Động lực học cát biển - Chương mở đầu

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện tượng sạt lở bờ sông xảy ra thường xuyên và có xu hướng ngày càng trở nên phức tạp, khó kiểm soát, đe doạ các mục tiêu kinh tế và quốc phòng, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống của nhân dân. Vấn đề bồi tụ và xói lở bờ sông, bờ biển ở Việt Nam cùng những hậu quả kèm theo của nó đang là một thách thức.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động lực học cát biển - Chương mở đầu

trêng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn Richard Soulsby §éng lùc häc c¸t biÓn Híng dÉn c¸c øng dông thùc hµnh Biªn dÞch: NguyÔn Thä S¸o Hµ Néi 2004
2
3
lêi ngêi dÞch HÇu nh hµng ngµy chóng ta ®Òu nhËn ®îc c¸c th«ng tin vÒ s¹t lë bê s«ng, xãi lë bê biÓn hoÆc båi lÊp luång l¹ch tõ nhiÒu n¬i trªn ®Êt níc. HiÖn tîng nµy x¶y ra thêng xuyªn vµ cã xu híng ngµy cµng trë nªn phøc t¹p, khã kiÓm so¸t, ®e do¹ c¸c môc tiªu kinh tÕ vµ quèc phßng, g©y ¶nh hëng lín ®Õn ®êi sèng cña nh©n d©n. VÊn ®Ò båi tô vµ xãi lë bê s«ng, bê biÓn ë ViÖt Nam cïng nh÷ng hËu qu¶ kÌm theo cña nã ®ang lµ mèi th¸ch thøc ®èi víi c¸c nhµ khoa häc vµ c¸c nhµ qu¶n lý. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, viÖc nghiªn cøu vËn chuyÓn trÇm tÝch vµ biÕn ®æi ®Þa m¹o tõ gãc ®é thuû ®éng lùc ®· ®îc thóc ®Èy vµ nhËn ®îc mét sè kÕt qu¶ kh¶ quan. Tuy nhiªn ®©y lµ mét lÜnh vùc rÊt khã kh¨n bëi sè liÖu ®iÒu tra kh¶o s¸t cßn Ýt, ph¬ng ph¸p vµ kü thuËt tÝnh to¸n cha hoµn thiÖn nªn c¸c kÕt qu¶ nhËn ®îc cßn nhiÒu h¹n chÕ. Ngay c¶ ë nh÷ng níc tiªn tiÕn víi tr×nh ®é khoa häc cao vµ m« h×nh tÝnh to¸n hiÖn ®¹i, ph¬ng tiÖn kü thuËt ®Çy ®ñ, c¸c kÕt qu¶ vÉn cã sai sè lín vµ c¸c kÕt luËn vÉn ®îc ph¸t biÓu mét c¸ch dÌ dÆt. §Ó cung cÊp thªm th«ng tin khoa häc hiÖn ®¹i vµ gãp phÇn n©ng cao kiÕn thøc cho sinh viªn, NCS vµ c¸c kü s thùc hµnh ë lÜnh vùc nµy, chóng t«i biªn dÞch cuèn “§éng lùc häc c¸t biÓn- Híng dÉn c¸c øng dông thùc hµnh” cña R. Soulsby, NXB Thomas Telford, 1997. Richard Soulsby lµ nhµ vËt lý vµ h¶i d¬ng häc, chuyªn s©u nghiªn cøu vËn chuyÓn trÇm tÝch. ¤ng ®ang ®øng ®Çu nhãm TrÇm tÝch biÓn t¹i ViÖn Nghiªn cøu Thñy lùc HR Wallingford, níc Anh. HR Wallingford lµ c¬ quan nghiªn cøu vµ t vÊn vÒ níc vµ c«ng tr×nh d©n dông næi tiÕng trªn thÕ giíi, cung cÊp nh÷ng gi¶i ph¸p hîp lý trong c¸c lÜnh vùc: tµi nguyªn níc, thuû lîi, níc ngÇm, tiªu níc ®« thÞ, c¶ng vµ bÕn c¶ng, thuû ®éng lùc s«ng, cöa s«ng, vïng ven bê vµ xa bê. T¸c gi¶ cuèn s¸ch ®· tæng quan c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu trong lÜnh vù nµy kh¸ ®Çy ®ñ, tr×nh bµy ng¾n gän vÒ c¸c t¸c nh©n, c¬ chÕ, c¸c quan ®iÓm vµ c¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu vËn chuyÓn trÇm tÝch, båi tô vµ xãi lë; ®a ra bøc tranh vËt lý cña vÊn ®Ò vèn rÊt phøc t¹p vµ lý thó. Cuèn s¸ch ®îc chia thµnh c¸c tiÓu môc vÒ KiÕn thøc vµ Quy tr×nh. Nghiªn cøu sinh cã thÓ quan t©m chñ yÕu ®Õn KiÕn thøc, bæ sung thªm nh÷ng vÝ dô trong Quy tr×nh; sinh viªn vµ kü s thùc hµnh cã thÓ theo Quy tr×nh, vµ ®äc thªm phÇn liªn quan ®Õn KiÕn thøc. Hy väng cuèn s¸ch sÏ cã Ých cho sinh viªn vµ NCS ë c¸c lÜnh vùc h¶i d¬ng häc, thuû v¨n häc, hµng h¶i, thuû lîi, x©y dùng c«ng tr×nh biÓn, ®Þa lý. Ngêi dÞch c¸m ¬n Khoa KT-TV-HDH, Trêng §¹i häc KHTN ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn, c¸m ¬n NCS NguyÔn Minh HuÊn ®· ®äc vµ hiÖu ®Ýnh b¶n dÞch. B¶n dÞch ch¾c ch¾n cßn nhiÒu thiÕu sãt, rÊt mong nhËn ®îc gãp ý cña ngêi ®äc. Ngêi dÞch: NguyÔn Thä S¸o 4
Môc lôc Më ®Çu ........................................................................................................10 Lêi c¶m ¬n .................................................................................................12 Chó gi¶i ......................................................................................................13 Nh÷ng minh häa ......................................................................................18 C¸c vÝ dô ............................................................................................................18 C¸c b¶ng ............................................................................................................19 C¸c h×nh vÏ ........................................................................................................19 Ch¬ng 1. Giíi thiÖu ...............................................................................21 1. 