Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 4

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 4 hải dương học

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 4

CH NG 4. H I D NG H C 4.1 M u H i d ng h c là m t khoa h c v bi n. Con ng i ã nghiên c u v bi n nhi u th k nay. Count L.F. Marsigli ã vi t nh ng cu n sách u tiên v bi n xu t b n n m 1725. M.F. Maury, m t nhà hàng h i ng i M vi t quy n sách h i d ng hi n i vào n m 1855 trong khi ông làm qu n lý t i c quan th y v n h i quân. R t nhi u ghi chép c a ông là r t có giá tr . T t c nh ng i u ó c gi i thích khá h p d n m c dù ông không ph i là nhà a v t lý. Nghiên c u mang tính h th ng u tiên c th c hi n do H.M.S. Challenger. Chi c tàu i t c ng Portsmouth, n c Anh vào ngày 21 tháng 12 n m và trong qu ng th i gian 3.5 n m ã i qua h n 100, 000 km và l i 50 t p nh t ký. ây c ng là nh ng báo cáo u tiên chia h i d ng h c thành 4 l nh v c. ó là V t lý bi n, sinh h c, hóa h c và a ch t bi n. Vn gì v H i d ng h c là quan tr ng i v i các k s k thu t b bi n. Câu h i này s c th o lu n m t cách chi ti t d i ây. 4.1.1 Sinh h c bi n Sinh h c bi n là môn h c nghiên c u các i s ng trong lòng bi n. Các nhà chuyên môn v k thu t b bi n không th ng xuyên làm vi c v i i t ng này, nh ng các c tr ng sinh h c bi n óng m t vai trò quan tr ng m t cách gián ti p. Ch ng h n nghiên c u nh h ng c a v t ch t chìm l ng d i áy i d ng t i h sinh thái hay ánh giá tác ng môi tr ng bi n. 4.1.2 Hóa h c bi n Tính ch t hóa h c c a n c bi n rõ ràng có t m quan tr ng l n n các sinh v t bi n và các nhà sinh h c, nh ng nó c ng r t quan tr ng i v i các nhà chuyên môn v k thu t b bi n khi xây d ng các công trình trên bi n. V t li u xây d ng trên bi n s làm vi c nh th nào trong i u ki n n c r t sâu, có khi t i vài tr m mét, k thu t bê tông c ng r t khó kh n khi làm vi c trong môi tr ng n c m n, bi t là v n n mòn và t gãy x y ra i v i kim lo i nh ng sâu l n. 4.1.3 a c h t bi n Các nhà a ch t tìm ki m khoáng s n áy bi n và các l p t phía d i c ng có m i quan h , m c dù không tr c ti p v i các k s b bi n. Ch ng h n t các s li u a ch t, các k s xây d ng vùng ven b có nh ng c s v a ch t công trình có c n c xây d ng nh ng công trình ven b , trên th m l c a và ngoài kh i. 88 http://www.ebook.edu.vn
4.1.4 V t lý bi n Các nhà v t lý h i d ng c ng nh các nhà chuyên môn v k thu t b bi n, h cùng có i u lo l ng chung v sóng, th y tri u và các v n ng l c bi n. V n sóng là iu c quan tâm nh t. Các nhà h i d ng h c luôn xem sóng là m t v n ph c t p và phi n toái, trong khi các k s b bi n l i xem sóng là m t th thách l n nh t mà h ph i ph n u v t qua. Khi xây d ng các công trình ngoài kh i, nh ng sâu l n, h ph i ngh t i các v n v v t lý bi n ch ng h n nh v trí và c ng c a các dòng bi n. 4.2 H th ng gió Tr c khi th o lu n m t cách chi ti t v i d ng, chúng ta c n ph i bi t v tr ng gió hình thành và phát tri n trên b m t trái t. Tr ng c b n nh t là vành ai nóng xung