng nhất hoá. Trong những hoàn cảnh nh vậy, động lợng sẵn sàng vận chuyển qua cột nớc, dẫn đến mức độ trợt tơng đối thấp. Thuật ngữ 'thấp' phải đợc sử dụng với sự cân nhắc, vì nớc xáo trộn mạnh liên quan đến những dòng chảy mạnh có thể phát sinh trợt đáng kể; chính xác hơn cần nói rằng độ trợt trên đơn vị 'dòng chảy trung bình độ sâu' là thấp. Tổng quát, phát tán trong những điều kiện đồng nhất liên quan đến xáo trộn mạnh và độ trợt thấp. Ngợc lại, phát tán trong những dòng chảy phân tầng, nh đã xét trong Chơng 9, phụ thuộc đáng kể vào xáo trộn và sự trợt qua mặt phân cách mật độ, ngoài ra là rối phát sinh bởi ma sát biên. Sự trợt mặt phân cách gây ra những bất ổn định phát sinh rối cờng độ cao, thờng là gián đoạn, trong khu vực lân cận nêm mật độ. Hơn nữa, việc tạo thành những bất ổn định này đợc trợ giúp bởi sự trợt qua nêm mật độ, mà đến lợt nó đợc tăng cờng bởi động lợng thẳng đứng, động lợng này bị giảm dới những điều kiện phân tầng. Nh vậy phát tán trong dòng chảy phân tầng liên quan đến xáo trộn yếu và trợt mạnh. Chơng cuối cùng này nhằm mục đích phác hoạ đồng thời những kết quả khảo sát, cả trong phòng thí nghiệm và hiện trờng, để thấy rằng những quá trình phát tán có vẻ bị ảnh hởng bởi sự biến đổi ổn định đợc quan trắc trong các cửa sông và nớc ven bờ ra sao. Để bắt đầu, chúng ta xét một vài điều kiện dòng chảy khác nhau gây ra những điều kiện đặc biệt của trợt và rối. Mặc dầu một dòng chảy đặc trng có thể từ một mức độ ổn định, và do xáo trộn trở thành dòng chảy khác trong một chu kỳ thời gian ngắn, sự xuất hiện ngẫu nhiên của những sự kiện này không đúng với mức độ trật tự vốn có. Khía cạnh này sẽ đợc thảo luận trong mục 10.3.1 về nguồn muối cửa sông, có thể phát biểu đơn giản là điều kiện mà độ mặn trung bình trong một chu kỳ dài tại một vị trí đã cho trong cửa sông không đổi. Nguồn muối sẽ sử dụng để chỉ ra có thể sử dụng phân bố độ mặn nh một đánh giá ban đầu những đặc trng phát tán của một hệ thống nh thế nào. Trong nớc ven bờ những khác biệt độ mặn có thể không đủ để xác định những gradient khuyếch tán một cách chính xác và những nghiên cứu phát tán dựa trên một chất chỉ thị 318 đợc trình bày. Bởi vậy, mục tiếp theo khảo sát việc các thực nghiệm chất chỉ thị đã chỉ ra phạm vi những hệ số phát tán trong những điều kiện khác nhau của dòng chảy và sự ổn định ra sao. Những phát hiện này sẽ đợc thảo luận dới ánh sáng của hiểu biết hiện tại về môi trờng biển cục bộ. Tại điểm này sẽ trở nên rõ ràng đối với ngời đọc là sự hiểu biết thật sự về phát tán, những nguyên nhân và những hiệu ứng của nó, là một quãng đờng dài phải đi. Bởi vậy, chơng này kết luận bằng một vài nhận xét về những con đờng có thể nghiên cứu, ít nhất cũng xét đến tiềm năng lớn sử dụng công nghệ mới. 10.2 quá độ 10.2.1 Sự thích ứng của phát tán đối với những mức độ rối khác nhau Trong những chơng trớc đây đã thể hiện rằng phát tán phụ thuộc vào mức độ xáo trộn và độ lớn của trợt thẳng đứng và nằm ngang. Trong chơng này sự chú ý tập trung vào trợt thẳng đứng vì đây thờng là yếu tố thống trị ở xa những biên ngang nh đờng bờ hoặc những hòn đảo. Hơn nữa, phân tầng mật độ ảnh hởng đến phân bố thẳng đứng của xáo trộn và trợt, và đặc điểm này có mối quan tâm đặc biệt là nghiên cứu quá trình phát tán trong những hệ thống phân tầng một phần. Cũng đã chỉ ra rằng rối sử dụng hiệu ứng phản hồi lên phát tán ở chỗ mức độ tăng rối, và do đó là xáo trộn, tạo ra sự thay đổi phân bố trợt vận tốc, ảnh hởng lên sự phát sinh về sau của chuyển động rối. Mức độ rối trong dòng triều phụ thuộc vào sức mạnh của dòng triều, và bởi vậy mức độ phát tán chất hoà tan phải biến đổi đáng kể trong một chu kỳ triều. Ngoài ra, sự tăng rối gián đoạn đã đợc quan trắc trong những dòng triều (Heathershaw, 1974). Những sự kiện 'nổ tung' này bền vững với khoảng từ 5 đến 10 giây và có độ cách giãn là 100 giây. Những thực nghiệm trong phòng của Linden và Simpson (1988) mô tả trong mục 9.4.2 đợc sử dụng để suy luận sự phát tán thích ứng với những điều kiện xáo trộn khác nhau ra sao, chúng đợc tạo ra bằng cách cho những bọt không khí khuấy hai lớp trong bể chứa. Sự trợt vận tốc có trách nhiệm với phát tán phát sinh bởi sự xâm nhập của nớc mặn dới một lớp nớc ngọt; điều này tạo nên dòng chảy mật độ (tà áp). Hai khía cạnh đợc khảo sát - trớc hết, sự thích ứng của phát tán với khoảng thời gian của chu kỳ xáo trộn , bằng tần số tại đó dòng không khí đợc mở và ngắt xen kẽ, và thứ hai, sự thích ứng của phát tán đối với sức mạnh của lực điều khiển tà áp. Tham số này cho bằng ' t 2 xu Hg B (10.1) trong đó H là độ sâu nớc và u t là cờng độ rối rms (root mean square - căn bậc hai trung bình bình phơng ND) liên quan đến bọt. Hệ số phát tán dọc K(B) xác định cho những giá trị khác nhau của và B, và chuẩn hóa bằng cách sử dụng những giá trị K(0) là hệ số phát tán chỉ do bọt. Hình 10.1 cho thấy hình vẽ kết quả. Những phát hiện chỉ ra rằng đối với một giá trị đã cho của B, tỷ lệ K(B)/K(0) tăng khi chu kỳ gián đoạn của rối tăng. Điều này đợc quy cho sự trợt tăng cờng giữa hai lớp khi những bọt đợc ngắt, cho phép dòng chảy mật độ tăng tốc. Tỷ lệ K(B)/K(0) cũng 319 tăng cùng với sự tăng của B với một giá trị cố định của , nh thể do việc cờng hoá hoàn lu tà áp bởi những gradient mật độ lớn hơn. Mặc dù dòng chảy mật độ chỉ thể hiện một yếu tố phát sinh trợt thẳng đứng, những thực nghiệm rõ ràng thể hiện tầm quan trọng của rối biến đổi theo thời gian trong việc điều khiển độ lớn phát tán dọc. Hình 10.1 Hệ số phát tán dọc K(B) đợc chuẩn hóa bởi K(0), giá trị chỉ do những bọt, vẽ theo tham số B tà áp. Những chữ thập tơng ứng với dòng chảy trong đó rối không thay đổi theo thời gian; những điểm khác tơng ứng với dòng chảy rối tuần hoàn với ba chu kỳ dao động khác nhau. (Theo Linden và Simpson, 1988, với sự cho phép thân thiện của Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Kidlington 0X1 1GB, Vơng quốc anh) Những quan trắc trong các cửa sông phân tầng một phần đã chỉ ra rằng cấu trúc vận tốc và mật độ có thể trải qua những biến đổi đáng kể trong thời gian một chu kỳ thủy triều, dẫn đến những thay đổi rõ rệt hệ số khuyếch tán dọc hiệu quả K xe (West và Mangat, 1986; West và Shiono, 1988). Đã thấy trong những mục 9.2.2 và 9.2.3 rằng, những thay đổi đáng kể và đôi khi nhanh của cấu trúc mật độ và vận tốc có thể xuất hiện trong các cửa sông nêm mặn. Chúng đợc gọi là những chu kỳ xáo trộn mạnh (IMP), đợc quan trắc trong những hệ thống phân tầng một phần. Ví dụ, những quan trắc tại Blue House Point trong cửa sông Tees, phía Đông Bắc nớc Anh, chỉ ra rằng một IMP bắt đầu xuất hiện vào khoảng 11,00 giờ, ứng với 1,5 giờ sau nớc lớn (hình 10.2) (New và nnk., 1986 ). Tại vị trí này sự chuyển động mạnh về phía biển của nớc mặt đợc dự kiến gây ra sự phân tầng tăng cờng trong thời gian triều xuống, khi nớc nhiễm mặn đợc mang về phía biển trên lớp có độ mặn thấp hơn. 320 Hình 10.2 Biến đổi độ mặn trong cửa sông Tees khi triều xuống, cho thấy sự xáo trộn hớng lên của muối mặt nớc s 0 , muối tại đáy s b . (Theo New và nnk., 1986, đợc sự đồng ý của Academic Press) Tuy nhiên, nh thấy trong hình vẽ, việc bắt đầu xáo trộn mãnh liệt làm cho nêm mặn sẽ bị mòn xuống dới, mang muối nhiều hơn