1. Tæng quan ..................................................................................................21 1.2. Gãi phÇn mÒm SandCalc............................................................................22 1.3. Tr¹ng th¸i c¸t biÓn .....................................................................................23 1.4. Kh¸i niÖm vÒ øng suÊt trît t¹i ®¸y...........................................................24 1.5. Quy tr×nh tæng qu¸t nghiªn cøu trÇm tÝch ......................................................29 1.6. Sai sè vµ ®é nh¹y........................................................................................35 Ch¬ng 2. C¸c thuéc tÝnh cña níc vµ c¸t .........................................37 2.1. MËt ®é vµ ®é nhít cña níc........................................................................37 KiÕn thøc........................................................................................................37 Quy tr×nh........................................................................................................39 2.2. VËt chÊt ®¸y ................................................................................................39 KiÕn thøc........................................................................................................39 Quy tr×nh........................................................................................................43 2.3. Nh÷ng hçn hîp c¸t - níc...........................................................................44 KiÕn thøc........................................................................................................44 Quy tr×nh........................................................................................................46 2.4. §é thÊm vµ láng ho¸...................................................................................47 KiÕn thøc........................................................................................................47 Quy tr×nh........................................................................................................52 Ch¬ng 3. Dßng ch¶y ..............................................................................53 5
3.1. Tæng quan ...................................................................................................53 3.2. Ph©n bè vËn tèc dßng ch¶y .........................................................................53 KiÕn thøc........................................................................................................53 Quy tr×nh........................................................................................................58 3.3. ¦ng suÊt trît ma s¸t líp ®Öm do dßng ch¶y.............................................59 KiÕn thøc........................................................................................................59 Quy tr×nh........................................................................................................62 3.4. ¦ng suÊt trît tæng céng do dßng ch¶y......................................................63 KiÕn thøc........................................................................................................63 Quy tr×nh........................................................................................................65 Ch¬ng 4. Sãng.........................................................................................67 4.1. Tæng quan ...................................................................................................67 4.2. §é cao sãng vµ chu kú sãng.........................................................................67 KiÕn thøc........................................................................................................67 4.3. Bíc sãng ....................................................................................................71 KiÕn thøc........................................................................................................71 Quy tr×nh........................................................................................................72 4.4. VËn tèc quü ®¹o sãng ..................................................................................72 KiÕn thøc........................................................................................................72 Quy tr×nh........................................................................................................75 4.5. ¦ng suÊt trît ma s¸t líp ®Öm do sãng......................................................75 KiÕn thøc........................................................................................................75 Quy tr×nh........................................................................................................78 4.6. ¦ng suÊt trît tæng céng do sãng ...............................................................79 KiÕn thøc........................................................................................................79 Quy tr×nh........................................................................................................79 4.7. Sãng ®æ........................................................................................................80 KiÕn thøc........................................................................................................80 Quy tr×nh........................................................................................................81 Ch¬ng 5. KÕt hîp sãng vµ dßng ch¶y ................................................82 5.1. Tæng quan ...................................................................................................82 5.2. Bíc sãng ....................................................................................................82 KiÕn thøc........................................................................................................82 Quy tr×nh........................................................................................................83 5.3. ¦ng suÊt trît t¹i ®¸y ................................................................................83 6
KiÕn thøc........................................................................................................83 Quy tr×nh........................................................................................................87 Ch¬ng 6. Ngìng chuyÓn ®éng...........................................................90 6.1. Tæng quan ...................................................................................................90 6.2. Ngìng vËn tèc dßng ch¶y..........................................................................90 KiÕn thøc........................................................................................................90 Quy tr×nh........................................................................................................91 6.3. Ngìng ®é cao sãng ....................................................................................93 KiÕn thøc........................................................................................................93 Quy tr×nh........................................................................................................93 6.4. Ngìng øng suÊt trît t¹i ®¸y ...................................................................94 KiÕn thøc........................................................................................................94 Quy tr×nh........................................................................................................98 Ch¬ng 7. C¸c thµnh t¹o ®¸y .............................................................. 100 7.1. Tæng quan .................................................................................................100 72. C¸c gîn c¸t vµ sãng c¸t do dßng ch¶y........................................................100 KiÕn thøc......................................................................................................100 Quy tr×nh......................................................................................................105 73. Gîn c¸t do sãng..........................................................................................106 KiÕn thøc......................................................................................................106 Quy tr×nh......................................................................................................108 74. Ma s¸t do ®¸y gå ghÒ ................................................................................108 KiÕn thøc......................................................................................................108 Quy tr×nh......................................................................................................111 Ch¬ng 8. TrÇm tÝch l¬ löng................................................................113 8.1 Tæng quan ..................................................................................................113 8.2. ChØ tiªu l¬ löng vµ kÝch thíc h¹t ............................................................113 KiÕn thøc......................................................................................................113 8.3. VËn tèc ch×m l¾ng .....................................................................................114 KiÕn thøc......................................................................................................114 Quy tr×nh......................................................................................................117 8.4. Nång ®é díi t¸c ®éng dßng ch¶y.............................................................118 KiÕn thøc......................................................................................................118 Quy tr×nh......................................................................................................123 7