quanh xích o t o nên các dòng th ng th ng ng. Và bù l p dòng không khí th ng lên, dòng không khí chuy n ng ngang t hai phía n vùng xích o. D i tác d ng c a l c Coriolis dòng không khí này không thæi theo ph ng kinh tuy n t b c xu ng nam (xét bán c u b c) mà h ng c a nó b tr ch i. Tuy nhiên, ph n l n ph n lãnh th khu v c ng xích o là bi n, trong khi phía b c và phía nam c a xích o là l c a (Trung qu c, Sahara, Úc v.v...). Vì dòng không khí i xu ng nh ng khu v c này là dòng không khí khô. i u ó có ngh a là không khí r t khô vào mùa hè, làm thay i hoàn l u chung. Hi u ng chung là mùa hè bán c u b c h ng gió là h ng b c, ng c l i mùa ông h ng gió là h ng nam. K t qu là có m t n a n m là mùa m a và n a n m còn l i là mùa khô. i v i k thu t b bi n, i u quan tr ng h n là tác d ng c a gió t o sóng. Trong nh ng vùng ch u nh h ng th ng xuyên c a gió tín phong, thì sóng n có cùng h ng v i gió, ph thu c vào mùa. 4.2.1 Gió mùa m t c tính tr i tác ng n b bi n Vi t Nam Khí h u toàn Vi t Nam ch u nh h ng c a ch gió mùa ông b c, trong ó gió ông b c thæi n t h ng b c mang theo dòng không khí l nh l c a v i m th p t l c a Trung Hoa vào u mùa ông (t tháng 11 n tháng 1 n m sau), k t qu là nhi t gi m xu ng, không khí khô trong th i k này. N a sau c a mùa ông (t tháng 2 n u tháng 4, dòng không khí l nh chuy n ng vào n c qua theo h ng ông b c i qua bi n, d n t i m a phùn vùng duyên h i B c B . Sóng g n b sinh ra do gió mùa ông b c có l n lên n 1m. Trong mùa hè (tháng 5 n tháng 10), gió mùa Tây Nam chi m u th trên toàn lãnh thæ Vi t Nam. S k t h p gi a gió mùa Tây nam v i nhi u ng c a khí quy n ch ng h n nh áp th p nhi t i, bão gây m a l n và các th m h a t nhiên Vi t Nam 89 http://www.ebook.edu.vn
4.2.2 Bão Vi t Nam Trung bình có kho ng 6 con bão b vào b bi n Vi t Nam hàng n m, ph n l n các con bão i theo h ng ông Nam - Tây B c. Các con bão này di chuy n trên m t quãng ng dài trên bi n ông và n b bi n Vi t Nam mang theo m t l ng m a r t l n và t c gió r t l n kèm theo nó là sóng l n và n c dâng. ó là nguyên nhân gây v các con ê v n ã y u B c b , các n cát ph i mình tr c bi n và h th ng m phá mi n Trung. Các t nh mi n b c ph i i phó v i các tr n bão (4 con trong m t n m t mi n b c n b c t nh Th a Thiên - Hu . Trong khi ng b ng sông Mê Kông h u nh r t ít ch u nh h ng c a bão. ng i c a bão vào b bi n Vi t Nam c bi u di n trong hình 4-1a. Theo các s li u th ng kê dài h n, mùa bão Vi t Nam ch m d n t b c vào nam. phía b c bão x y ra r t s m t tháng 5 n tháng 8 và ch m d n vào mi n Trung. mi n Nam t tháng 9 n tháng 12. Bão và áp th p nhi t i khi i vào l c a v i s c gió r t m nh và l ng m a l n trong m t th i gian dài, là nguyên nhân c a l l t, c bi t mi n B c và mi n Trung. Bão gây ra n c dâng áng k . Theo s li u th ng kê c a trên 100 con bão, thì trên 50% s con bão gây ra n c dâng t 1 n 2m, th m chí l n h n 2m. 4.3 Vài nét v id ng Nghiên c u các c tính v t lý c a id ng s giúp chúng ta hi u h n các quá trình