lên nớc gần mặt. Sự xáo trộn mạnh này tiếp tục cho đến khoảng 5 giờ sau nớc lớn, bằng thời gian đó cột nớc gần nh đồng nhất và bất kỳ sự xáo trộn tiếp theo nào cũng có hiệu ứng không đáng kể lên phân bố độ mặn nớc mặt. Nh đã thấy, sự phát triển của rối mạnh có thể làm cho cửa sông phân tầng một phần, ít nhất cũng là cục bộ, để thay đổi trạng thái xáo trộn mạnh. Sự thâm nhập của muối khi triều lên, kèm theo sự xáo trộn ít rõ rệt hơn, sau đó có thể trả lại hệ thống về trạng thái phân tầng một phần của nó; quá trình này tơng đơng với thực nghiệm xâm nhập mặn của Linden và Simpson (1988). Phải nhớ rằng xáo trộn mãnh liệt xuất hiện đáng chú ý nhất khi triều xuống trong các nhánh giữa của những hệ thống nh vậy, nhng nh đợc ghi chú trong mục 9.2.3, trong các nhánh cao hơn của một vài cửa sông, có xu hớng đồng nhất khi triều lên và phân tầng khi triều xuống (ví dụ sông Tamar tại phía Tây Nam nớc Anh (West và nnk., 1990)). Một chuỗi những bất ổn định trong dòng chảy phân tầng có thể có nguyên nhân khác, và nh đợc đề cập bởi Thorpe (1987), những bất ổn định với nguyên nhân khác nhau thậm chí có thể xuất hiện tại cùng một chỗ và cùng một thời gian. Phân bố chi tiết trong một nhánh sông phân tầng một phần của cửa sông Tees cho thấy một số hiện tợng xáo trộn, có lẽ do các nguyên nhân khác nhau (hình 10.3) (Lewis, 1996). Khoảng một nửa chặng triều xuống (tức là 12,30 giờ), cấu trúc độ mặn trải qua một thay đổi đáng kể; sự phân kỳ của đờng đẳng mặn tại khoảng 2,0 m độ sâu giả thiết rằng nó xuất hiện từ sự bất ổn định mặt phân cách. Dựa vào những số Richardson gradient và tổng hợp đã quan trắc, có vẻ sự kiện xáo trộn đợc thúc đẩy bởi những bất ổn định Kelvin - Helmholtz phát triển tại đáy của nêm mật độ khi số Richardson gradient trở nên nhỏ hơn 0,25. Những 321 bất ổn định mặt phân cách có thể đợc trợ giúp bởi sự trợt dòng chảy phát sinh bởi những sóng nội hình thành trong cửa sông Tees. Sau đó cột nớc trở nên đồng nhất và đợc quy cho rối phát sinh tại đáy, có khả năng xáo trộn muối và nớc ngọt trên toàn bộ độ sâu, khi những bất ổn định mặt phân cách đã phá vỡ rào chắn hình thành bởi nêm mặn. Hình 10.3 Sự biến đổi theo thời gian trong phân bố độ mặn tại một vị trí trong cửa sông Tees. (Theo Lewis và Lewis trong Hiệu ứng nổi trong Động lực học Ven bờ, 1997, bản quyền của Hiệp hội Địa vật lý Mỹ) Sự đồng nhất bởi những bất ổn định chỉ do những sóng cuộn K - H có vẻ không chắc bởi vì năng lợng trong những đặc tính nh vậy là không đầy đủ. Mặc dầu hình 10.3 chỉ thể hiện sự thay đổi theo thời gian trong cấu trúc tại một điểm xác định, những quan trắc bằng hồi âm chỉ ra rằng những thay đổi lớn hơn trong phân bố độ mặn đã xuất hiện tại những thời điểm tơng tự dọc theo toàn bộ nhánh sông 2 km, nói lên rằng bình lu đơn giản của nớc xáo trộn đi qua điểm đo không phải là lý do cơ bản của những biến đổi trong cấu trúc độ mặn quan trắc đợc. Khi triều lên, những sóng cuộn K - H xuất hiện để phát triển trên mặt phía trên của nêm mặn đang đến (hình 10.3). Tại xấp xỉ một nửa pha triều lên một vài bất ổn định rất lớn phát triển, làm tăng nhanh độ mặn mặt nớc; nguyên nhân của những đặc điểm chính này, đã đợc quan trắc trong những trờng hợp khác, vẫn cha đợc biết nhng có thể tơng tự nh những sóng cuộn lớn đợc quan trắc để hình thành tại mặt trên của vùng xâm nhập mặn trong thực nghiệm ở phòng thí nghiệm (Simpson, 1997). Một số nghiên cứu sớm nhất về sự bất ổn định nội trong biển là những thực nghiệm đợc thực hiện trong Địa Trung Hải bởi Woods (1968). Trong các nghiên cứu này, một chất chỉ thị màu phát quang đợc sử dụng để bám theo