8.5. Nång ®é díi t¸c ®éng sãng......................................................................124 KiÕn thøc......................................................................................................124 Quy tr×nh......................................................................................................125 8.6. Nång ®é díi t¸c ®éng sãng vµ dßng ch¶y ...............................................127 KiÕn thøc......................................................................................................127 Quy tr×nh......................................................................................................129 Ch¬ng 9. Dßng di ®¸y..........................................................................132 9.1. Tæng quan .................................................................................................132 9.2. Dßng di ®¸y do dßng ch¶y.........................................................................133 KiÕn thøc......................................................................................................133 Quy tr×nh......................................................................................................136 9.3. Dßng di ®¸y do sãng..................................................................................137 KiÕn thøc......................................................................................................137 Quy tr×nh......................................................................................................137 9.4. Dßng di ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y ...........................................................139 KiÕn thøc......................................................................................................139 Quy tr×nh......................................................................................................141 Ch¬ng 10. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng ..................................143 10.1. Tæng quan ...............................................................................................143 10.2. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y .......................................144 KiÕn thøc......................................................................................................144 Quy tr×nh......................................................................................................147 10.3. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng................................................148 KiÕn thøc......................................................................................................148 10.4. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y ............150 KiÕn thøc......................................................................................................150 Quy tr×nh......................................................................................................157 10.5 VËn chuyÓn däc bê ...................................................................................159 KiÕn thøc......................................................................................................159 Quy tr×nh......................................................................................................162 Ch¬ng 11. §éng lùc h×nh th¸i vµ xãi lë...........................................165 11.1. M« h×nh ho¸ ®éng lùc h×nh th¸i .............................................................165 KiÕn thøc......................................................................................................165 Quy tr×nh......................................................................................................168 11.2. Xãi lë .......................................................................................................168 8
