Chương Nghiên cứu hệ thống xáo trộn mạnh 8.1 Giới thiệu Trong Chương pha loãng chất môi trường biển thúc đẩy tác động rối; pha loãng coi xáo trộn khuếch tán Tuy vậy, Chương giải thích phát tán trượt, biến đổi vận tốc theo không gian làm tăng diện tích mặt nước mà qua xáo trộn khuếch tán tác động, định lượng Trong cửa sông vùng nước ven bờ, vận tốc thường biến đổi theo độ sâu theo hướng vuông góc với dòng chảy, phát tán trượt thường chế ưu hỗ trợ pha loãng Tại điểm nên tóm tắt lại bốn khía cạnh phát tán trượt làm sáng rõ Chương Những điều là: Trong dòng chảy ổn định với xáo trộn tương đối nhanh, độ lớn phát tán nhạy cảm phân bố vận tốc Nếu hệ thống có giới hạn, ví dụ mặt nước đáy biển, phát tán tỷ lệ nghịch với hệ số khuyếch tán thẳng đứng Khi biên hạn chế xáo trộn, ví dụ mặt nước, phát tán tỷ lệ thuận với hệ số khuyếch tán thẳng đứng Trong dòng chảy nhiễu động (thủy triều), phát tán phụ thuộc vào mức độ xáo trộn rối so với mức độ biến dạng phát sinh trượt Để hiểu định lượng mức độ phát tán cửa sông nước ven bờ, đòi hỏi kiến thức cho trượt vận tốc lẫn xáo trộn rối Vì yếu tố biến đổi khu vực thay đổi theo thời gian ứng với triều xuống triều lên, việc nhận hiểu biết đặt thách thức đáng kể Tình phức tạp chỗ trượt rối trình độc lập - lấy trung bình thời gian khuyếch tán dài ra, chuyển động phần 'tác động trượt' trở thành phần rối Hơn nữa, thấy Chương 3, rối vận chuyển động lượng lẫn khối lượng với mức độ khác với mức độ phân tầng dòng chảy Chương khảo sát trình phát tán nước xáo trộn mạnh, hiệu ứng phân tầng phức tạp bỏ qua Tham khảo kết thực nghiệm môi trường biển giải thích chúng sở khái niệm lý thuyết phác thảo Chương Hai chương sau đề cập đến phát tán dòng chảy xa để đồng nhất; Chương xét hệ thống hoàn toàn phân tầng Chương 10 xét hệ thống phân loại 'phân tầng phần' Sự phân chia môi trường biển tuỳ tiện có số dự định để định lượng biến thiên tính ổn định cửa sông Bởi vậy, chương bắt đầu với tổng quan 229 ngắn gọn kỹ thuật phân loại cửa sông áp dụng Những điều kiện xáo trộn mạnh phụ thuộc vào rối, phát sinh đáy biển tác động gió/sóng mặt biển, phần lại chương khảo sát phát tán xuất từ nguyên nhân ban đầu 8.2 Kỹ thuật phân loại cửa sông Không khác thường để nhận hệ thống đại dương nằm cực trị xáo trộn mạnh phân tầng Trong vài trường hợp, phân tầng vị trí đặc trưng biến đổi giới hạn chu kỳ cho, cho nên, ví dụ cột nước tương đối đồng thời gian chu kỳ thủy triều hoàn toàn phân tầng thời gian khác Tính biến thiên không bị hạn chế thay đổi theo thời gian chu kỳ thủy triều Tại vị trí cho, biến đổi tính ổn định xuất từ thay đổi nóng lên hàng ngày xạ mặt trời, thay đổi cường độ dòng chảy kỳ triều cường/yếu, chí thay đổi hàng ngày/từng mùa nguồn nước nhập vào cửa sông vùng ven bờ Những hệ thống, trung bình, nằm cực trị ổn định mô tả 'phân tầng phần'; chúng quan trọng theo quan điểm phát tán chúng tương đối tổng quát Có mối quan tâm từ lâu việc phân loại cửa sông theo kiểu đặc trưng, dựa vào việc mô tả trình vật lý, hóa học sinh học chúng Bằng cách nói, liệu có phải trình cửa sông tương đồng với trình tương đương cửa sông kiểu hay không Trong thiếu số biện pháp để phân loại cửa sông, việc so sánh hệ thống trở nên tuỳ tiện Thoạt tiên, phân biệt loại cửa sông khác túy mô tả, quy địa mạo (tức hình dạng đáy) đặc trưng cột nước (Pritchard, 1952) Tuy nhiên, để so sánh trình vật lý loại cửa sông khác nhau, có nỗ lực để đặt phương pháp phân loại mang tính định lượng Một cách tiếp cận xác định cửa sông dạng số phi thứ nguyên - ví dụ số cửa sông EN (Turner, 1973: tr 158) xác định EN pt F RT (8.1) Pt thể tích lăng trụ thủy triều (tức thể tích nước biển vào cửa sông triều lên), F = u0/ (gd)1/2 số Froude bình thường, u0 vận tốc thủy triều trung bình d độ sâu thủy triều trung bình, R lưu lượng thể tích nhập vào sông T chu kỳ thủy triều Đã đánh giá phân chia điều kiện phân tầng điều kiện xáo trộn mạnh xuất EN nằm từ 0,03 đến 0,3, giá trị lớn EN tương ứng với tình sau Vì cấu trúc mật độ cửa sông thay đổi đáng kể thời gian chu kỳ thủy triều, nỗ lực sớm để định lượng khác cửa sông sử dụng vận tốc trung bình thủy triều liên quan đến nguồn nước nhập vào hệ thống hoàn lưu dư thẳng đứng (Hansen Rattray, 1966) Những yếu tố thể 230 việc lấy tỷ số vận tốc mặt nước trung bình thủy triều u0v, số đo cường độ hoàn lưu thẳng đứng, vận tốc u0 trung bình mặt cắt dòng chảy sông Sự ổn định hệ thống xét đến việc sử dụng tỷ lệ khác biệt độ mặn mặt nước đáy s0 độ mặn trung bình mặt cắt s0 Hình 8.1 minh họa phân loại tiêu biểu cửa sông cách sử dụng tiếp cận Hansen Rattray Sơ đồ chia thành khu vực ứng với điều kiện khác dòng chảy khuyếch tán Trong khu vực dòng dư hướng phía biển tất độ sâu dòng muối hướng vào phía đất hoàn toàn khuyếch tán Trong khu vực sơ đồ dòng dư đảo ngược hướng độ sâu trung gian dòng lên thượng lưu khuyếch tán lẫn hoàn lưu thực tế Trong hai khu vực hình vẽ, loại a b tham chiếu đến điều kiện xáo trộn mạnh phân tầng, tương ứng Khu vực ứng với cửa sông, phụ thuộc vào theo vận chuyển thẳng đứng muối, fio, dòng khuếch tán Khu vực đặc trưng điều kiện nêm mặn cố định Cách tiếp cận Hansen Rattray Dyer (1977) sử dụng để xét hiệu ứng hoàn lưu hướng ngang việc phân loại cửa sông Hình 8.1 Sơ đồ phân loại cửa sông Hansen - Rattray (Mã trạm: M, Cửa sông Mississippi ; C, Cửa sông Columbia; J, Cửa sông Sông James ; NM, Khúc hẹp cửa sông Mersey; JF, Eo biển Juan de Fuca; S, Vịnh Silver - số h l tham chiếu đến lưu lượng sông thấp cao; chữ số cạnh chữ J khoảng cách tính dặm kể từ miệng cửa sông James) (Theo Hansen Rattray, 1966, đồng ý American Society for Limnology and Oceanography Inc) Mặc dù kỹ thuật chứng tỏ hữu ích, có vài nghi ngờ lý thuyết đưa Hansen Rattray áp dụng để