một khu vực mỏng của nêm nhiệt, và những thay đổi kế tiếp đối với lớp màu đợc xác định bằng cách sử dụng chụp ảnh dới nớc. Những thực nghiệm chỉ ra rằng những sóng nội lan truyền dọc theo nêm nhiệt thỉnh thoảng tạo ra những bất ổn định trợt, đục thành các lỗ trong lớp đó một cách hiệu quả. Những đo đạc kỹ lỡng nhiệt độ và dòng chảy chỉ ra rằng những bất ổn định 322 này thuộc kiểu Kelvin - Helmholtz. Tuy nhiên, để dự đoán chính xác ở đâu và khi nào sự đảo ngợc xuất hiện trong toàn bộ lớp mỏng đòi hỏi phải có chi tiết hiện tợng của cấu trúc mật độ và trờng sóng nội. Các nguyên nhân có thể có của những chu kỳ xáo trộn mạnh đã đợc thảo luận trong mục 9.2.3. Mặc dầu vẫn còn phải xác lập những lý do có thể khác nhau từ trạng thái biển này sang trạng thái biển khác (New và nnk., 1986), hiệu ứng của một IMP lên phát tán có tầm quan trọng hàng đầu. Khoảng thời gian của một IMP có thể biến đổi từ một vài phút đến vài giờ, nh thấy trong cửa sông Tees. Hiển nhiên rằng trong những khu vực đó của cửa sông hoặc nớc ven bờ thích hợp với xáo trộn mạnh nh đã thấy tại những chỗ co hẹp trong cửa sông Fraser, một IMP có thể là một phần đáng kể của chu kỳ thủy triều. Tuy nhiên, trong những khu vực thích hợp với những điều kiện phân tầng, khoảng thời gian của bất kỳ IMP nào có thể tơng đối ngắn. Nh vậy điều quan trọng là nhận đợc sự hiểu biết có thể đúng nào đó và khoảng thời gian của những sự kiện xáo trộn mạnh nh vậy nếu định lợng đợc hiệu ứng toàn bộ lên phát tán. 10.2.2 Hiện tợng quá độ và sự phát triển của rối Một vài thay đổi về trợt và cấu trúc mật độ liên quan đến những trạng thái đợc tạo ra bởi một ảnh hởng bên ngoài lên dòng chảy - tức là về nguyên tắc chúng liên quan đến trạng thái nào đó của thủy triều hoặc địa hình cửa sông, mà có nghĩa là một viễn cảnh nào đó có thể đoán trớc. Tuy nhiên, những thay đổi khác của trợt và cấu trúc mật độ xuất hiện từ những bất ổn định mặt phân cách. Tại một vị trí đặc trng dọc theo độ dài cửa sông, mức độ trợt có thể bị ảnh hởng bởi sự có mặt hoặc vắng mặt của những sóng nội. Những sóng này có thể phát sinh tại vị trí từ xa nào đó và sự đi đến của chúng tại điểm quan tâm phụ thuộc vào một tập hợp những yếu tố không đoán trớc đợc nh mức độ tiêu tán của sóng, sự phá vỡ tại những vị trí khác và liệu có phải những điều kiện là đúng để cho chúng phát triển tại chỗ ban đầu! Điều này làm cho 'những bất ổn định phát sinh nội tại không thể dự đoán đợc một cách hiệu quả. Một tổng quan tuyệt vời về sự phức tạp của vấn đề đã đợc viết bởi Thorpe (1987). Mặc dầu việc tạo thành một trạng thái không ổn định có thể do một hoặc vài hiện tợng, kết quả có thể không phải một trạng thái phát triển hoàn toàn của rối. Thuật ngữ 'quá độ' đợc sử dụng để thay đổi từ trạng thái dòng chảy tầng thành một cái gì đó khác rất khó xác định, nhng kéo theo mức độ lớn hơn đáng kể của chuyển động không đều 'tơng tự rối' (Thorpe, 1987). Trong biển hở, sự phát triển của một trạng thái hỗn độn là hiếm có, mặc dầu sự quá độ từ tầng đến dòng chảy rối có thể thờng xuyên xuất hiện. Thorpe giả thiết rằng những thay đổi cấu trúc mật độ mịn có thể không phải do rối mạnh, nhng vẫn còn hơn là do sự phân rã cha đầy đủ của một cấu trúc bị biến đổi, bởi năng lợng lấy từ bất ổn định trớc khi đạt đợc một trạng thái rối phát triển hoàn toàn. Không may là việc hiểu biết cái gì xảy ra đối với sự thay đổi năng lợng và dòng khối lợng trong thời gian quá độ thậm chí còn ít hơn đối với những trạng thái trong đó sự quá độ là hoàn toàn. Vấn đề định lợng những thay đổi xuất hiện trong dòng chảy phân tầng đợc hợp nhất bằng việc cùng