KiÕn thøc......................................................................................................168 Quy tr×nh......................................................................................................169 Ch¬ng 12. Xö lý trêng dßng ch¶y - sãng .......................................171 12.1. Tæng quan ...............................................................................................171 12.2. TiÕp cËn sãng vµ thñy triÒu thiÕt kÕ........................................................171 12.3. TiÕp cËn x¸c suÊt ....................................................................................173 12.4. TiÕp cËn tuÇn tù......................................................................................176 Ch¬ng 13. Nh÷ng trêng hîp nghiªn cøu ......................................178 13.1. Tæng quan ...............................................................................................178 13.2. Sù æn ®Þnh cña viÖc chèng xãi................................................................178 13.3. X©m thùc trÇm tÝch t¹i c«ng tr×nh lÊy níc ...........................................180 13.4. Båi lÊp luång dÉn n¹o vÐt .......................................................................181 Tµi liÖu tham kh¶o ................................................................................186 9
Më ®Çu ý nghÜa bao hµm vÒ ®éng lùc häc trÇm tÝch theo nghÜa réng nhÊt ®¸ng ng¹c nhiªn lµ cßn l©u míi ®¹t ®îc. TÊt nhiªn, kh«ng qu¸ cêng ®iÖu khi nãi r»ng sù ra ®êi cña c¸c nÒn v¨n minh trong c¸c thung lòng ®Êt båi ph× nhiªu cña Mesopotamia, Ai CËp vµ Trung Quèc ®· phô thuéc vµo vËn chuyÓn trÇm tÝch. Trong thêi gian tríc ®©y, båi l¾ng trÇm tÝch trong c¸c thung lòng, hå vµ biÓn chuyÓn thµnh c¸c mÆt c¾t ®Þa chÊt cña ®Êt ®¸ trÇm tÝch vµ h×nh thµnh c¬ së cña nhiÒu khoa häc vÒ ®Þa chÊt, cæ sinh häc vµ kh¶o s¸t hy®r«-cacbon. Qu¸ tr×nh trÇm tÝch, dÉn ®Õn sù ho¸ th¹ch nh÷ng c©y cèi vµ ®éng vËt, ®«i khi còng gi÷ l¹i nh÷ng dÊu vÕt gå ghÒ ph¸t sinh bëi sãng hoÆc dßng ch¶y vµ c¸c b»ng chøng kh¸c vÒ nh÷ng ®iÒu kiÖn thñy lùc trong c¸c kû nguyªn tríc ®©y. TrÇm tÝch trÎ h¬n cho thÊy c¸c b»ng chøng lÞch sö l¾ng ®äng ë d¹ng phÊn hoa hoÆc trïng cã vá, vµ gi÷ l¹i nh÷ng t¹o t¸c h×nh thµnh nguyªn liÖu th« cho kh¶o cæ. Tõ quan ®iÓm ®Þa lý, cÊu tróc ®Þa m¹o vµ c¸c biÓn trªn tr¸i ®Êt phÇn lín ®îc x¸c ®Þnh bëi sù xãi mßn ®Êt ®¸, vËn chuyÓn vµ båi l¾ng chóng nh nh÷ng trÇm tÝch. ThËm chÝ trªn nh÷ng hµnh tinh kh¸c trÇm tÝch cã thÓ cung cÊp nh÷ng ®Çu mèi, nh viÖc gi¶i thÝch nh÷ng ®Æc tÝnh gièng c¸c dßng s«ng lµ b»ng chøng cho sù tån t¹i tríc ®©y cña níc ë tr¹ng th¸i láng trªn sao Ho¶. Ph¹m vi quyÓn s¸ch nµy h¹n chÕ h¬n so víi c¸c ph¸c häa ë trªn, ®îc giíi h¹n ë nh÷ng trÇm tÝch kh«ng kÕt dÝnh vµ chñ yÕu tíi ng÷ c¶nh biÓn, mÆc dï mét sè vËt chÊt còng cã thÓ ¸p dông ®îc cho cöa s«ng vµ s«ng. Tiªu ®iÓm chÝnh cña nã lµ vÒ nh÷ng khÝa c¹nh cña ®éng lùc häc trÇm tÝch liªn quan chñ yÕu tíi nh÷ng kü s d©n dông, c¸c nhµ h¶i d¬ng häc, nh÷ng nhµ khoa häc tr¸i ®Êt vµ nh÷ng nhµ khoa häc m«i trêng. ChuyÓn ®éng cña trÇm tÝch trong c¸c dßng s«ng, nh÷ng cöa s«ng vµ biÓn lµ mét chñ ®Ò cã tÇm quan träng thùc tiÔn lín ®èi víi nh÷ng øng dông c«ng tr×nh, vµ ®ã còng lµ mét lÜnh vùc thö th¸ch vµ hÊp dÉn cho nghiªn cøu hµn l©m. Tuy nhiªn, ngêi kü s thùc hµnh ®ang t×m kiÕm mét gi¶i ph¸p khÈn cÊp cho mét dù ¸n liªn quan ®Õn trÇm tÝch thêng thÊy r»ng kh«ng dÔ g× n¾m b¾t ®îc nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu hµn l©m næi bËt ®îc xuÊt b¶n b»ng mét ng«n ng÷ xa l¹ trong c¸c t¹p chÝ vµ tuyÓn tËp héi th¶o. Ngîc l¹i, nhµ nghiªn cøu hµn l©m cã thÓ tiÕp xóc cha ®Çy ®ñ víi nh÷ng øng dông thùc tiÔn ®Ó quyÕt ®Þnh nh÷ng con ®êng nghiªn cøu nµo lµ cÇn thiÕt nhÊt ®Ó theo ®uæi. Môc tiªu cña t«i trong quyÓn s¸ch nµy lµ b¾c cÇu qua chç trèng gi÷a nghiªn cøu hµn l©m vµ nh÷ng øng dông thùc hµnh, b»ng viÖc tæng kÕt nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu trong mét d¹ng hîp nhÊt, b»ng c¸ch giíi thiÖu nh÷ng vÝ dô ®· thùc hiÖn vµ c¸c trêng hîp nghiªn cøu, vµ b»ng viÖc nªu bËt nh÷ng khu vùc mµ viÖc hiÓu biÕt cßn h¹n chÕ vµ nh÷ng sai sãt l¹i lín. §Ó lµm ®iÒu nµy, ®«i khi t«i thùc hiÖn c¸c ®¬n gi¶n hãa mµ ngêi theo chñ nghÜa thuÇn tóy cã thÓ ph¶n ®èi, vµ trong mét vµi trêng hîp t«i m¹n phÐp tÝnh l¹i nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu trong mét d¹ng tæng qu¸t, nh÷ng t¸c gi¶ nguyªn b¶n cã thÓ c¶m thÊy lÖch so víi nh÷ng quy íc cña hä ë møc ®é nµo ®ã mét c¸ch chÝnh ®¸ng. T«i hy väng r»ng lîi Ých ®¹t ®îc ë sù ®ång nhÊt vµ tÝnh kh¶ dông sÏ cã gi¸ trÞ h¬n sù kÐm chÝnh x¸c nµo ®ã. 10