giải thích ý nghĩa tham số lựa chọn (Officer, 1976: tr 127) Giờ hiểu rõ phần dòng dư xuất từ biến đổi vận tốc phụ thuộc vào thời gian cửa sông, không thật có lý để tách hoàn lưu trạng thái ổn định khỏi trình thủy triều phát sinh Để 231 có phân biệt này, Jay Smith (1988) đề xuất phương pháp phân loại dựa vào số Froude kết hợp FT, mô tả dòng triều (chính áp), số Froude nội FB, mô tả khác biệt mật độ hướng ngang thẳng đứng điều khiển dòng chảy mật độ (tà áp) Hình 8.2 cho thấy hình vẽ phân loại sử dụng hai tham số cho số cửa sông FT xác định FT = / h, biên độ trung bình thủy triều h độ sâu trung bình thủy triều độ dài cửa sông Tham số FB xác định FB = (d/D)(/x)1/ 2, d biên độ chuyển động thẳng đứng mặt phân cách mật độ thời gian chu kỳ thủy triều, D độ sâu trung bình thủy triều mặt phân cách, chênh lệch mật độ lớp lớp thấp hơn, đo nửa chừng dọc theo cửa sông, x khác biệt mật độ nằm ngang hai đầu cửa sông Tuy tính khả dụng cách tiếp cận Jay Smith phải chứng minh, nguyên lý đề biện pháp phân biệt rộng hệ thống, đảm bảo đánh giá chế cửa sông Hình 8.2 Sơ đồ phân loại cửa sông Jay-Smith cửa sông nông; dựa vào hai tham số FB số Froude tà áp, FT số Froude áp (Mã trạm: Au, Cửa sông Aulne; Bfu, Vịnh Fundee; CB, Vịnh Chesapeake; CR, Cửa sông Columbia; Du, Cửa sông Duwamish; Fr, Cửa sông Sông Fraser; GB, Vịnh Lớn; US, Long Island Sound ; Mi, Sông Mississippi; NM, Khúc hẹp cửa sông Mersey; NS, Phía Bắc Santee; RW, Thủy đạo Rotterdam; SW, Southampton Water; SS, Phía Nam Santee; Ve, Cửa sông Vellar - hf lf tham chiếu lưu lượng sông thấp cao) (Theo Jay Smith, 1988, đồng ý Springer-Verlag ) Tại nơi mà mức độ phân tầng liên quan đến nóng lên mặt nước xạ mặt trời biển nông vào mùa hè mùa xuân, phân biệt hệ 232 thống dựa vào tham số độ, PL= h / Ulb3, Ulb biên độ dòng triều gần đáy (mục 9.4.2) Những chế độ phân tầng phần tương ứng với khu vực, PL lớn 70 nhỏ 1000 vĩ độ ôn đới Tại vĩ độ cao hơn, hệ số dãn nở nhiệt thấp phân tầng phải bị phá vỡ giá trị PL lớn 70 nhiều Ví dụ, biển Bering, ổn định chủ yếu bổ sung nước vào lớp nước mặt, giá trị phân giới PL đánh giá xấp xỉ 3000 Bằng việc cho phép hạn chế vấn đề khác làm rõ mục 9.4.2, việc sử dụng độ sâu biên độ thủy triều để xác định ổn định nước ven bờ dựa vào tham số PL , chứng tỏ có ứng dụng tổng quát rộng rãi 8.3 Phát tán quy mô thời gian Ngắn 8.3.1 Điều kiện không kiểm soát trượt Trong mục mối quan tâm trình phát tán quy tác động túy rối, ảnh hưởng trượt không đáng kể Điều có nghĩa điều kiện môi trường biển phải tiếp cận điều kiện lý tưởng hóa rối ổn định đẳng hướng giả thiết mô hình thống kê lan truyền khuếch tán (mục 4.3.2) Khi chất phát tán cửa sông nước ven bờ, thời gian qua trình pha loãng xảy đặc biệt quan trọng Một đốm loang vật chất nhỏ biển tiên phụ thuộc vào xoáy nhỏ (tức quy mô thời gian khuếch tán ngắn), xoáy lớn gây biến dạng phân bố vật chất (mục 4.3.3) Thực vậy, xoáy lớn bình lưu toàn chất mà không đóng góp cho phát tán chút Một phát tán tiếp tục, thể tích bị chiếm chỗ vật chất lớn lên xoáy lớn không túy bình lưu, mà bắt đầu gây biến dạng Đã thấy Chương phụ thuộc quy mô theo hướng thẳng đứng có hiệu ứng đáng kể lên chế phát tán Một đốm loang chất hoà tan mặt biển xáo trộn xuống dưới, làm cho phụ thuộc vào tỉ lệ lớn trượt dòng chảy bao quanh phạm vi thẳng đứng tăng thêm Thấy đốm loang không xáo trộn đủ xa xuống để bị ảnh hưởng đáy, chế lý để phát tán tỷ lệ thuận với hệ số xáo trộn thẳng đứng Một xáo trộn theo độ sâu hoàn toàn, phát tán bị ảnh hưởng toàn trượt dòng chảy cột nước trở nên phụ thuộc ngược vào hệ số xáo trộn thẳng đứng Như thời gian để chất trở nên xáo trộn hoàn toàn theo độ sâu yếu tố thiết yếu việc xác định chế phát tán thịnh hành Trong việc tìm cách tách riêng liệu ứng với điều kiện đẳng hướng ổn định, nói chung chất xáo trộn hoàn toàn theo độ sâu lại phải phụ thuộc vào trượt bị bỏ qua Ma sát với đáy, chí hướng ngang với dòng chảy, phải có xu hướng phát sinh mức độ trượt thẳng đứng Do đó, tập hợp liệu dùng để nghiên cứu hiệu ứng phát tán rối tuý có lẽ phải liên quan đến thời gian khuyếch tán ngắn so với thời gian xáo trộn hoàn toàn chất hoà tan Thời gian xáo trộn thẳng đứng tv đánh giá cách xếp lại phương trình (4.17) cho ta 233 tv z2 2K z (8.2) Thường giả thiết xáo trộn thẳng đứng hoàn toàn độ lệch chuẩn 0,8 h, h toàn độ sâu (mục 6.4.2), thời gian xáo trộn cho tv ( 0,8h)2 0,32 h2 2Kz Kz (8.3) Ví dụ Đối với điều kiện xáo trộn, giá trị tiêu biểu Kz 0,01 m2 s-1 cho nước 10 m sâu, phương trình (8.3) nói lên tv= 53 phút Trong nhiều trạng thái ven bờ cửa sông phân tầng yếu, xáo trộn thẳng đứng hoàn thành vòng Trong thực tế, điều thể thời gian khuyếch tán tương đối ngắn Ví dụ, đốm loang chất thị thấy thường vài có lẽ có tương đối tập hợp liệu cho phát tán Tuy nhiên, thực nghiệm thải liên tục có xu hướng mô tả lan truyền đầu tiên, chủ yếu số lý thực tế Ví dụ, chất phát quang màu thải từ nguồn liên tục gần mặt nước thường không thấy sau lan truyền giờ; rõ ràng vệt loang đặc biệt có ích thực nghiệm trục đu đưa theo đổi hướng dòng triều, yếu tố làm cho tái định vị khó khăn Như kết từ việc thải liên tục chất thị mà có lẽ cung cấp liệu phát tán trước xáo trộn thẳng đứng hoàn thành Có thể đánh giá mức độ trượt thẳng đứng vuông góc với hướng dòng chảy trung bình suy điều kiện mà theo hiệu ứng trượt bỏ qua phân tích tập hợp liệu từ thực nghiệm thải liên tục Nếu trượt bỏ qua, lan rộng hướng ngang kiểm soát tác động khuếch tán rối Phương trình lan rộng ngang vệt loang xáo trộn thẳng đứng bị hạn chế mặt biển mà đáy lấy từ phương trình (5.29) (mục 5.2.1) dạng K ys K y K z 2zy t 56 (8.4) Để chắn khuyếch tán không bị thống trị trượt, Ky phải vượt số hạng trượt phương trình thấy thời gian khuyếch