một loại bất ổn định có thể đi qua một số giai đoạn quá độ, mỗi trong số đó có thể tơng ứng với những hiệu quả khác nhau của chuyển đổi năng 323 lợng. Đối với việc giải quyết một vấn đề thực tiễn về vận chuyển thẳng đứng và phân bố lại chất hoà tan trong dòng chảy phân tầng, những xem xét nh vậy đòi hỏi giá trị đo đạc rối rất chi tiết theo không gian và thời gian. Hình 10.4 là một sơ đồ khái niệm quy mô minh họa vai trò của những bất ổn định Kelvin - Helmholtz theo những số Reynolds và Froude khác nhau, dựa vào thực nghiệm trong phòng và hiện trờng. Hình 10.4 Phác họa sự thích ứng của hiện tợng quá độ liên quan đến bất ổn định K - H đối với những biến đổi của số Reynolds và Froude mặt phân cách. (Theo Thorpe, Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý, 92(C5), 5231- 5248, 1987, bản quyền của Hiệp hội Địa vật lý Mỹ) Những kết quả khảo sát trong phòng thí nghiệm chứng tỏ rất hữu ích trong việc cho thấy những loại hiện tợng có thể xuất hiện trong các cửa sông hoặc những vùng ven bờ (Simpson, 1997). Tuy nhiên, sử dụng những kết quả từ những nghiên cứu nh vậy để suy luận sự xáo trộn xuất hiện trong thế giới thực tế nhiều đến đâu, cần thấy rằng, ngoài việc biết độ lớn của hiệu ứng phát sinh, phải biết tần số xuất hiện của hiện tợng. Điều khác thờng nhất ở đây là bất kỳ đánh giá thực tế nào về tần số xuất hiện của một kiểu sự kiện xáo trộn đặc trng, đặc biệt do việc hình thành những điều kiện thúc đẩy sự bất ổn định, phụ thuộc vào lịch sử đã qua của những sự kiện xáo trộn trong dòng chảy. Nh vậy, việc sử dụng trực tiếp những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và lý thuyết những quá trình rối để định lợng hiện tợng tơng đơng trong những trạng thái biển là đặc biệt khó, bởi vì tần số xuất hiện của hiện tợng đó nói chung là không biết, đặc biệt khi những sự kiện xáo trộn đó có thể hiếm. 324 10.2.3 Chất chỉ thị nh một biện pháp lấy trung bình Việc sử dụng chất chỉ thị đã chứng tỏ là con đờng hữu ích để đạt đợc sự thấu hiểu nào đó về hiệu ứng toàn bộ của hiện tợng quá độ lên quá trình phát tán một chất hoà tan. Mặc dầu kỹ thuật đợc thảo luận trong Chơng 7 và đợc minh họa bởi một vài kết quả trong Chơng 8 không chỉ ra những chi tiết về tần số và độ lớn của những bất ổn định, nó cung cấp một phơng tiện lấy trung bình ảnh hởng kết hợp của trợt vận tốc và xáo trộn rối. Trạng thái của chất chỉ thị và cách tiếp cận thực nghiệm có thể có hiệu quả đáng kể về thông tin phát sinh. Ví dụ, nếu những khác biệt độ mặn đợc sử dụng để đánh giá mức độ phát tán, thì phân bố muối sẽ là kết quả của những quá trình phát tán qua một số chu kỳ thủy triều một cách bình thờng. Những sự kiện xáo trộn đặc trng nh vậy, ví nh sự xuất hiện của phát tán đặc biệt thấp vào một ngày đặc trng, có thể không hiển nhiên khi phân bố toàn bộ của muối đợc đo một vài ngày về sau. Tuy nhiên, nếu một sự kiện quan trọng xuất hiện trong chu kỳ đo đạc, thì cấu trúc đang thay đổi của phân bố độ mặn trở nên hiển nhiên và có thể sử dụng để biết một ít về quá trình xáo trộn, nh đợc minh họa bởi hình 10.3. Kết luận này phụ thuộc vào những quy mô thời gian và không gian đợc chi tiết hoá một cánh đầy đủ để cho phép hiệu ứng của sự kiện sẽ đợc phát hiện và định lợng. Ví dụ, những đo đạc phân bố độ mặn tại những khoảng một giờ trong một chu kỳ thủy triều không thích hợp cho việc suy xét hiện tợng xáo trộn phát triển và hoàn tất trong 15 phút. Những hiệu ứng trung bình của các quá trình lên quy mô thời gian và không gian nhỏ hơn thờng xác định rõ ràng hơn bằng cách sử dụng một chất chỉ thị, nh chất chỉ thị màu phát quang. Quy mô ban