ng l c x y ra trong lòng bi n. Hình 4.1: Phân b sâu c a id ng sâu trung bình kho ng 3800m và tæng l ng n c bi n kho ng 1370 x 1015 m3. sâu trung bình 94 m và tæng l ng n c kho ng 0.054 x 1015 m3. Bi n Bi n B c có có sâu < 200 m chi m kho ng 7.6% tæng di n tích m t bi n c g i là th m l c a. Các k s k thu t b bi n g n ây ã kh o sát vùng th m l c a hi u ít nhi u v i d ng. Vùng th m r ng nh t lên t i 1200 km. Th m l c a r ng nh t là bi n b c c c, phía b c c a Siberia và h p nh t d c theo phía tây n c M (b ông c a Thái Bình D ng). 90 http://www.ebook.edu.vn
Hình 4.1a: ng i trung bình c a bão d c theo b bi n Vi t nam V VI VII VIII IX X XI XII 91 http://www.ebook.edu.vn
Các i d ng c phân chia thành m t chu i các bi n nh c n i v i nhau mà các ho t ng v t lý i d ng thú v x y ra. Các bi n nh này sâu t 3 - 5 km, nh ng có nh ng vùng sâu h n và nh ng vùng nông h n. Ph n l n các ho t ng áng quan tâm di n ra trong lòng bi n sâu l n nh t n 2km. nh ng l p n c sâu h n, bi n có n ng mu i g n nh không i (35o/oo) và 0 0 nhi t (3 - 4 C). ng th i nh ng sâu ó, dòng ch y r t y u, có v n t c x p x b ng không. 4.4 Dòng ch y do gió ng l c chính hình thành dòng bi n là ho t ng c a các h th ng gió trên m t i d ng. Gió tín phong và hoàn l u h ng tây là k t qu hình thành dòng bi n ch y v h ng tây v th p và ch y v h ng ông v cao. i u này t nó ã ch ng minh r ng b c Atlantic hình thành các dòng bi n sau ây: Hình 4.2: Dòng bi n (theo Pirie et al, 1973) Dòng bi n phía b c xích o ch y v h ng tây t m i o Verde n bi n Caribbean. i m i vào bi n này và i m qu t h ng tây b c phía b c c a bi n Caribbean và n i v i dòng Florida. Dòng ch y ra kh i v nh Caribbean gi a Florida và Cuba. Dòng Florida (th ng c g i là dòng v nh) ti p t c ch y lên phía b c d c theo b c M 0N nv 45 , n i nó qu t v h ng ông và kéo dài ra hình thành dòng b c bi n Atlantic. M t nhánh c a dòng này qu t xu ng phía nam d c theo b bi n B ào Nha hình thành dòng Canary k t thúc vòng tu n hoàn. M t dòng t ng t có th th y phía nam bi n Atlantic và các dòng bi n khác. Nh ng dòng ông tây ch y u này nh ng v có nh ng h th ng gió chi m u th . Các dòng b c nam ch c ch n v n ti p t c và b o toàn v t ch t. 92 http://www.ebook.edu.vn
4.5 ng l c c a dòng bi n Cân b ng tr ng l c và l c ma sát d n n ph ng trình Chezy n i ti ng c s d ng mô ph ng dòng ch y sông ngòi, nh ng l i không th ng d ng cho các vùng n c d i sâu c a i d ng. Vì các i d ng r t sâu và v n t c l i r t nh (
6.4 x 10 -5 x 80 x 10 3 = 52. x 10 - 2 m (4.4) z= 9.81 Giá tr này x p x giá tr nh n c t s li u o c là 45 cm. Dòng bi n c nghiên c u và trình bày trên g i là dòng h i l u. M t v n khác, tuy kém quan tr ng h n khi nghiên c u h i d ng, khi dòng ch y i h ng và l c h ng ngang b ng 0. Trong tr ng h p này, l c Coriolis cân b ng v i l c h ng tâm. 2 V (4.5) =2 V sin r V (4.6) = 2 sin r Trong ó r là bán kính cong. Dòng ch y lo i này gây nh h ng ít h n so v i các nhi u lo n khác trong o c h i v n. Tuy nhiên, nó