tán giới hạn ts trước trượt trở nên đáng kể 1/ Ky ts 4,32 K z zy (8.5) Giả thiết 60 phút để xáo trộn hoàn toàn theo độ sâu, ví dụ sau thời gian khuếch tán 40 phút, phân bố thẳng đứng chất thải từ nguồn liên tục có lẽ không bị ảnh hưởng đáng kể đáy Trong hoàn cảnh vậy, phương trình (8.5) áp dụng sử dụng để đánh giá mức độ trượt thẳng đứng, vuông góc với dòng chảy trung bình, mà bắt đầu ảnh hưởng đến lan truyền hướng ngang 234 Ví dụ Hãy giả thiết điều kiện đồng nhất, Ky = 0,05 m2s-1 Kz = 0,1 m2s-1 Sử dụng phương trình (8.5) lấy thời gian khuyếch tán 40 phút, đánh giá mức trượt phải 0,004 s-1 nên không đóng vai trò lan truyền ngang Mức trượt thẳng đứng 0,004 s-1 tương ứng với 0,40 cms-1 1m nhỏ Cần kết luận mức trượt thẳng đứng thấp vuông góc với dòng chảy trung bình xuất nước, mà không phụ thuộc vào ứng suất gió vào dòng triều có biến đổi rõ ràng hướng theo độ sâu Như điều kiện đòi hỏi lan truyền túy khuếch tán thấy thành phần trượt ngang nhỏ (có lẽ 0,004 s-1), thời gian khuyếch tán ứng với xáo trộn chưa hoàn toàn (nói chung cửa sông vùng ven bờ xáo trộn mạnh) Điều có ích cho việc xác định lan truyền hướng ngang thực nghiệm thải liên tục chất thị, hoàn cảnh tương đối hiếm, trường xoáy biển xấp xỉ với ý tưởng lý thuyết rối đẳng hướng đồng 8.3.2 Hiệu ứng kích thước xoáy Định lượng hiệu ứng quy mô xoáy Quy mô xoáy trở nên đặc biệt quan trọng có kích thước cực đại xoáy có mặt trường rối Hình 8.3 minh họa vai trò thay đổi xoáy có quy mô đặc biệt việc đẩy mạnh pha loãng Nếu quy mô ban đầu chất phát tán tương tự quy mô xoáy, xoáy vận chuyển đốm loang không tạo phát tán Mặt khác, quy mô đốm loang lớn quy mô xoáy ít, tác động biến dạng xoáy trợ giúp trình lan truyền Khi đốm loang lớn quy mô xoáy đặc trưng, xoáy đóng vai trò khuếch tán trình pha loãng Hình 8.3 Thay đổi vai trò xoáy có quy mô đặc trưng lên vận chuyển lan truyền đốm loang Những dòng triều dẫn đến hình thành xoáy với phạm vi rộng lớn kích thước Ngoài hiệu ứng ma sát với đáy biển, nước thủy triều khuấy tác động sóng Hình dạng đáy biển cưỡng chuyển động nước làm cho 235 dòng chảy chảy song song với đường đồng mức, phát sinh rối ma sát hướng vuông góc với biên Những chướng ngại, đảo nhỏ mũi đá, phân chia dòng chảy, tạo nên vết xoáy để hình thành xoáy có quy mô lớn (mục 2.3.6) Nói chung kích thước xoáy hướng thẳng đứng ngăn chặn kề cận với mặt nước đáy biển, quy mô thẳng đứng nhỏ nhiều quy mô mặt phẳng nằm ngang Hình 8.4 Hình vẽ tỷ lệ lôga - lôga biến đổi hệ số khuếch tán ngang Ky theo độ lệch chuẩn chiều rộng vệt loang (Dựa theo Bowden and Lewis, 1973, đồng ý Academic Press) Trong mục 4.3.3 phác hoạ khái niệm mô tả khuyếch tán dạng phân tách cặp hạt Giả thiết mức độ tách cặp hạt thời điểm tỷ lệ với khoảng cách chúng, Richardson hệ số khuếch tán tỷ lệ với số mũ bốn phần ba độ lệch chuẩn l hạt dịch chuyển khỏi vị trí trung bình chúng Điều biểu thị phương trình (4.30) sau K al / (8.6) a số, Richardson đánh giá 0,2 Câu hỏi xuất là, liệu định luật bốn phần ba', định luật khác quy mô có hiệu ứng đáng kể lên lan rộng chất hoà tan chất lơ lửng biển Richardson hy vọng giải thích phạm vi rộng hệ số khuyếch tán theo Fick (tức số) thấy khí quyển, lý thuyết quy mô xoáy ông có câu trả lời Tuy nhiên, phạm vi quy mô sử dụng Richardson hình vẽ bốn phần phần ba ông kinh ngạc Ông xem xét điều từ khuếch tán phân tử có quy mô x 10 -2 cm đến áp thấp có quy mô 1000 km Như mục trước, hoàn cảnh thuận tiện rối đồng đẳng hướng hoàn cảnh cho giai đoạn sớm vệt loang chất thị Hình 8.4 cho thấy hình vẽ hệ số khuếch tán ngang Ky theo quy mô xoáy, 236 thể độ lệch chuẩn ngang vệt loang liên tục chất thị màu biển Ailen; số nghiên cứu loại mô tả Bowden nnk (1974) Những kết giả thiết mức lan truyền ứng với số định luật hàm mũ 2,4, tức xấp xỉ định luật 5/2, thay định luật 4/3 Richardson Mặc dầu ví dụ, đáng để nhấn mạnh định luật hàm mũ quy mô thấy môi trường biển giả thiết luôn tuân theo mức độ lý thuyết Hình 8.5 Akira Okubo (được đồng ý Giáo sư Malcolm Bowman, Trường đại học Quốc gia New York, Stony Brook) Khái niệm định luật quy mô số nhiều khía cạnh phát tán biển nghiên cứu mặt lý thuyết thực hành nhà khoa học lỗi lạc Akira Okubo (hình 8.5) Một người đàn ông dễ tiếp xúc từ tốn, Akira Okubo luôn dành thời gian để thảo luận khoa học với đồng nghiệp sinh viên, chia sẻ đam mê ông giới tự nhiên Ông không hạn chế nghiên cứu phát tán biển mà áp dụng khái niệm khuyếch tán rối cho nhiều ứng dụng đa dạng đám muỗi vằn cánh đồng ngô Minnesota, di trú cáo từ chỗ nguyên chúng đến nơi Những cách tiếp cận vấn đề vậy, bao gồm phép mô hình hóa khuyếch tán chất dinh dưỡng biển, phác thảo sách giáo khoa kinh điển ông (Okubo, 1980) Để thấy 237 có định luật tổng quát cho việc xác định quy mô thích hợp biển, Okubo (1971) đối chiếu liệu từ số thực nghiệm thải màu tức thời Dữ liệu từ vùng nước xa bờ biển phía Đông Hoa Kỳ khơi bờ biển California Okubo sử dụng kết từ thực nghiệm phía Nam Biển Bắc 2000 kg màu rhodamine - B thải theo dõi với chu kỳ ba tuần Chỉ liệu chọn, đốm loang kết màu thấy rõ xa bờ biển nên chúng giả thiết vô hạn mặt phẳng nằm ngang Okubo tính toán độ biến thiên lệch tâm h2 cách sử dụng biến thiên phân bố nồng độ đo dọc theo (x2) vuông góc với (y2) dòng chảy trung bình, h2 x y (8.7) Hình 8.6 Diễn biến toàn đốm loang theo thời gian phát tán (Theo Okubo, 1971, với cho phép thân thiện Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington 0X5 1GB, Vương quốc Anh) Mặc dầu chúng coi khảo sát quy mô thời gian ngắn cách chặt chẽ, cách tiếp cận có tiền đề tương tự chỗ phân biệt thể lan truyền dọc ngang (tức đốm loang hình êlíp trượt dòng chảy) Hiệu ứng trượt, mà có mặt, Okubo lưu ý đến phần 238 tưởng vào tính thích hợp mô hình