đầu của phân bố màu thẳng đứng có thể nhỏ hơn 1,0 m đủ để xác định những thay đổi do xáo trộn tại nêm mật độ, nh thể hiện bởi Woods (1968) trong nêm nhiệt Địa Trung Hải. Khó khăn đối với những thực nghiệm trên quy mô nhỏ là rối có vẻ có mặt ở những quy mô lớn hơn quy mô thực nghiệm, và các xoáy liên quan làm cho chất chỉ thị bị dịch chuyển hoặc thậm chí phá huỷ trong một trạng thái không thể đoán trớc. Điều này hầu nh chắc chắn là một trong những lý do biến động trong những kết quả nhận đợc từ thực nghiệm màu. Một quá trình đặc trng làm biến dạng những đốm loang hoặc vệt loang chất chỉ thị là tác động của trợt dòng chảy và những phơng pháp để loại bỏ hiệu ứng này khỏi dữ liệu thực nghiệm đợc thảo luận trong Chơng 8. Thậm chí với 'việc làm sạch' bản ghi dữ liệu này, thờng có sự phân tán rõ rệt của mức độ xáo trộn đã đánh giá, nói chung đợc biểu thị bằng những hệ số khuyếch tán hoặc những vận tốc khuyếch tán. Dù có thừa những điều không chắc chắn liên quan đến những thực nghiệm chất chỉ thị, một vài bức tranh tổng quát nổi bật có giá trị trong việc định lợng độ lớn phát tán trong nớc biển. Trớc hết, những đo đạc độ mặn cho thấy một vài cửa sông có thể có nguồn muối có thể chứng tỏ đợc và phát hiện này có thể sử dụng để đánh giá những hệ số phát tán trung bình thủy triều. Thứ hai, khi lấy trên nhiều khu vực thuỷ văn khác nhau, có vẻ xuất hiện sự bền vững nhất định về độ lớn của hệ số phát tán hớng ngang, khi chỉ xét những giá trị nhỏ nhất để giảm ảnh hởng không đều của trợt ngang do gió. Hai mục sau lần lợt khảo sát kết quả từ những thực nghiệm độ mặn và chất chỉ thị màu. 325 10.3 thực nghiệm Nguồn muối 10.3.1 Nguồn muối Nguyên lý tổng quát của nguồn muối là, khi lấy trung bình qua nhiều chu kỳ thủy triều, những biến đổi trong dòng chảy sông có thể bỏ qua, độ mặn tại bất kỳ vị trí đặc trng nào dọc theo cửa sông còn lại là hằng số. Điều hợp lý là dòng chảy nớc ngọt qua cửa sông liên tục vận chuyển muối về phía biển và bởi vậy, có thể nghĩ rằng cửa sông trở nên ngọt hơn và ngọt hơn. Sự thực điều này không xảy ra, cho thấy rằng muối phải đợc mang về phía đất bởi một cơ chế nào đó, và tiêu chuẩn độ mặn không đổi có nghĩa là mức độ mà điều này xảy ra phải phù hợp chính xác với mức độ vận chuyển ra biển bởi dòng chảy sông. Bởi vì chỉ có chuyển động bình lu qua hệ thống là do sông, cơ chế mang muối về phía đất phải không liên quan đến bất kỳ chuyển động thực tế nào của nớc, tức là nó phải đợc khuếch tán. Để khảo sát những cơ chế cộng tác với dòng muối hớng vào phía đất, nhiều nghiên cứu đã đánh giá độ lớn của những thành phần vận chuyển do sự tơng quan của vận tốc, độ mặn và độ sâu tại những vị trí đặc trng. Mức vận chuyển, hoặc dòng muối do dòng chảy u bằng tích số <us>, trong đó những dấu móc biểu thị lấy trung bình trong một khoảng thời gian (mục 4.2.1) và s là độ mặn đo cùng thời gian và cùng vị trí nh với dòng chảy. Toàn bộ dòng muối trên chiều rộng đơn vị qua một mặt cắt thẳng đứng có thể lấy trung bình trong một chu kỳ thủy triều để cho ta dòng thực tế F T bằng cách sử dụng biểu thức T h T usdzdt T F 0 0 1 . (10.2) Bằng việc biểu thị u và s dới dạng những giá trị trung bình và độ lệch từ giá trị trung bình đó, có thể tính toán độ lớn của F T từ những quan trắc chi tiết của độ mặn và dòng chảy trong một chu kỳ thủy triều. Các công trình trớc đây xét sự vận chuyển của muối do những biến đổi thẳng đứng trong trung bình thủy triều và những dao động thủy triều chu kỳ ngắn (khoảng nửa giờ), cùng với biến đổi thủy triều trung bình độ sâu (Bowden, 1963). Những nghiên cứu sau này cho phép những biến đổi