HÇu hÕt c¸c môc cña quyÓn s¸ch ®îc chia thµnh c¸c tiÓu môc vÒ KiÕn thøc vµ Quy tr×nh. Nghiªn cøu sinh cã thÓ tËp trung chñ yÕu vµo KiÕn thøc, cã thÓ bæ sung thªm nh÷ng bµi tËp dùa vµo nh÷ng vÝ dô trong Quy tr×nh, trong khi kü s thùc hµnh cã thÓ chØ muèn theo Quy tr×nh, cã thÓ bæ tóc b»ng viÖc ®äc nh÷ng phÇn liªn quan ®Õn KiÕn thøc. Mét vµi ®iÒu ®îc chñ t©m nh¾c l¹i, vµ nh÷ng ký hiÖu thêng ®îc ®Þnh nghÜa trong mçi môc, ®Ó c¸c chuyªn ®Ò riªng lÎ ®îc khÐp kÝn hîp lý. Tham kh¶o më réng ®îc lu ý t¹i nh÷ng chç kh«ng thÓ tr×nh bµy kü. T«i hy väng r»ng b»ng c¸ch nµy quyÓn s¸ch mang l¹i sù tr×nh bµy tiÖn lîi vµ kh¶ dông ®èi víi nh÷ng qu¸ tr×nh trÇm tÝch ë mét d¹ng dÔ tiÕp cËn ®Õn réng r·i ®éc gi¶. Richard Soulsby nhËn häc vÞ vÒ vËt lý vµ h¶i d¬ng häc tríc khi chuyªn s©u 11 n¨m trong nghiªn cøu vËn chuyÓn trÇm tÝch t¹i ViÖn c¸c Khoa häc §¹i d¬ng. Tõ 1985 «ng nghiªn cøu vµ t vÊn trong lÜnh vùc nµy t¹i ViÖn Nghiªn cøu Thñy lùc Wallingford, n¬i «ng ®ang ®øng ®Çu Nhãm TrÇm tÝch BiÓn. 11
Lêi c¶m ¬n QuyÓn s¸ch nµy ra ®êi tõ mét b¸o c¸o tríc ®©y cã nhan ®Ò 'Híng dÉn vÒ c¸t biÓn'. Khi thùc hiÖn sù chuyÓn ®æi nµy t«i c¸m ¬n nhãm ngêi thÈm ®Þnh ®îc mêi cña phiªn b¶n tríc gåm: «ng B. H. Rofe, TS C. A. Fleming, GS K. R. Dyer, TS J. Nicholson, TS Ping Dong, c¸c «ng C. W. Frith, P. D. Hunter, K. W. Bunker, C. T. Erbrich, P. D. Crews, M. W. Owen, R. Runcie, D. Richardson vµ P. B. Woodhead. Ngoµi ra, nh÷ng ®ång nghiÖp cña t«i ë HR Wallingford lµ TS R. J. S. Whitehouse, c¸c «ng N. P. Bunn vµ J. S. Damgaard ®· cã nh÷ng ®ãng gãp gi¸ trÞ. T«i muèn chuyÓn lêi c¶m ¬n cña t«i tíi tÊt c¶ nh÷ng nhµ khoa häc vµ nh÷ng kü s nãi trªn v× nh÷ng b×nh luËn s©u s¾c vµ kü lìng cña hä mµ dÉn ®Õn nh÷ng c¶i tiÕn ®¸ng kÓ trong quyÓn s¸ch. T«i còng c¸m ¬n June Clarkson vµ Ruth Smith do sù kiªn nhÉn cña hä vµ cÈn thËn ®¸nh m¸y b¶n th¶o. NhiÒu chñ ®Ò nghiªn cøu cña riªng t«i trÝch dÉn trong quyÓn s¸ch tho¹t tiªn ®îc khÝch lÖ b»ng mét ®ît ®i s¸u th¸ng nh mét thµnh viªn ®îc mêi ®Õn Trêng ®¹i häc Khoa häc vµ C«ng nghÖ Na Uy (NTNU) t¹i Trondheim. T«i c¸m ¬n Héi ®ång v× Nghiªn cøu C«ng nghiÖp vµ Khoa häc Na Uy (NTNF) vµ GS Dag Myrhaug ®Ó ®iÒu nµy cã thÓ thùc hiÖn. QuyÓn s¸ch ®îc xuÊt b¶n thay mÆt Côc M«i trêng, Giao th«ng vµ C¸c khu vùc, c¬ quan ®· cÊp mét phÇn vèn ®Ó chuÈn bÞ nã. Nh÷ng c¶nh quan vµ th«ng tin giíi thiÖu trong s¸ch lµ cña HR Wallingford vµ kh«ng nhÊt thiÕt lµ cña c¬ quan cÊp vèn. HR Wallingford lµ mét c¬ quan nghiªn cøu chuyªn gia ®éc lËp, t vÊn, phÇn mÒm vµ ®µo t¹o, ®· phôc vô c«ng nghiÖp níc vµ c«ng tr×nh d©n dông t¹i h¬n 60 níc trªn toµn thÕ giíi trong h¬n 50 n¨m. Chóng t«i nh¾m tíi môc ®Ých cung cÊp nh÷ng gi¶i ph¸p hîp lý cho nh÷ng kü s vµ nh÷ng nhµ qu¶n lý lµm viÖc trong c¸c lÜnh vùc: • tµi nguyªn níc • thuû lîi • níc ngÇm • tiªu níc ®« thÞ • s«ng • thñy triÒu • c¶ng vµ bÕn c¶ng • ven bê • xa bê. 12
Chó gi¶i a, b, A, B nh÷ng hÖ sè phi thø nguyªn trong c¸c c«ng thøc A = UwT/(2) biªn ®é quü ®¹o cña chuyÓn ®éng sãng t¹i ®¸y ws b sè Rouse (tham sè l¬ löng) kU * C nång ®é thÓ tÝch cña trÇm tÝch (thÓ tÝch/ thÓ tÝch) C100 hÖ sè ma s¸t ¸p dông cho dßng ch¶y t¹i cao ®é1 m Ca nång ®é trÇm tÝch tham chiÕu (thÓ tÝch/ thÓ tÝch) t¹i ®é cao za CD hÖ sè ma s¸t ¸p dông cho dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u CM nång ®é khèi lîng cña trÇm tÝch (khèi lîng/ thÓ tÝch) C0 nång ®é tham chiÕu (thÓ tÝch/ thÓ tÝch) t¹i ®¸y biÓn (z = 0) cos hµm lîng gi¸c c«sin d ®êng kÝnh sµng cña h¹t 1/ 3  g ( s  1)  D*   d 50 kÝch thíc h¹t phi thø nguyªn  2   dn ®êng kÝnh h¹t mµ n% h¹t cã khèi lîng mÞn h¬n, vÝ dô d10, d90 d50 ®êng kÝnh h¹t trung vÞ d50,b ®êng kÝnh h¹t trung vÞ t¹i ®¸y biÓn d50,s ®êng kÝnh trung vÞ cña h¹t l¬ löng dcr ®êng kÝnh h¹t chØ bÊt ®éng ®èi víi mét dßng ch¶y cho tríc e = 2,718281828 exp(x) = ex hµm sè mò c¬ sè tù nhiªn f tham sè Coriolis fw hÖ sè ma s¸t sãng fwr hÖ sè ma s¸t sãng ®¸y nh¸m fws hÖ sè ma s¸t sãng ®¸y tr¬n -2 g = 9,81 ms gia tèc träng trêng h ®é s©u níc H ®é cao sãng níc Hbk ®é cao sãng ®æ 13
H0 ®é cao sãng níc s©u Hrms ®é cao sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph¬ng Hs ®é cao sãng cã nghÜa I ®é dèc mÆt níc (gradien thñy lùc) k = 2/L sè sãng cña sãng níc ks ®é nh¸m h¹t c¸t t¬ng ®¬ng Nikuradse Kl hÖ sè thÊm Kp ®é thÊm ®Æc trng L bíc sãng cña sãng níc Lp bíc sãng t¹i ®Ønh cña phæ sãng ngoµi kh¬i L0 bíc sãng níc s©u ln l«-ga tù nhiªn (c¬ sè e) log10 l«-ga c¬ sè 10 p ¸p suÊt pc ph©n bè x¸c suÊt cña vËn tèc dßng ch¶y pcw x¸c suÊt tæ hîp cña vËn tèc dßng ch¶y vµ vËn tèc quü ®¹o sãng pH ph©n bè x¸c suÊt ®é cao sãng pw ph©n bè x¸c suÊt vËn tèc quü ®¹o sãng qb suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch ®¸y, trªn thêi gian ®¬n vÞ, trªn chiÒu réng ®¬n vÞ qB = qb(1-) thÓ tÝch vËt chÊt ch×m l¾ng xuèng ®¸y (kÓ c¶ níc xèp), ®îc vËn chuyÓn trªn thêi gian ®¬n vÞ, trªn chiÒu réng ®¬n vÞ Qb = sqb suÊt vËn chuyÓn khèi lîng cña trÇm