trạng thái nghiên cứu, vào tính xác giá trị đánh giá Kz Bảng 8.6 cho thấy giá trị đánh giá quan trắc zx nhận cửa sông Plym Tees (Lewis, 1979) Bảng 8.6 Những giá trị trượt đánh giá quan trắc cửa sông Plym Tees (Theo Lewis, 1979, đồng ý Academic Press) Kxe Kz -1 -1 zx(dự báo) -1 zx(quan trắc) (m s ) (m s ) (s ) (s-1) Cửa sông Plym 0,0016 0,0292 0,027 0,024 Cửa sông Plym 0,0014 0,0107 0,021 0,031 Cửa sông Tees 0,0016 0,0547 0,037 0,045 Cửa sông Tees 0,0010 0,0580 0,028 0,040 Mặc dầu phù hợp không thật tốt thực nghiệm này, giá trị trượt đo đạc nằm vòng 50 % giá trị phát sinh từ mô hình Sông Plym Tees đạt đến điều kiện xáo trộn mạnh giá trị thấp Kz Kxe phản ánh độ sâu hạn chế đốm loang chất thị màu, đến lượt hạn chế ảnh hưởng trượt dòng chảy thẳng đứng lên phát tán dọc chúng Một số thực nghiệm chất thị màu thực nước xáo trộn khơi mũi đất Sharkham Point phía Nam Devon Hình 8.15 cho thấy hình vẽ giá trị dự đoán so với quan trắc, giá trị dự đoán dẫn xuất sử dụng cách tiếp cận mô tả Mặc dầu có vài điểm phân tán mô hình không hợp lệ hoàn toàn đường khớp không qua gốc toạ độ, kết xác nhận trượt lý ưu để đốm loang màu mở rộng theo hướng dọc Khi đạt đến giai đoạn Kz biết với độ tin cậy đó, dựa vào so sánh thỏa đáng trượt dòng chảy dự đoán quan trắc, sử dụng mô hình dòng chảy bán giới hạn để suy luận vận tốc lan rộng dọc độ lớn đặc trưng trượt tuyến tính Ví dụ Nếu Kz = 0,01 m2s-1 độ trượt 0,02 s-1 từ quan trắc thực nghiệm, biến thiên sau dự đoán 6660 m2 nhờ sử dụng phương trình (8.34) Phương trình (8.4) tương đương với hệ số phát tán hiệu Kxe 2,78 m2s-1, giả thiết khuyếch tán tuý không đáng kể Cùng mức xáo trộn thẳng đứng với độ trượt thẳng đứng theo dòng chảy 0,05 s-1, Kxe phải tăng đến 17,34 m2s-1' Như việc lựa chọn giá trị thích hợp xáo trộn độ trượt để dự báo thỏa mãn cho pha loãng cách sử dụng mô hình phát tán Như trên, Kz lấy không đổi toàn khu vực thực nghiệm cách sử dụng cách tiếp cận công thức đơn giản Trong nhiều trạng thái biển Kz 259 biến đổi theo không gian độ sâu nước sức cản đáy khác Với lý tốt sử dụng mô hình máy tính mô tả phân bố nồng độ đốm loang phát tán số bước thời gian; mô hình hạt có kiểu phác thảo mục 6.4 Bằng cách so sánh phân bố đo đạc quan trắc hiệu chỉnh hệ số xáo trộn để thu phù hợp chấp nhận được, suy luận độ lớn Kh zx Thấy không đạt xáo trộn tới đáy, đánh giá Kz từ độ sâu mặt phân cách chất thị thấp thời điểm khác chu nghiệm Bằng cách này, xét biến đổi không gian Kz khu vực thực nghiệm Hình 8.15 Độ trượt dòng chảy dự báo theo công thức phát tán giá trị quan trắc (Phiên từ nghiên cứu thực South West Water) Dòng chảy có giới hạn Trong dòng chảy có giới hạn (tức chất khuếch tán xáo trộn theo toàn độ sâu), ứng dụng mô hình mô tả Bowden (1965) Trong mô giả thiết trạng thái ổn định Kxe không đổi Thấy biến thiên dọc phải thay đổi tuyến tính theo thời gian (tức xe2 t) Từ quan trắc lan rộng đốm loang chất thị, hình vẽ xe2 theo t sử dụng để đánh giá độ lớn Kxe, giả thiết không đổi qua chu kỳ thu thập liệu Độ lớn Kz nhận từ phân bố thẳng đứng, độ sâu mặt phân cách thấp chất thị, trước nhận xáo trộn hoàn toàn Điều cần thiết cho Kz phù hợp với phần lại đo đạc lan truyền dọc, đặc tính phải lưu tâm yếu điểm kỹ thuật Ngoại trừ hạn chế này, việc sử dụng công thức phát tán trạng thái ổn định 260 K xe u s2 h AL K z (8.35) biện pháp quí giá để đánh giá độ lớn số AL Như thâý mục 5.4.2 AL phụ thuộc vào dạng phân bố vận tốc thẳng đứng Kz không đổi theo độ sâu; giá trị AL liệt kê bảng 5.1 (ví dụ, phân bố vận tốc) Bằng cách xếp lại phương trình (8.35) dạng AL u s2 h K xe K z (8.36) tính toán giá trị AL từ kết thực nghiệm chất thị, sử dụng để xác định phân bố vận tốc thích hợp vào thời gian khảo sát Như với trạng thái bán giới hạn, so sánh phân bố suy luận với phân bố đo đạc thực tế để kiểm tra mô hình chọn thích hợp chưa việc đo đạc tin cậy theo giá trị đánh giá Kz Ví dụ Đối với dòng triều có vận tốc gần mặt nước us= 0,3 ms-1 nước có độ sâu 10 m, hệ số khuyếch tán thẳng đứng Kz = 0,01 m2s-1, giá trị Kxe đánh giá 2,0 m2s-1 Phương trình (8.36) nói lên giá trị tương ứng AL 450 Để sử dụng quan hệ AL số mũ biến đổi vận tốc theo độ sâu cho mục 5.4.3, giá trị khoảng 1/4, thể định luật hàm mũ mạnh xác định van Veen 1/5,2 dòng triều mạnh Đã mô hình đặc trưng thích hợp suy luận rằng, giá trị Kz thỏa mãn sở phân bố vận tốc dự đoán phù hợp với phân bố đo đạc, mô hình hoá phát tán dọc phân bố vận tốc khác để nhận giá trị nhỏ cho Kxe 8.4.4 Đóng góp trượt phát tán hướng ngang Dòng chảy bán giới hạn Mức lan rộng theo hướng ngang chất hoà tan biển trở thành yếu tố đặc biệt quan trọng xem xét việc thải từ nguồn liên tục Những vệt loang thải liên tục chất thải công nghiệp sinh hoạt, trào triều xuống nước nhiễm mặn từ cửa sông, ví dụ, đạt pha loãng lan rộng dọc gradient nồng độ dọc nhỏ Trong giai đoạn trải rộng vệt loang, 'khuyếch tán' hướng ngang lẫn thẳng đứng ảnh hưởng đến pha loãng; khoảng cách kể từ nguồn mà đạt xáo trộn hoàn toàn theo độ sâu, pha loãng trở nên phụ thuộc trọn vẹn vào trình xáo trộn ngang Để đạt đến 'phía an toàn', mức độ tối thiểu phát tán hướng ngang đáng quan tâm Để tránh vấn đề xác định quy mô thực nghiệm chất thị, tốt sử dụng chiều rộng trường ban đầu có quy mô tương tự thải thực tế (tức trường mặt nước hình thành nguồn đổ biển) Kiểm soát chiều rộng ban 261 đầu thực nghiệm đốm loang rời rạc nói chung dễ nhiều so với vệt loang, với lý này, việc thải đốm loang chất thị thường ưa dùng Một vài ưu điểm việc thải rời rạc chất thị so với việc thải liên tục liệt kê bảng 8.7 Trong dòng chảy bán giới hạn, áp dụng mô hình tuyến tính có dạng sử dụng để xác định lan truyền dọc, tức ys2 y2 K z 2zy t 28 (8.37) Nếu thành phần ngang trượt thẳng đứng