thủy triều theo độ sâu, hoặc diện tích mặt cắt ngang (Dyer, 1973), và những ngời khác xét sự đóng góp đối với dòng muối từ những biến đổi ngang của dòng chảy và độ mặn (Fischer, 1972). Rõ ràng cửa sông khác biệt về thủy động lực của chúng và do đó về ý nghĩa của những quá trình đặc trng tham gia vào cơ chế khuếch tán về phía bờ. Phụ thuộc vào chất lợng của dữ liệu quan trắc, những nghiên cứu này không phải luôn luôn tạo ra một nguồn muối có thể chứng tỏ đợc; giá trị của chúng thờng đợc dự phòng những độ lớn tơng đối cho một vài số hạng. Một nghiên cứu có tập hợp dữ liệu tơng đối lớn cho cửa sông Tees (hình 10.5) chỉ ra rằng nguồn muối đã đạt đợc và cho thấy rằng, trong hệ thống hẹp này, có những số hạng nhất định thống trị cơ chế cân bằng (Lewis và Lewis, 1983). Những kết quả khảo sát này đợc cho trong hình 10.6. Trong sơ đồ, hớng dơng đợc lấy về phía biển để những giá trị âm trên hình vẽ thể hiện những thành phần của dòng hớng về phía đất. 326 Tại mỗi trong số tám vị trí lấy mẫu dọc theo cửa sông, dòng kết hợp thực tế do những thành phần riêng biệt đợc chỉ ra bởi một mũi tên. Vận chuyển thực tế về phía biển bởi dòng chảy sông đợc chỉ ra bằng đờng liền; tất nhiên đây là dòng dơng và nó đợc phản chiếu trong trục x để so sánh có thể thực hiện với những số hạng khuếch tán. Có thể thấy rằng những mũi tên nói chung tuân theo xu hớng của đờng liền - chênh lệch độ lớn là do những quan trắc đã đợc lấy tại tâm của lòng dẫn chính của cửa sông, trong đó dòng chảy mạnh hơn, trong khi dòng muối của sông dựa vào vận tốc trung bình mặt cắt. Hình 10.5 Cảnh quan mặt bằng của cửa sông Tees, phía Đông Bắc Nớc Anh. (Theo Lewis và Lewis, 1983, đợc sự đồng ý của Academic PrPress) Vận chuyển thực tế của muối về phía biển do dòng chảy sông đợc đánh giá bằng việc làm khớp một hàm đối với phân bố dọc trung bình thủy triều của độ mặn. Đây là một hàm hyperbolic có dạng ))(tanh(1 2 1 0 M M QxxH s s (10.3) trong đó 0 s là độ mặn trung bình thủy triều lấy trung bình mặt cắt ngang tại khoảng cách x từ biên phía đất của cửa sông, s m là độ mặn tại biên phía biển của cửa sông, x M là độ dài cửa sông, H là độ dốc của gradient độ mặn và Q là hệ số dịch chuyển dọc đối với phân bố độ mặn. Nói chung, phân bố dọc của muối tơng ứng với H = 0,002 và Q = 0,5. Dòng 'khuếch tán' hớng vào phía đất F của muối đòi hỏi cân bằng với dòng ra phía biển của dòng chảy nớc ngọt qua hệ thống sẽ đợc tính toán từ quan hệ FAsR 0 (10.4) [...]... 332 Fm fFc (1 0. 8) Đã thấy từ những quan trắc trong Tees (Lewis và Lewis, 198 3) rằng một phần đáng kể của dòng khuếch tán trong các cửa sông được thống trị bởi hoàn lưu thẳng đứng và những thành phần dao động Fv và FT tương ứng Như vậy, với xấp xỉ đầu tiên Fc Fv FT (1 0. 9) Từ những phương trình (1 0. 5), (1 0. 8) và (1 0. 9) u fw S0 f ( Fv FT ) (1 0.1 0) Toàn bộ kết quả khảo sát từ 1975 ở cửa sông Tees... thượng lưu 333 Bảng 10. 1 Hệ số phát tán suy luận từ những số hạng dòng muối Trạm Fv -( Fv+FT) FT -2 -1 (x0,01kgm s ) Phạm vi ufws0/f Kxe s0/x -6 -1 (x 10 m ) (1 02m2s- 1) Triều yếu 3 -3 ,49 -0 ,83 4,32 3, 2-4 ,5 0,30 0,86 4 -4 ,74 -6 ,50 11,24 8, 6-1 2,0 0,33 1,99 3 -1 0,11 4,03 6,08 4, 2-5 ,9 0,51 0,70 4 -5 ,11 -7 ,17 12,28 11, 0-1 5,5 Triều cường 0,51 1,41 Như vậy sự biến đổi độ lớn của bơm thủy triều trong thời gian... 2 -1 (m s ) -4 2 -1 (x10 m s ) 335 Những hệ số hướng ngang (bảng 10. 2) nằm trong phạm vi từ 0,003 đến 0,50 m2s-1 và có giá trị trung bình là 0,05 m2s-1, tương tự như những giá trị trung bình của Kye tìm thấy trong thực nghiệm trong nước ven bờ Ai len và nước Anh, và được báo cáo trong mục 8.4.2 Những hệ số xáo trộn thẳng đứng trong những khu vực dòng triều mạnh hơn giới hạn giữa 0,0002 và 0,011 m2s-1,... sở những phương trình (1 0. 