l i gây ra m i phi n toái cho các ho t ng khác. Ch ng h n nó gây ra nhi u lo n r t l n trong các mô hình th y l c có nh y cao trong các phòng thí nghi m mà M ã th c hi n m t s n m tr c ây. M t bình n c æ y và t vào v trí hoàn toàn t nh l ng, sau m t êm các nhà nghiên c u v n o c dòng ch y 0 có v n t c 0.2 m/s vì thí nghi m c th c hi n t i v 45 N. Các dòng h i l u không ph thu c vào sâu, ngh a là nó là h ng s trên toàn b chi u sâu do s c c n b ng 0. i u này mâu thu n v i các tài li u quan tr c tr c ây các sâu trên 1 km. Th c t , không h t n t i mâu thu n vì chúng ta không nghiên c u n tác ng c a dòng h i l u, c a gió lên b m t các i d ng. Các tr m tích do gió Eckman Nansen (1902) ã a ra các s li u quan tr c v các tr m tích bi n b ng tìm th y bi n B c c c. Ông th y r ng b ng tích t không n m trên h ng gió mà t o v i h ng gió m t góc t 200 n 400. Ông gi i thích i u này nh k t qu c a l c Coriolis và h n n a suy oán r ng dòng ch y nh ng l p n c d i sâu h n, c t o ra do l c c t các l p phía trên và có xu th l ch ph i. Eckman ã kh o sát i u này b ng mô hình toán trên c s ngh c a Nansen. K t qu nghiên c u c a ông xu t b n vào n m 1902, nh ng không trình bày trong ph n này. Gi thi t c t i d ng thành các l p n m ngang không ma sát, m t l p b y lên phía b c, m t l p b y xu ng phía nam t xích o thì k t qu là s có chuy n ng xo n do l c Coriolis. Nh ng th c t ma sát nh h ng lên các kh i n c. M i kh i c xem là t p h p c a nhi u l p, c xét xu ng sâu 50m. Gió s y l p trên và k t qu là nó b ch ch h ng sang bên ph i do l c Coriolis. L p d i nó ti p t c l ch 94 http://www.ebook.edu.vn
thêm m t chút n a. Quá trình ó ti p t c n l p áy và h ng dòng ch y d ng nh ng c h n h ng gió, nh ng v i l c ít h n r t nhi u. K t qu là chuy n ng trung bình s n m bên ph i c a h ng gió. Chuy n ng này c bi t nh là k t qu c a gió Eckman. phía b c Atlantic, gió tây các v trung bình và h ng ông v th p y kh i n c sang phía ph i c a nó hình thành các tr m tích Eckman. Dòng ch y s h i t Sargasso Seam y i d ng có b c nh y hàng tr m km và t ng lên hàng mét. Vì tr ng l ng b n thân, kh i này s b ép xu ng và m r ng ra nh là m t cái g i b bè ra khi có ng i ng i trên ó. M c dù các l c k t h p v i nhau r t ph c t p, nh ng kh i n c b ép b d ch chuy n v phía xích o. Vì v y, ây ph i là dòng ch y vòng lên phía b c thay th l ng n c chuy n ng xu ng phía nam. S chuy n h ng c a dòng ch y lên phía b c có th m r ng và ch m ch p vì nó là kh i n c thay th nh ã c xem xét. Trong th c t , dòng ch y vòng b gi l i gi a b bi n B c M và Sargasso Sea. Vì chi u r ng c a dòng ch y không l n, nên t i h t l ng n c, l u t c dòng ch y ph i l n. ó là tr ng h p dòng n c m ch y t v nh Mexico qua i tây d ng n châu âu. Dòng ch y b l ch ph i khá nhi u do l c Coriolis và c t ng c ng v i d ng dòng ch y vòng theo theo chi u kim ng h . Tæng l ng dòng ch y x p x 5 l n tæng l ng n c c a t t c các con sông trên th gi i. 4.6 Tính ch t c a n c bi n Tính ch t quan tr