không quan trọng biểu thức này, độ lan rộng hướng ngang phụ thuộc vào y2 Bảng 8.7 ưu điểm thải rời rạc so với thải liên tục Những ưu điểm Những nhược điểm Cung cấp liệu hướng ngang Đốm loang lớn để nhận dọc 'ảnh chụp nhanh' phân bố nồng độ Thời gian đủ để xác định hiệu ứng Phát tán giai đoạn sớm không trượt Cùng thời gian theo dõi Không thể thu liệu thống kê đốm loang cho thời gian khuyếch tán Sự trôi đốm loang phát tán vận tốc dòng chảy Đốm loang dịch chuyển vào loại khác khu vực đại dương Khi quy mô xoáy tham gia vào khuếch tán, y2 tỷ lệ theo thời gian khuyếch tán t; điều ứng với Ky = số Một kích thước xoáy hướng thẳng đứng bị hạn chế biên mặt nước đáy, hợp lý cho z2 tỷ lệ thuận với t Sử dụng mô hình vệt loang Gauss đơn giản, nồng độ đỉnh vệt loang khuếch tán cần phải giảm mặt lý thuyết mức t1.0 (phương trình 6.19) Mặc dầu quan trắc giả thiết mức độ xuất hiện, nghiên cứu chất thị Holy Loch Scotland (hình 8.16) (Bowden Lewis, 1973), mức độ khác có xu hướng thịnh hành Như lưu ý mục (8.4.2) vận tốc khuyếch tán, biến thiên hướng ngang ys2 quan trắc số nghiên cứu vệt loang chất thị tuân theo định luật xấp xỉ t2,0 (Bowden nnk., 1974) Mức độ nằm định luật tuyến tính lập phương bao hàm phương trình (8.37) giả thiết hiệu ứng trượt tích cực thực nghiệm, không trội toàn diện so với khuyếch tán rối tuý Mặc dù không giống giải thích, thời gian khuyếch tán thực nghiệm lên xuống từ 10 đến 60 phút, cần thấy định luật hàm mũ t2,0 tương ứng với giai đoạn sớm lan truyền rối tuý dự đoán Batchelor (1950) (mục 4.3.5) Điều mong muốn tính toán độ lớn số hạng thứ hai bên vế phải phương trình (8.37) độ lớn trượt ngang zy chưa biết với độ xác đủ để tính toán Cho đến kỹ thuật thích hợp trở nên sẵn có để thực đo đạc 262 trượt ngang, có lẽ cần thiết xác định lan rộng hướng ngang dạng vận tốc khuyếch tán (bảng 8.4) xem xét quy mô thời gian nhỏ Hình 8.16 Sự thay đổi mức độ pha loãng theo thời gian thải màu liên tục Holy Loch, Scotland (Theo Bowden Lewis, 1973, đồng ý Academic Press) Dòng chảy có giới hạn Khi thời gian khuyếch tán đủ dài để chất hoà tan trở nên xáo trộn hoàn toàn mặt nước đáy, tiêu biểu khoảng giờ, lan rộng hướng ngang điều khiển phương trình tương đương với phương trình (8.35), tức K ye v s2 h AL K z (8.38) vs vận tốc dòng chảy mặt nước vuông góc với hướng dòng chảy Biểu thức giả thiết phát tán trượt thống trị khuyếch tán rối tuý điều kiện trạng thái ổn định Một mô hình phân bố tuyến tính xét (hình 8.17) vận tốc mặt nước đáy ngược dấu; với phân bố không xét dịch chuyển hướng ngang thực tế theo độ sâu Bởi tính tương tự với phương trình (5.21), Kye có dạng K ye v s2 h 30 K z (8.39) 263 Hình 8.17 Biến dạng ngang tuyến tính theo độ sâu, sử dụng chất xáo trộn hoàn toàn qua hướng dòng chảy trung bình Ví dụ Đã thấy từ liệu thực nghiệm giá trị tiêu biểu Kye nước ven bờ khoảng 0,2 m2s-1 Đối với độ sâu h = m Kz tiêu biểu = 0,0 l m2s-1 điều kiện xáo trộn mạnh, vs 0,035 ms-1 sử dụng phương trình (8.39) Độ lớn dòng chảy ngang không dự kiến thành phần gió ngang 2- ms-1 (mục 8.6.1) Kye nhỏ quan trắc giả thiết rối (tiêu biểu 0,03 m2s-1) hệ số Kys thực tế Kys= 0,03+ 0,20 m2s-1 8.5 Phát tán quy mô thời gian dài 8.5.1 Phát tán dọc Trong việc nghiên cứu số phận chất hoà tan cửa sông nước ven bờ, phát tán thời gian chu kỳ thủy triều thích hợp phát tán nhiều chu kỳ thủy triều Nhà khoa học biển, ví dụ, quan tâm đến phát tán trứng cá đốm loang phù du, quy mô thời gian vài ngày thích hợp Người làm mô hình xét số phận dài hạn chất ô nhiễm chu kỳ có phạm vi từ nhiều ngày đến năm Ví dụ, chuyển động chất ô nhiễm đổ xuống sông chảy vào biển Bắc mô tả Hainbucher nnk (1987) phát tán vận chuyển chất dinh dưỡng có nguồn gốc sông dọc theo bờ biển Đông Bắc nước Anh mô tả Staples nnk (1993) Bowden (1965) dẫn xuất biểu thức cho phát tán dọc đốm loang vật chất dao động lặp lại thủy triều, giả thiết xáo trộn thẳng đứng tương đối nhanh so với thời gian đảo ngược dòng triều (mục 5.3.3) Hệ số khuyếch tán hiệu từ phân bố vận tốc tuyến tính hệ số xáo trộn thẳng đứng không đổi biểu thị sau 264 K xe U s2 h 240 K z (8.40) biên độ dòng triều mặt nước Us vận tốc đáy không độ sâu toàn h Những ví dụ (a) Những thực nghiệm RHENO biển Bắc kéo dài vài tuần, cung cấp liệu phát tán đốm loang màu lớn, độ dài 10 km, biến dạng gây trượt ngang (Talbot Talbot, 1974) Giả thiết biên độ dòng chảy mặt nước Us = 0,5 ms-1, h = 50 m Kz = 0,01 m2s-1 nước xáo trộn mạnh, biểu thức nói Kxe= 260 Đây lấy giá trị lớn đánh giá Kxe từ thực nghiệm chất thị màu giả thiết công thức khuếch đại ảnh hưởng phát tán dao động thủy triều (b) Một nghiên cứu chất thị màu nước yên lặng vịnh Irvine, Scotland thực 1,5 ngày (Lewis, 1986) Thấy với biên độ dòng chảy mặt nước 0,1 ms-1 màu xáo trộn xuống đến sàn khuyếch tán, hình thành nêm mật độ, m với giá trị tiêu biểu Kz = 0,0001 m2 s-1 Công thức giả thiết Kxe cần phải khoảng m2 s-1 đo đạc Kxe = 2,2 m2 s-1 Như vậy, công thức lần dường đánh giá phát tán dọc cao Trong thực tế không gradient vận tốc tuyến tính dạng phân bố vận tốc thích hợp xét mục 5.4.4 8.6.1, xét đến vài xung khắc 8.5.2 Phát tán hướng ngang Trong nước xáo trộn mạnh, độ mặn thực tế đồng từ mặt biển đến đáy mặt đẳng mặn thẳng đứng, thấy phân bố độ mặn rõ tranh đẳng mặn mặt Trạng thái minh họa phân bố đường đẳng mặn biển Ai len (hình 8.18) có chuyển động bình lưu hướng bắc dòng chảy dư Lưỡi mặn pha loãng việc xáo trộn với nước từ sông nên độ mặn trung bình giảm gần đến 1.0 theo thời gian nước đạt đến Lòng dẫn Bắc, phía Bắc Isle of Man Trạng thái sử dụng để đánh giá hệ số phát tán hướng ngang toàn cho biển Ai len (Bowden, 1950; Proudman, 1953) áp dụng nguyên lý cho trạng thái tương tự, tức Lòng dẫn Bristol (Stommel, 1953) Cách