tÝch qbx thµnh phÇn qb lan truyÒn theo híng dßng ch¶y qby thµnh phÇn qb lan truyÒn vu«ng gãc víi dßng ch¶y, theo cïng c¸ch víi gãc  qb1/2 suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch ®¸y trong nöa chu kú sãng QLS suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch däc bê tÝch ph©n qua vïng sãng ®æ, ë d¹ng thÓ tÝch trÇm tÝch (kh«ng tÝnh ®é xèp) trªn thêi gian ®¬n vÞ qs suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch l¬ löng qt suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch tæng céng qtc suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch chØ do dßng ch¶y qtx, qty nh÷ng thµnh phÇn suÊt vËn chuyÓn thÓ tÝch cña trÇm tÝch tæng céng theo c¸c híng x,y Uw A Rw  sè Reynolds sãng  s = s/ tû lÖ c¸c mËt ®é cña h¹t vµ níc 14
sin sin sinh sin hypÐcbol T chu kú cña sãng níc Tm chu kú trung b×nh cña sãng níc 1/2 Tn = (h/g) chu kú tû lÖ cña sãng Tp chu kú t¹i ®Ønh cña phæ sãng Ts = (os - cr)/cr tham sè vËn chuyÓn Tz chu kú c¾t qua kh«ng cña sãng níc t thêi gian tanh tang hypÐcbol U thµnh phÇn ngang cña vËn tèc níc vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u U u* = (0/)1/2 vËn tèc ma s¸t u*f vËn tèc ma s¸t do søc c¶n h×nh d¹ng u*m = (m/)1/2 vËn tèc ma s¸t trung b×nh u*max = (max/)1/2 vËn tèc ma s¸t cùc ®¹i u*s vËn tèc ma s¸t líp ®Öm u*t thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch cña vËn tèc ma s¸t U10 vËn tèc t¹i ®é cao 0,1 m U100 vËn tèc dßng ch¶y t¹i ®é cao 1 m trªn ®¸y U a vµ U b gi¸ trÞ cùc ®¹i vµ cùc tiÓu cña vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u trong mét chu kú thñy triÒu U cr ngìng vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u Urms vËn tèc quü ®¹o sãng c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph¬ng t¹i ®¸y biÓn Uw biªn ®é vËn tèc quü ®¹o sãng t¹i ®¸y biÓn Uwc vËn tèc quü ®¹o ®¸y díi ®Ønh sãng Uwcr ngìng vËn tèc quü ®¹o sãng Uwt vËn tèc quü ®¹o ®¸y díi ch©n sãng Ux, Uy thµnh phÇn dßng ch¶y theo c¸c híng x, y VB vËn tèc toµn bé cña níc qua ®¸y wmf vËn tèc láng ho¸ cùc tiÓu ws vËn tèc ch×m l¾ng cña c¸c h¹t trÇm tÝch t¸ch biÖt wsC vËn tèc ch×m l¾ng cña c¸c h¹t l¬ löng dµy ®Æc x täa ®é n»m ngang X = c/(c + w) cêng ®é dßng ch¶y t¬ng ®èi 15
y to¹ ®é n»m ngang trùc giao víi x Y = m/(c + w) øng suÊt trît trung b×nh phi thø nguyªn Z = max/(c + w) øng suÊt trît cùc ®¹i phi thø nguyªn z ®é cao trªn ®¸y biÓn za ®é cao tham chiÕu gÇn ®¸y biÓn, t¹i ®ã nång ®é tham chiÕu Ca ®îc tÝnh to¸n z0 ®é dµi nh¸m t¹i ®¸y gãc gi÷a ®Ønh sãng vµ ®êng bê t¹i ®êng sãng ®æ b gãc nghiªng cña ®¸y víi mÆt n»m ngang  gãc nghiªng cña ®¸y víi mÆt n»m ngang theo híng dßng ch¶y x gãc nghiªng cña ®¸y víi mÆt n»m ngang theo híng vu«ng gãc víi dßng y ch¶y bÒ dµy líp biªn  ®é cao gîn c¸t r ®é cao sãng c¸t s ®é xèp ®¸y  cao ®é ®¸y so víi mùc quy chiÕu  0  tham sè Shields g (  s   )d ngìng tham sè Shields cr tham sè Shields søc c¶n h×nh d¹ng f gi¸ trÞ trung b×nh cña  trªn mét chu kú sãng m gi¸ trÞ cùc ®¹i cña  trªn mét chu kú sãng max tham sè Shields ma s¸t líp ®Öm s thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch cña tham sè Shields t biªn ®é thµnh phÇn dao ®éng  do sãng w k = 0,40 h»ng sè Von Karman bíc sãng cña gîn c¸t r bíc sãng cña sãng c¸t s ®é nhít ph©n tö   = / ®é nhít ®éng häc cña níc = 3,141592654  mËt ®é cña níc  mËt ®é toµn bé cña ®¸y hoÆc chÊt l¬ löng B mËt ®é cña h¹t trÇm tÝch s tÇn sè gãc cña thñy triÒu  16
g = (d84/d16)1/2 ®é lÖch chuÈn h×nh häc cña kÝch thíc h¹t s = 0,5(d84/d50 + d50/d16) tham sè chän läc h¹t øng suÊt trît ngang trong cét níc  øng suÊt trît t¹i ®¸y (tæng céng) 0 øng suÊt trît t¹i ®¸y chØ do dßng ch¶y c ngìng øng suÊt trît t¹i ®¸y ®Ó trÇm tÝch chuyÓn ®éng cr thµnh phÇn søc c¶n h×nh d¹ng 0 do ®¸y gå ghÒ 0f øng suÊt trît trung b×nh t¹i ®¸y trong mét chu kú sãng do dßng ch¶y m vµ sãng kÕt hîp øng suÊt trît cùc ®¹i t¹i ®¸y trong mét chu kú sãng do dßng ch¶y vµ max sãng kÕt hîp thµnh phÇn ma s¸t líp ®Öm cña øng suÊt trît t¹i ®¸y 0s thµnh phÇn vËn chuyÓn trÇm tÝch cña øng suÊt trît t¹i ®¸y 0t biªn ®é ®ao ®éng cña øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng w ngìng øng suÊt trît t¹i ®¸y trªn ®¸y nghiªng mét gãc  víi mÆt n»m cr ngang gãc gi÷a híng dßng ch¶y vµ híng truyÒn sãng  kÝch thíc phi cña h¹t  gãc ma s¸t cña trÇm tÝch i gãc ma s¸t cuèi cïng r qbx , y  x, y  suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch ®¸y phi thø nguyªn, nh÷ng   1/ 2 g ( s  1)d 3 thµnh phÇn x, y gãc gi÷a dßng ch¶y vµ híng dèc ngîc cña mét ®¸y nghiªng  2 Uw  tham sè chuyÓn ®éng sãng g ( s  1)d  = 2/T tÇn sè gãc cña sãng . ®¹i lîng vect¬ híng ngang theo c¸c thµnh phÇn (.x, .y) trung b×nh thêi gian qua nhiÒu sãng LT trung b×nh dµi h¹n (trong nhiÒu th¸ng hoÆc nhiÒu n¨m) 17