ng nh t c a n c bi n mà các nhà chuyên môn k thu t b bi n quan tâm là m t n c. m t c a nó là hàm s c a mu i, nhi t và áp su t, trong ó nh h ng c a áp su t là ít nh t mà ta có th b qua tr khi các nghiên c u r t sâu (>500m). Trái v i n c ng t, ph n l n n c bi n u t ng m t khi b l nh cho n nhi t ông l nh. Ph n l n n c bi n có mu i thay i t 34 ‰ and 36 ‰. M t s bi n nh cô l p c ng có s thay i m t và mu i r t l n. Ch ng h n bi n Baltic, th nh tho ng mu i xu ng t i 7 ‰, trong khi bi n (châu Phi) lên n 41‰. Tuy nhiên, s ph thu c c a m t vào mu i và nhi t r t ph c t p. n c bi n l n h n 1000 kg /m3, các nhà h i d ng h c th ng s d ng i Vì m t l ng hi u s c a n c bi n v i 1000 và ký hi u là sigma. N u có xét t i áp su t khí quy n thì s d ng thêm ch s t trong bi u th c. = - 1000 (4.7) t Trong ó: là n ng n c bi n áp su t khí quy n. t là hàm s c a mu i và nhi t và c th hi n trong b ng 4-1. K t qu tính toán b ng ng v i áp su t khí quy n 1.033 bars = 1 atmosphere. 95 http://www.ebook.edu.vn
B ng 4.1: Giá tr là hàm s c a m n và nhi t t 96 http://www.ebook.edu.vn
Vì các ph ng trình và các b ng tính toán t ng i c ng k nh V, nên m t quan h n gi n h n th nh tho ng c s d ng = 0.75 S (4.8) t Ph ng trình này b qua nh h ng c a nhi t và áp su t và vì v y chính xác không cao, ít c s d ng. Trong th c hành, các k s th ng s d ng ph ng trình này cho các bài toán mà s khác nhau v m t khi xét và không xét n nh h ng c a nhi t là không l n. V i các thông tin v n ng , chúng ta tr l i xem xét vi c mô t i d ng. Thông th ng, mu i và nhi t gi m v i s t ng lên c a sâu. B c h i x y ra l p trên m t làm cho mu i ây cao h n. Nh ng c ch trao i mu i theo sâu ra sao? S khác nhau v nhi t ln duy trì phân b m t m b o cho nó t ng theo sâu. S thay i m t do s khác nhau v mu i và nhi t c s d ng tìm dòng n c mu i nh ví d d i ây. tm t ng ng có chi u dài 1 km b t u t cao trình m t bi n xu ng sâu. Ti p theo s d ng b m l y n c t t ng sâu. Chúng ta làm vi c này m t cách t t nc b m lên trong ng có th m lên do môi tr ng bi n xung quanh. Sau khi n c lên n m t t, chúng ta t t b m và th y r ng n c v n ti p t c ch y ra. T i sao i u này x y ra? nó không ph i là d ng chuy n ng v nh c u và quá trình này s k t thúc khi phía trên l p 1 km c a i d ng b tr n l n hoàn toàn. 4.7 Dòng m t Gradient m t n m ngang có th d n n s không cân b ng c a áp su t và s sinh ra dòng ch y. C ch c a lo i dòng ch y nh v y c ng gi ng nh dòng ch y xu t hi n các c ng sông ti p giáp v i bi n (c ng c a sông). Bi u th c toán h c mô ph ng hi n t ng này s trình bày trong các ph n sau, ây ch xin a ra m t ví d x y ra các i d ng. Bi n a Trung H i m n h n các bi n khác vì v y n ng c ng cao h n bi n Atlantic. M t dòng ch y th ng xuyên v i v n t c 0.5m/s ch y ra kh i v nh Gibraltar d i sâu. Trên m t, dòng ch y vào v nh th m chí có v n t c l n h n. S khác nhau v mt duy trì dòng ch y ki u này do hi n t ng b c h i làm cho m t l p trên khác v i các l p d i. 97 http://www.ebook.edu.vn