tiếp cận chấp nhận biển Ai len giả thiết phát tán dọc muối không đáng kể so với bình lưu dòng dư Như phương trình cân muối đơn giản thành ur s s K ye x y y (8.41) ur dòng chảy dư Nếu Kye bất biến theo hướng y, phương trình đơn giản thành K ye ur s / x 2s / y (8.42) 265 Giá trị tỷ lệ Kye/ ur khu vực trung tâm biển Ai len thấy khoảng km, lấy ur = 0,005 ms-1, Kye = 25,0 m2 s-1 Giá trị lớn đáng kể giá trị Kye xác định từ thực nghiệm chất thị màu (thậm chí kết RHENO Biển Bắc khoảng phần mười độ lớn này), nhấn mạnh đóng góp dao động thủy triều nhiễu động khí tượng dài hạn Hình 8.18 Phân bố mặt đẳng mặn trung bình thủy triều biển Ai len (Theo Proudman, 1953) Việc tiếp cận nói để xác định phát tán dựa vào giả thiết lý tưởng Thông thường cần phải xét bình lưu hướng ngang phát tán dọc vùng nước xáo trộn nhiều mục đích, đòi hỏi mô hình hai chiều - tích phân theo độ sâu mô tả mục 6.8 Một mô hình kiểu áp dụng Hunter (1975) để mô tả hoàn lưu trạng thái ổn định biển Ai len có sử dụng phân bố độ mặn quan trắc giá trị đánh giá Kye Kxe từ nguồn Bowden (1950) Lấy Kye = 40 m2s-1 Kxe =600 m2s-1, Hunter thấy vận chuyển trung bình dự đoán nước phù hợp tốt với nhứng đánh giá trước Bowden 266 8.6 So sánh với điều kiện Môi trường 8.6.1 Sự thích nghi với điều kiện xung quanh Hiệu ứng vận tốc dòng chảy Cường độ rối biến đổi đáng kể thời gian chu kỳ thủy triều dòng chảy trở nên mạnh lên yếu Bởi vậy, việc tìm kiếm hiểu biết tượng phát tán, nhiều nghiên cứu hướng vào mô hình hóa thủy triều đo đạc phát tán thuỷ triều, đặc biệt với mục tiêu thiết lập mối quan hệ hệ số phát tán dọc vận tốc dòng chảy Trong dòng chảy có giới hạn, hai công thức phát triển để mô tả trạng thái ổn định trạng thái phát tán trung bình thủy triều (Bowden, 1965) Để minh họa ứng dụng công thức môi trường biển, Bowden cho thấy dẫn xuất hệ số phát tán cho phân bố vận tốc tiêu biểu giả thiết định xáo trộn thẳng đứng Lần theo tái trình vật lý đó, vài ví dụ thảo luận đến Khi chất hoàn toàn xáo trộn theo độ sâu đường đẳng nồng độ thẳng đứng Sự trượt phát sinh biến đổi thẳng đứng thành phần dọc vận tốc làm cho đường đẳng trị nghiêng (xem Hình 5.2) xáo trộn thẳng đứng chống lại xu hướng việc hoàn trả lại phân bố thẳng đứng có nồng độđồng Trong trường hợp trạng thái ổn định, xáo trộn thẳng đứng vừa đủ để bù đắp tác động làm lệch trượt vận tốc Điều dẫn đến biểu thức tổng quát cho mục 5.4.3: K xe u s2 h AL K z (8.43) Từ công thức thấy Kxe hàm cường độ vận tốc dòng triều xác định dòng chảy mặt us Bằng việc giả thiết xáo trộn thực trạng thái ổn định, đánh giá thay đổi phát tán chu kỳ thủy triều Tuy nhiên, chí dạng phân bố thẳng đứng dòng chảy mô tả AL số, Kz biến đổi theo vận tốc dòng chảy Trong phân tích Bowden giả thiết dạng đặc trưng chấp nhận cho phân bố vận tốc, Kz không đổi có giá trị hệ số nhớt rối, giả thiết hợp lý dòng chảy đồng Không giống ví dụ trích dẫn mục 5.4.4, cần nhận AL bao gồm hàm vận tốc lẫn biến đổi thẳng đứng Kz trường hợp khác với số Như vậy, giả thiết Kz biến đổi theo độ sâu, Kz phương trình thật Kz0, hệ số khuyếch tán thẳng đứng cực đại theo độ sâu Bây xét ba phân bố khác nhau: Phân bố lôgarit toàn độ sâu Mặc dù thực điều kiện biển phân bố vận tốc lôgarit lớp ứng suất không đổi gần đáy, phục vụ để minh họa ứng dụng công thức dòng chảy lòng dẫn thí nghiệm (Elder, 1959) Phân bố vận tốc đưa u u* ln k (8.44) 267 = z/h = z0/h, z0 độ dài nhám k0 số von Karman (bằng 0,41) Với phân bố giả thiết ứng suất không đổi, = u*2, u* vận tốc ma sát, Kz = Nz có dạng parabôn K z k u h (1 ) (8.45) Phân bố lôgarit cộng với parabôn Dựa vào quan trắc khu vực vịnh Red Wharf biển Ai len, Bowden thấy phù hợp tốt phân bố dòng triều phân bố lôgarit đến độ cao 0,14 h đáy dạng parabôn từ lên đến mặt nước biển Điều ứng với hệ số cản Cd 0,002, giá trị 0,87 cho tỷ lệ biên độ dòng chảy trung bình so với dòng chảy mặt Hệ số xáo trộn thẳng đứng giả thiết không đổi theo toàn độ sâu K z 0,14 hk0u* (8.46) Chú ý = u*2 = Cdum2 nên Kz viết K z 0,14 k0C1d/ 2um h (8.47) um dòng chảy trung bình độ sâu Lấy Cd= 0,002, Kz = 2,57 x 10-3 umh (m2s-1) Biểu thức mô tả hệ số xáo trộn thẳng đứng trung bình độ sâu phụ thuộc vào hệ số cản đáy dòng chảy thể tích chiều rộng đơn vị (lấy theo umh) Nó tương tự biểu thức áp dụng Bowden Hamilton (1975) để thể trạng thái xáo trộn hoàn toàn việc mô hình hoá vài cửa sông, gồm Mersey, Severn Thủy đạo Rotterdam Ví dụ Giả thiết um = 0,5 ms-1 h = 10 m, Kz= 0,0128 m2s-1, tiêu biểu cho giá trị đo đạc dòng chảy xáo trộn mạnh Đáng ghi nhận u* = Cd1/2 um, giá trị 0,002 Cd nói lên vận tốc ma sát xấp xỉ l/20 vận tốc trung bình độ sâu Định luật hàm mũ (phân bố van Veen) Lấy định luật hàm mũ phân bố vận tốc theo độ sâu dạng u u s (1 ) (8.48) ta có dạng parabôn biến đổi Kz theo độ sâu, dẫn xuất biểu thức Kxe Dựa vào kết đo đạc dòng triều cửa sông Hà lan eo biển Dover, van Veen (1938) dòng chảy cực đại triều xuống triều lên thể giá trị = / 5,2 Bảng 8.8 trình bày phương trình mô tả phát tán ba phân bố này, dạng vận tốc ma sát vận tốc trung bình độ sâu, sử dụng phương trình (8.43) Những giá trị sau sử dụng giả thiết Cd = 0,002 So sánh hệ số umh với hệ số cho bảng 8.3 giả thiết công thức phát tán phù hợp với giá trị trung bình quan trắc phân bố lôga cộng với parabôn Điều phù hợp với dự kiến phân bố phù hợp với xác định thực nghiệm biến đổi vận tốc theo độ sâu Những hệ số khác cho bảng 8.8 (tức 0,26 1,11) không khác hệ số thấy vùng ven bờ biển Ai len 268 Hiệu ứng vận tốc gió Có thể đánh giá hiệu ứng gió tác động mặt biển cách tương tự với lý thuyết cho trượt vận tốc lôgarit lớp biên đáy, mô tả mục 2.3.4 Cách tiếp cận giả thiết chuyển động nước gió gần tầng mặt biển ổn định tương đương với dòng chảy nước qua biên