Nh÷ng minh häa C¸c vÝ dô VÝ dô 2.1. MËt ®é vµ ®é nhít cña níc VÝ dô 3.1. Ph©n bè vËn tèc l«garÝt VÝ dô 3.2. Ph©n bè vËn tèc hµm mò VÝ dô 3.3. Ma s¸t líp ®Öm ®èi víi dßng ch¶y VÝ dô 3.4. øng suÊt trît tæng céng t¹i ®¸y theo sè liÖu ®o ®¹c VÝ dô 3.5. øng suÊt trît tæng céng t¹i ®¸y theo U100 VÝ dô 4.1. Bíc sãng VÝ dô 4.2. VËn tèc quü ®¹o sãng ®¬n ®iÖu VÝ dô 4.3. VËn tèc quü ®¹o sãng (phæ) VÝ dô 4.4. Ma s¸t líp ®Öm ®èi víi sãng VÝ dô 5.1. øng suÊt trît tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y VÝ dô 6.1. Ngìng vËn tèc dßng ch¶y VÝ dô 6.2. Ngìng vËn tèc quü ®¹o VÝ dô 6.3. Ngìng øng suÊt trît t¹i ®¸y VÝ dô 6.4. Ngìng trªn ®¸y dèc VÝ dô 6.5. KÝch thíc h¹t tíi h¹n VÝ dô 7.1. KÝch thíc sãng c¸t VÝ dô 7.2. DÞch chuyÓn c¸c sãng c¸t VÝ dô 7.3. Gîn c¸t do sãng VÝ dô 7.4. øng suÊt trît tæng céng do dßng ch¶y VÝ dô 7.5. øng suÊt trît tæng céng do sãng VÝ dô 8.1. VËn tèc ch×m l¾ng VÝ dô 8.2. Nång ®é díi t¸c ®éng dßng ch¶y VÝ dô 8.3. Nång ®é díi t¸c ®éng sãng VÝ dô 8.4. Nång ®é do sãng vµ dßng ch¶y kÕt hîp VÝ dô 9.1. Dßng di ®¸y do dßng ch¶y VÝ dô 9.2. Dßng di ®¸y do sãng VÝ dô 9.3. Dßng di ®¸y do sãng vµ dßng ch¶y VÝ dô 10.1. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do dßng ch¶y 18
VÝ dô 10.2. VËn chuyÓn trÇm tÝch tæng céng do sãng vµ dßng ch¶y VÝ dô 10.3. VËn chuyÓn däc bê C¸c b¶ng B¶ng 1. Gi¶i thÝch øng suÊt trît t¹i ®¸y vµ c¸c tham sè liªn quan B¶ng 2. Nh÷ng ký hiÖu ®îc sö dông trªn nh÷ng B¶n ®å Hµng h¶i V¬ng quèc Anh ®Ó m« t¶ ®¸y biÓn B¶ng 3. Nh÷ng sè ®o cho c¸c hçn hîp c¸t - níc B¶ng 4. ChuyÓn ®æi gi÷a c¸c sè ®o ®èi víi nh÷ng hçn hîp c¸t - níc B¶ng 5. §é xèp cña nh÷ng ®¸y c¸t tù nhiªn B¶ng 6. §é thÊm cña nh÷ng ®¸y c¸t B¶ng 7. C¸c gi¸ trÞ trung b×nh cña Z0 vµ C100 ®èi víi c¸c lo¹i ®¸y kh¸c nhau B¶ng 8. Ph©n tÝch sai sè viÖc lµm khíp ph¬ng tr×nh (59)-(62) B¶ng 9. C¸c hÖ sè lµm khíp ®èi víi c¸c m« h×nh líp biªn do sãng vµ dßng ch¶y B¶ng 10. C¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè ma s¸t fw vµ hÖ sè ma s¸t CD theo c¸c m« h×nh kh¸c nhau B¶ng 11. So s¸nh c¸c dù b¸o vËn tèc ch×m l¾ng C¸c h×nh vÏ H×nh 1. S¬ ®å a) c¸c qu¸ tr×nh vËn chuyÓn trÇm tÝch biÓn, vµ b) mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi dßng ch¶y ®Ó x¸c ®Þnh suÊt vËn chuyÓn trÇm tÝch H×nh 2. MËt ®é níc H×nh 3. §é nhít ®éng häc cña níc H×nh 4. BiÓu ®å chuyÓn ®æi nh÷ng ®¬n vÞ phi thµnh m vµ mm H×nh 5. VÝ dô ph©n bè kÝch thíc h¹t H×nh 6. Ph©n lo¹i nh÷ng mÉu trÇm tÝch trªn s¬ ®å Folk ch÷ nhËt H×nh 7. §é thÊm theo ®é xèp H×nh 8. BiÕn ®æi theo ®é s©u cña vËn tèc dßng ch¶y thuû triÒu H×nh 9. Ma s¸t ®èi víi dßng ch¶y æn ®Þnh trªn ®¸y ph¼ng kh«ng biÕn ®éng vµ ®¸y biÕn ®éng H×nh 10. HÖ sè c¶n CD lµ hµm cña ®é nh¸m t¬ng ®èi. So s¸nh c¸c biÓu thøc kh¸c nhau H×nh 11. Phæ JONSWAP vµ Pierson-Moskowitz H×nh 12. BiÓu ®å rêi r¹c chØ ra sù ph©n bè liªn hÖ cña Hs vµ Tz H×nh 13. Quan hÖ ph©n t¸n sãng H×nh 14. VËn tèc ®¸y ®èi víi sãng ®¬n ®iÖu vµ sãng ngÉu nhiªn 19
H×nh 15. BiÕn thiªn cña hÖ sè ma s¸t sãng fw víi ®êng ®i quü ®¹o ®¸y t¬ng ®èi A/z0 H×nh 16. S¬ ®å t¬ng t¸c phi tuyÕn cña øng suÊt trît t¹i ®¸y do sãng vµ do dßng ch¶y H×nh 17. So s¸nh gi÷a 8 m« h×nh dù b¸o øng suÊt trît t¹i ®¸y trung b×nh vµ lín nhÊt do sãng kÕt hîp víi dßng ch¶y H×nh 18. Ngìng vËn tèc dßng ch¶y ®èi víi chuyÓn ®éng trÇm tÝch do dßng ch¶y æn ®Þnh H×nh 19. Ngìng cña vËn tèc quü ®¹o ®èi víi chuyÓn ®éng cña trÇm tÝch do sãng H×nh 20. Ngìng chuyÓn ®éng cña trÇm tÝch díi t¸c ®éng sãng vµ/hoÆc dßng ch¶y H×nh 21. Ngìng øng suÊt trît t¹i ®¸y ®èi víi chuyÓn ®éng cña h¹t th¹ch anh cã ®êng kÝnh sµng d H×nh 22. Ngìng chuyÓn ®éng trªn ®¸y dèc: a) ®é dèc híng däc, b) ®é dèc híng ngang, c) ®é dèc tæng qu¸t - dßng ch¶y t¹o gãc  víi ®é dèc cã gãc  H×nh 23. C¸c lo¹i ®¸y gå ghÒ: a) gîn c¸t do dßng ch¶y b) gîn c¸t do sãng c) sãng c¸t/ ®ôn c¸t d) doi ng¨n sãng H×nh 24. C¸c c«ng thøc ®èi víi ®é cao sãng c¸t H×nh 25. DÞch chuyÓn sãng c¸t trong cöa s«ng Taw - kh¶o s¸t ®¸y hµng ngµy H×nh 26. VËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t c¸t (h×nh vÏ tæng hîp) H×nh 27. VËn tèc ch×m l¾ng cña h¹t th¹ch anh cã ®êng kÝnh sµng d víi nång ®é thÊp trong níc tÜnh H×nh 28. Ph©n bè nång ®é trÇm tÝch l¬ löng a) so s¸nh 3 c«ng thøc, b) biÕn ®æi kÝch thíc h¹t vµ vËn tèc dßng ch¶y H×nh 29. SuÊt vËn chuyÓn dßng di ®¸y ®èi víi c¸t/ cuéi sái cho dßng ch¶y æn ®Þnh H×nh 30. C¸c c«ng thøc vËn chuyÓn trÇm tÝch chØ do dßng ch¶y H×nh 31. VËn chuyÓn trÇm tÝch do sãng céng víi dßng ch¶y H×nh 32. Nguyªn lý cña ®éng lùc h×nh th¸i H×nh 33. Nh÷ng ®ãng gãp bëi tæ hîp sãng vµ dßng ch¶y cho vËn chuyÓn trÇm tÝch trung b×nh dµi h¹n 20