6) và (1 0.1 0) và chúng cũng được cho trong bảng Bảng 10. 1 cho thấy giữa những kỳ triều cường và yếu, những giá trị Kxe không thay đổi nhiều, dù có sự tăng đáng kể trong gradient dọc của độ mặn Ví dụ, tại trạm 3, Kxe giảm từ 86 đến 70 m2s-1 (tương đương với 22 % mức thay đổi), khi s0/x tăng từ 0,30 đến 0,51 x 1 0-6 m-1 (tương đương với 54 % mức thay đổi) Từ bảng 10. 1 có thể thấy... vẻ đã trợ giúp quá trình phát tán Việc xem xét giờ đây là cho một tập hợp dữ liệu do những nghiên cứu chất chỉ thị màu trong 21 khu vực khác nhau xung quanh bờ biển Vương quốc Anh (Riddle và Lewis, 199 7) Một vài nghiên cứu được thực hiện trong những khu vực bao quanh, xét về đặc tính là cửa sông nhưng phần lớn thực hiện trong những vịnh và bờ biển tương đối thẳng (bảng 10. 2) Hầu hết các thực nghiệm... Carew (ngoài khơi) X 0,330 25,0 15,0 0,25 Aberystwyth D 0,003 24,7 13,0 0,35 Teignmouth Q 0,420 20,0 12,0 0,20 Vùng nước Southampton T 0 ,100 50,0 12,0 0,60 Cửa sông Dart S 0,350 40,0 10, 0 0,21 Vịnh Swansea C 0, 210 2,0 8,0 0,30 Seaton Carew (gần b ) W 0,045 25,0 7,2 0,25 Criccieth và Morfa Bychan E 0, 010 10,5 7,0 0,18 Lyme Regis (gần b ) Y 0,150 28,0 7,0 0,15 Stevenston A 0,050 19,2 6,0 0,06 Cửa sông. .. dòng ổn định (xem mục 5.2. 1) Như vậy nguồn muối cho thấy những cơ chế khác nhau có thể thống trị phát tán trên một chiều dài tương đối ngắn của một cửa sông như thế nào - trong ví dụ này giữa các trạm chỉ là hơn 2 km 10. 3.2 Hệ số phát tán Phát tán trung bình thủy triều Một khía cạnh quan trọng của phân tích dòng muối là cung cấp thông tin về những quá trình tạo ra phát tán dọc trong cửa sông Có lẽ minh... 328 Hình 10. 7 Biến đổi vận tốc và độ mặn quan trắc gần mặt nước và đáy, và độ sâu trung bình, tại trạm 3 trong cửa sông Tees ( _ trung bình độ sâu, - - - 0,2 độ sâu, 0,6 độ sâu) (Theo Lewis và Lewis, 1983, được sự đồng ý của Academic Press) tại cầu phải nhỏ hơn 0,01 ms-1 Sự mâu thuẫn có thể giải thích bởi dòng chảy ngược lên trên cửa sông là dòng trôi Stokes (mục 2.4. 6); dòng trôi Stokes tại cầu Victoria... bậc độ lớn khác với hai đường cong trong hình 10. 9 có thể phản ánh sự hạn chế về kích thước của các xoáy cực đại trong dòng chảy rối phát triển hoàn toàn trong nước nông hơn nói chung, thể hiện bởi đường cong (b) Trong hoàn cảnh này có thể thấy rằng Officer (1 976: tr 29 4) đã quan trắc thấy những giá trị Nz trong nước ven bờ có bậc độ lớn lớn hơn so với trong các cửa sông, có lẽ do kích thước khác nhau... dương học được lĩnh hội khác nhau một cách đáng kể khi các cực tiểu được xác định Bảng 10. 2 Giá trị những hệ số xáo trộn xung quanh bờ biển Vương quốc Anh (Theo Riddle và Lewis, 1997, được sự đồng ý của Academic Press) Kz h u (m) (m/s) Mã số khu vực Kye(min) Vịnh Tees (ngoài khơi) B 0,500 2,0 50,0 0,35 Điểm Anvil O 0,090 62,0 23,0 1,40 Bude (ngoài khơi) V 0,140 60,0 20,0 0,07 Vịnh Poole L 0, 010 111,5 . tiên Tvc FFF . (1 0. 9) Từ những phơng trình (1 0. 5), (1 0. 8) và (1 0. 9) )( Tv 0fw FF f Su . (1 0.1 0) Toàn bộ kết quả khảo sát từ 1975 ở cửa sông Tees giả thiết rằng f nằm trong phạm vi 0,5. F T (x0,01kgm -2 s -1 ) -( F v +F T ) Phạm vi u fw s 0 /f s 0 /x (x 10 -6 m -1 ) K xe (1 0 2 m 2 s -1 ) Triều yếu 3 -3 ,49 -0 ,83 4,32 3, 2-4 ,5 0,30 0,86 4 -4 ,74 -6 ,50 11,24 8, 6-1 2,0. khu vực K ye (min) (m 2 s -1 ) K z (x10 -4 m 2 s -1 ) h (m) u (m/s) Vịnh Tees (ngoài khơi) B 0,500 2,0 50,0 0,35 Điểm Anvil O 0,090 62,0 23,0 1,40 Bude (ngoài khơi) V 0,140 60,0