ổn định (hình 8.19) (Elliott, 1986) Nếu mặt nước có bề dày z1 dịch chuyển với phân số fw vận tốc gió, vận tốc uw(z) biểu thị log( z / z1 ) u w ( z ) f wW log( z c / z1 ) (8.49) W vận tốc gió zc độ sâu mà ảnh hưởng gió không đáng kể Bảng 8.8 Biểu thức hệ số phát tán dọc Kxe (Theo Bowden, 1965, đồng ý Cambridge University Press) Phân bố Lôga (Elder) Kxe dạng u* Kxe dạng um 5,9 u*h 0,26 umh Lôgarit + parabôn 13,5 u*h 0,60 umh Định luật số mũ ( vanVeen) 24,9 u*h 1,11 umh Hình 8.19 Dạng phân bố thẳng đứng vận tốc lớp mặt nước ứng suất gió (Theo Elliott, 1986, đồng ý Deutsche Hydrograph Zeitschrift, Hamburg) Những giá trị phân số fw biểu thị theo phần trăm, biến đổi khoảng % % Thực nghiệm với thẻ trôi cho ta giá trị khoảng 3% lớp mỏng mặt biển (Hughes, 1956) thực nghiệm chất thị màu giả 269 thiết tham số khoảng 1,4 % vài mét phía cột nước vùng ven bờ (Dooley Steele, 1969) Ví dụ Xét bề dày lớp mỏng có vận tốc không đổi mặt nước z1 = 0,01 m độ sâu không ảnh hưởng gió zc = 10 m Với gió có vận tốc W = ms-1 giả thiết fw= 0,014 (1,4 %), từ phương trình (8.49) thấy dòng chảy mặt nước uw(0) = 0,07 ms-1 dòng chảy độ sâu m uw(2) = 0,016 ms-1 Như vậy, giả thiết phân bố vận tốc tuyến tính m cột nước, độ trượt trung bình gió 0,027 s-1 Độ trượt thành phần dọc so sánh với độ trượt thẳng đứng dòng triều, lớn độ trượt thành phần ngang dòng triều, ngoại lệ xoay dòng chảy lúc thủy triều đổi hướng (mục 5.2.2) Như tác động gió mặt biển phát sinh trượt gần mặt nước, tăng cường đáng kể phát tán hướng ngang chất pha loãng Thực nghiệm chất thị màu biển Ai len (Bowden nnk., 1974) có mối tương quan trực tiếp Ky Kz điều kiện ảnh hưởng gió, thể Ky Kz 0,55 Việc thiếu quan hệ tương hỗ tham số nói lên lan truyền hướng ngang diễn tả biểu thức có dạng phương trình (5.29) trượt thống trị khuyếch tán rối, K ye zy K z t 56 (8.50) Ví dụ Giả thiết Kz = 0,03 m2s-1 tiêu biểu cho giá trị xác định thực nghiệm, lấy t = 30 phút, giá trị trượt gió cho ta Kye = 3,80 m2s-1 Độ lớn Kye nằm biên phạm vi giá trị đo theo thời gian Hơn nữa, thể phụ thuộc Kye vào vận tốc gió (hình 8.20) Hiệu ứng trượt sóng Khi sóng vào nước nông, quỹ đạo hình êlíp hạt theo độ sâu ngày rõ Hơn nữa, vận tốc hướng vào bờ tăng độ lớn giảm theo thời gian, vận tốc khơi giảm độ lớn tăng theo thời gian Điều làm cho hạt dịch chuyển quỹ đạo không khép kín Thay vào hạt dịch chuyển khoảng cách ngắn phía trước theo hướng tiến sóng quỹ đạo hoàn chỉnh Chuyển động kết nhỏ so với đường kính quỹ đạo trôi thực tế phát sinh trình nhỏ Nó tương đương với 'dòng trôi Stokes' dòng chảy dao động thảo luận mục 2.4.6 Tuy nhiên, dòng trôi Stokes giảm theo khoảng cách kể từ mặt nước thể chế khác phát sinh trượt tầng nước gần mặt (Elliott, 1986) Vận tốc Stokes us(z) sóng mặt xác định từ công thức 270 us ( z) ka cosh( k( h z )) sinh ( kh ) C (8.51) vận tốc quay sóng = 2/T số sóng k = 2/ L xác định sóng có chu kỳ T bước sóng L, a biên độ sóng h toàn độ sâu Hằng số C độc lập với độ sâu không đóng góp cho trượt phát sinh dòng trôi Stokes, ảnh hưởng đến chuyển động dư; nhiên, độ lớn C nhỏ để bỏ qua Ví dụ Đối với sóng có chu kỳ T = 4,5 s, độ dài L = 20 m chiều cao (đỉnh đến chân) 0,5 m, độ trượt trung bình mặt nước độ sâu m đánh giá 0,003 s-1 Độ trượt nói chung nhỏ độ trượt thành phần dọc dòng triều, có độ lớn tương tự với thành phần trượt ngang dòng triều tương đối thẳng Hình 8.20 Sự biến đổi khuếch tán hướng ngang theo vận tốc gió (Theo Bowden nnk., 1974, đồng ý Academic Press) 8.6.2 Nguyên nhân biến thiên Kxe, Kye Về nguyên lý, chế gây phát tán chất hoà tan nước xáo trộn mạnh cần phải dễ hiểu dễ định lượng so với dòng chảy phân tầng phần phân tầng mạnh Tuy nhiên, dù có nỗ lực thực nghiệm đáng kể 30 năm, có nhiều điều cần biết việc phát tán môi trường biển biến đổi dự đoán thỏa mãn thực Trong suốt chương này, xem xét định hướng đến hiệu ứng chênh lệch hướng đứng vận tốc lên trình phát tán, thực vậy, thực nghiệm lòng dẫn cửa sông nước ven bờ cho thấy trượt thẳng đứng có ảnh hưởng 271 trội Tuy vậy, nước nông, thấy lớp bùn cửa sông, có biến đổi đáng kể hướng ngang vận tốc dòng chảy Một số luận điểm tầm quan trọng biến đổi hướng ngang vận tốc đưa (Fischer, 1972; Fischer nnk., 1979) liệu trường để chứng minh đánh giá phát tán trượt hướng ngang thưa thớt Những phân tích phát tán gần vị trí xung quanh bờ biển Ireland cho thấy dãn dài đốm loang giải thích trượt hướng ngang trượt thẳng đứng (Elliott, nnk., 1997) Điều hoàn toàn là, kỹ thuật đại rađa mặt biển ảnh vệ tinh cung cấp định sáng sủa độ lớn biến thiên trượt ngang Kinh nghiệm thời gian cho thấy nhiều trạng thái then chốt, nguồn thải phát tán ấu trùng, trượt thẳng đứng vượt trội rối tuý việc tạo phát tán Tỷ lệ phi thứ nguyên, Kxe/umh nhạy cảm dạng phân bố vận tốc bảng 8.8 Thậm chí dòng chảy đơn hướng sông, tỷ lệ biến đổi hai bậc độ lớn, phạm vi từ 30 đến 3000 (Rutherford, 1994) Dạng phân bố vận tốc phụ thuộc vào mức độ truyền thẳng đứng động lượng xác định hệ số nhớt rối Nz Trong dòng chảy đồng nhất, Kz độ lớn tham số này, dạng phân bố vận tốc lẫn hệ số khuyếch tán thẳng đứng phụ thuộc vào ứng suất đáy ứng suất đáy biểu thị vận tốc ma sát u*, mà đến lượt hàm hệ số cản đáy Cd Mặc dù giá trị tiêu biểu Cd dòng chảy ven bờ khoảng 0,002, mục 2.3.5 thấy tham số biến đổi đáng kể theo không gian thời gian, phụ thuộc vào gradient áp suất dòng chảy (Lewis Lewis, 1987) 8.7 Tóm tắt Điều mong muốn có sơ đồ phân loại cửa sông để so sánh trình cửa sông tương tự Mặc dầu hệ thống phân loại hoàn toàn thỏa mãn, sơ đồ ưu tiên sơ đồ xét ảnh hưởng thủy triều (chính áp) mật độ (tà áp) Khi kích thước khu vực bị chiếm chỗ chất lan truyền nhỏ quy mô xoáy rối lớn nhất, chứng thực nghiệm giả thiết mức độ phát tán tăng theo quy mô Đối với mục đích thực tế, hệ số giả thiết tăng theo hàm mũ bốn phần ba quy mô lan truyền chất, thực nghiệm hỗ trợ cho định luật chưa đủ thuyết phục hàm mũ khác thích hợp vài hoàn cảnh, khu vực gần đường bờ Kết từ thực nghiệm chất thị cung cấp phạm vi rộng độ lớn hệ số phát tán cửa sông nước ven bờ Tuy nhiên, giá trị trung bình Kye vùng ven bờ Ai len nước Anh nằm phạm vi 0,2 - 0,4 m2s-1, so sánh tốt với giá trị trung bình khoảng 0,2 m2s-1 thấy nước khơi bờ biển California Nói chung, giá trị Kxe có độ lớn lớn bậc giá trị Kye Những hệ số xáo trộn thẳng đứng nước phía Nam Biển Bắc lên xuống từ 0,001 0,01 m2s-1, giá trị thấp tiêu biểu cho cửa sông phân tầng phần dự kiến giá trị có bậc cao điều kiện xáo trộn mạnh 272 Qua vài chu kỳ thủy triều, dao động thủy triều nhiễu động khí tượng đóng góp cho phát tán, tạo hệ số hướng ngang dọc có độ lớn lớn hai bậc hệ số suy luận từ thực nghiệm chất thị thủy triều 273 [...]... biểu thị như 2y at p (8 .2 6) trong đó a và p là những hằng số Hệ số khuếch tán Ky có thể biểu thị như Ky 2 1 d y 1 apt p1 2 dt 2 (8 .2 7) Thay thế t bằng cách sử dụng phương trình (8 .2 6), thấy rằng K y b y 2( p 1) / p b yn (8 .2 8) trong đó b 1 / 2a 1 / p p (8 .2 9) 2( p 1) p (8 .3 0) và n 254 Những thực nghiệm thải màu liên tục trong biển Ai len tại những vị trí ở vịnh Red Wharf và vịnh Liverpool cho... trượt đánh giá và quan trắc trong các cửa sông Plym và Tees (Theo Lewis, 1979, được sự đồng ý của Academic Press) Kxe Kz 2 -1 2 -1 zx(dự báo) -1 zx(quan trắc) (m s ) (m s ) (s ) (s- 1) Cửa sông Plym 0,0016 0,0292 0,027 0,024 Cửa sông Plym 0,0014 0,0107 0,021 0,031 Cửa sông Tees 0,0016 0,0547 0,037 0,045 Cửa sông Tees 0,0010 0,0 580 0,0 28 0,040 Mặc dầu sự phù hợp không thật tốt trong những thực nghiệm này,... Bảng 8. 3 liệt kê một vài giá trị nhận được đối với những hệ số phát tán hướng ngang và dọc, tất cả nhận được bằng cách sử dụng giả thiết hệ số không đổi Bảng 8. 3 Hệ số phát tán trong nước ven bờ và cửa sông nước Anh (Theo Talbot và Talbot, 1974, được sự đồng ý của Hội đồng Quốc tế Thám hiểm Biển) Khu vực Thời đoạn (gi ) Cửa sông Fal Lòng dẫn Solent gian tán Kxe 2 -1 (m s ) Kye Kxe/umh 2 -1 (m s ) 3,0... Kh nằm trong phạm vi 0,05 -1,69 m2s1 là 0,47 m2s-1 Bảng 8. 2 Hệ số phát tán trong nước ven bờ và cửa sông Ai len (Theo Elliott và nnk., 1997, được sự đồng ý của Academic Press) Vị trí Kh Kxe Kye u h Kxe/uh (m2s- 1) (m2s- 1) (m2s- 1) (ms- 1) (m) Lough Foyle 1,25 4,49 0,35 0,55 7,5 1,09 Cushendall 0, 28 1,30 0,06 0,40 15,0 0,22 Cushendall 0, 38 1,92 0,07 0,35 15,0 0,36 Belfast Lough 0,10 0,37 0,03 0,30 8, 0 0,15... phương trình (8 .3 9) Độ lớn này của dòng chảy ngang không phải không dự kiến được đối với thành phần gió ngang là 2- 3 ms-1 (mục 8. 6. 1) Kye nhỏ nhất quan trắc được có thể giả thiết chỉ do rối (tiêu biểu là 0,03 m2s- 1) như vậy là hệ số Kys thực tế bằng Kys= 0,03+ 0,20 m2s-1 8. 5 Phát tán quy mô thời gian dài 8. 5.1 Phát tán dọc Trong việc nghiên cứu số phận của những chất hoà tan trong các cửa sông và nước ven. .. một năm Ví dụ, chuyển động của những chất ô nhiễm đổ xuống các sông chảy vào biển Bắc được mô tả bởi Hainbucher và nnk (1 98 7) và phát tán và vận chuyển những chất dinh dưỡng có nguồn gốc sông dọc theo bờ biển Đông Bắc của nước Anh được mô tả bởi Staples và nnk (1 99 3) Bowden (1 96 5) dẫn xuất một biểu thức cho phát tán dọc của một đốm loang vật chất dưới sự dao động lặp lại của thủy triều, giả thiết rằng... 2 y1 2 (8 .1 1) trong đó y1, y2 là những độ lệch chuẩn trải rộng hướng ngang ở thời gian t1 và t2 Trong khoảng thời gian t1 đến t2, Ky có thể xấp xỉ bằng Ky 2 2 1 ( y 2 y1 ) 2 (t 2 t1 ) (8 .1 2) và biến thiên hướng ngang trung bình được tính toán từ 241 1 2 2 ym ( y22 y21 ) (8 .1 3) Nếu y2>> y1 và t2>>t1, thì những biểu thức này đơn giản thành 2 1 y2 Ky 2 t2 1 ym y 2 2 (8 .1 4) Nếu thời... và kích thước cực đại cho riêng nó Trong dải quán tính, lý thuyết tương tự dự đoán rằng 242 E (k ) a1 2 / 3 k 5 / 3 (8 .1 5) trong đó E(K) là năng lượng tại số sóng k, a1 là hằng số vạn năng và là mức độ tiêu tán năng lượng Định luật 'năm phần ba' của phân bố năng lượng trong trường rối đã được thể hiện bằng thực nghiệm trong cửa sông và nước ven bờ Những giá trị tiêu biểu đối với năng lượng đầu vào... các xoáy hiện có đều tham gia vào quá trình khuếch tán (mục 4.3. 4) Độ khuếch tán không đổi đã được giả thiết bởi Okubo (1 97 1) khi xác định lan truyền hướng ngang của một đốm loang Gần đây nhất, kết quả từ những thực nghiệm màu thực hiện tại các tuyến cửa sông và những vị trí gần bờ biển Ireland được khảo sát 250 với cùng cách như vậy (Elliott và nnk., 199 7) Bảng 8. 2 bao gồm các giá trị hệ số phát tán. .. (mục 4.3. 5) Để giải thích số liệu hiện trường và đưa ra sự so sánh với những dự đoán lý thuyết, tiện lợi hơn cả là dẫn xuất một biểu thức tổng quát giữa số mũ của thời gian và độ khuếch tán Công trình của Kenneth Bowden (hình 8. 1 4) đóng góp rất lớn cho những hiểu biết hiện tại về rối và phát tán trong các cửa sông và nước ven bờ Trong những nghiên cứu trước đây của mình, ông bị lôi cuốn vào việc thực ... p (8 .2 6) a p số Hệ số khuếch tán Ky biểu thị Ky d y apt p1 dt (8 .2 7) Thay t cách sử dụng phương trình (8 .2 6), thấy K y b y 2( p 1) / p b yn (8 .2 8) b / 2a / p p (8 .2 9) 2( p 1) p (8 .3 0). .. quan trắc cửa sông Plym Tees (Theo Lewis, 1979, đồng ý Academic Press) Kxe Kz -1 -1 zx(dự báo) -1 zx(quan trắc) (m s ) (m s ) (s ) (s- 1) Cửa sông Plym 0,0016 0,0292 0,027 0,024 Cửa sông Plym... gian (tức p= 2), từ phương trình (8 .2 8) thấy hệ số phát tán tăng tuyến tính với quy mô y trường lan truyền (tức n= 1) Khi p = 2, phương trình (8 .2 7) viết K y at B t (8 .3 1) B vận tốc khuyếch tán'