Giáo trình Kỹ thuật biển - Tập 1: Nhập môn về công trình bờ

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:233

Thêm vào BST

Báo xấu

151
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Những bài giảng này cung cấp các kiến thức về nguyên lý, các vấn đề và phương pháp giải quyết. Ngoài ra một loạt các bài tập khác nhau cũng được triển khai trong quá trình đào tạo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật biển - Tập 1: Nhập môn về công trình bờ

Kü thuËt biÓn Bé c¸c bµi gi¶ng vÒ kü thuËt bê biÓn dµnh cho líp ®µo t¹o c¸c c¸n bé ViÖn Khoa häc thuû lîi, Hµ Néi Biªn tËp tiÕng Anh: E. van Meerendonk Delft Hydraulics 2
TËp I NhËp m«n vÒ c«ng tr×nh bê Ngêi dÞch: §inh V¨n ¦u Hµ Néi – 2003 3
Lêi gíi thiÖu §Ó phôc vô ch¬ng tr×nh ®µo t¹o míi cña c¸c chuyªn ngµnh H¶i d¬ng häc, chóng t«i ®· lùa chän c¸c s¸ch gi¸o khoa vµ chuyªn kh¶o liªn quan tíi c¸c chuyªn ngµnh míi nh Kü thuËt biÓn, Qu¶n lý tµi nguyªn vµ m«i trêng biÓn ®· ®îc xuÊt b¶n ë níc ngoµi vµ dÞch ra tiÕng ViÖt. Bé c¸c bµi gi¶ng vÒ kü thuËt bê biÓn sö dông cho líp ®µo t¹o c¸n bé ViÖn Khoa häc Thuû lîi Hµ Néi ®îc E. van Meerendonk biªn so¹n theo c¸c bµi gi¶ng tõ ViÖn Delft Hydraulics, Hµ Lan lµ mét tµi liÖu t¬ng ®èi hoµn chØnh vÒ lÜnh vùc nµy. Trong gi¸o tr×nh nµy cã nhiÒu phÇn liªn quan tíi thuû ®éng lùc biÓn vµ c¸c c«ng tr×nh b¶o vÖ bê ®· ®îc tr×nh bµy kü trong c¸c gi¸o tr×nh hiÖn hµnh b»ng tiÕng ViÖt. Chóng t«i chØ chän tËp I vµ II cña bé s¸ch nµy ®Ó dÞch v× trong ®ã ®· tr×nh bµy t¬ng ®èi ®Çy ®ñ tæng quan vÒ Kü thuËt biÓn nh»m lµm tµi liÖu gi¶ng d¹y cho sinh viªn n¨m thø 3 tríc khi ®i vµo c¸c chuyªn ngµnh. Do tËp III tr×nh bµy rÊt s©u vÒ nh÷ng khÝa c¹nh kü thuËt cña c«ng tr×nh bê thuéc lÜnh vùc thiÕt kÕ, x©y dùng c«ng tr×nh vµ tËp IV chØ tËp chung cho mét vÊn ®Ò chuyªn s©u cña thuû ®éng lùc bê lµ sãng thÇn v× vËy chóng t«i kh«ng dÞch c¶ hai tËp nµy. Trªn c¬ së ®ã chng t«i lÊy tªn cho b¶n dÞch nµy lµ Kü thuËt biÓn §Ó ®¶m b¶o tÝnh khoa häc cña vÊn ®Ò chóng t«i biªn dÞch toµn bé phÇn më ®Çu cho Bé s¸ch, tuy nhiªn do kh«ng biªn dÞch c¸c tËp, III vµ IV nªn sÏ cã nh÷ng bæ sung nhÊt ®Þnh ®Ó sinh viªn cã thÓ n¾m ®îc ®Çy ®ñ yªu cÇu néi dung cña m«n häc nµy. 4
Lêi nãi ®Çu Bé bµi gi¶ng vÒ kü thuËt bê ®îc biªn so¹n phôc vô ViÖn nghiªn cøu khoa häc thuû lîi cña Céng hoµ X· héi Chñ ngi· ViÖt Nam. Trong thêi gian 7 tuÇn tõ th¸ng 10 ®Õn th¸ng 11 n¨m 1989 tËp bµi gi¶ng nµy ®îc E. van Meerendonk tõ ViÖn Delft Hydraulics sö dông cho kho¸ ®µo t¹o c¸c c¸n bé cña ViÖn khoa häc thuû lîi. Nh÷ng bµi gi¶ng nµy lµ mét phÇn cña dù ¸n hç trî cho ViÖn nghiªn cøu Khoa häc thuû lîi do Delft Hydraulics triÓn khai víi sù tµi trî cña UNDP t¹i N÷u ¦íc. Bé bµi gi¶ng vÒ kü thuËt bê bao gåm c¸c néi dung sau ®©y: TËp I: Më ®Çu TËp II: Nh÷ng vÊn ®Ò c¶ng, vÞnh vµ b·i biÓn TËp III: ThiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh ng¨n sãng TËp IV: Tsunami Nh÷ng bµi gi¶ng nµy cung cÊp c¸c kiÕn thøc chung vÒ nguyªn lý, c¸c vÊn ®Ò vµ ph¬ng ph¸p gi¶i quyÕt. Ngoµi ra mét lo¹t c¸c bµi tËp kh¸c nhau còng ®îc triÓn khai trong qu¸ tr×nh ®µo t¹o. 5
1 Më ®Çu 1.1 Môc ®Ých, yªu cÇu TËp bµi gi¶ng nµy ®îc x©y dùng ban ®Çu nh phÇn bæ sung cho c¸c bµi gi¶ng cña gi¸o s Bijker t¹i Delft ®ång thêi cho §¹i häc c«ng nghÖ còng nh líp chuyªn ®Ò quèc tÒ vÒ Thuû c«ng tr×nh. Thêi gian gi¶ng d¹y dµnh cho viÖc giíi thiÖu, trao ®æi, bµn luËn vµ tr¶ lêi c¸c c©u hái liªn quan. Mét sè häc viªn cã thÓ kh«ng cÇn lªn líp mµ vÉn cã thÓ nghiªn cøu th«ng qua c¸c tµi liÖu nµy. Trong khi tr×nh bµy, c¸c c©u hái ®îc lång vµo trong bµi gi¶ng, th«ng qua ®ã cã thÓ g©y chó ý vµ kiÓm tra møc ®é hiÓu biÕt cña ngêi ®äc. 1.2 C¸c chuyªn môc TÊt c¶ c¸c tµi liÖu liªn quan tíi kü thuËt bê do gi¸o s Beijker chuÈn bÞ t¹i §¹i häc C«ng nghÖ Delft ®îc chia thµnh ba chuyªn môc chÝnh hay ba m«n häc: NhËp m«n kü thuËt bê – c¬ së cña toµn bé c¸c chuyªn môc kh¸c  Nh÷ng vÊn ®Ò c¶ng, vòng vÞnh – nghiªn cøu chi tiÕt c¸c chuyªn ®Ò liªn  quan tíi bê, c¶ng vµ c¸c l¹ch tµu vµo c¶ng ThiÕt kÕ c«ng tr×nh ch¾n sãng – nghiªn cøu hai d¹ng c«ng tr×nh ch¾n  sãng b»ng khèi liªn kÕt mÒm vµ b»ng nguyªn khèi. ViÖc ph©n chia c¸c chuyªn môc nµy ®îc chó träng trong khi x©y dùng tËp bµi gi¶ng nµy vµ c¸c néi dung ®îc tËp hîp theo tõng tËp riªng rÏ. Cã thÓ tån t¹i c¸ch ph©n chia kh¸c trong kü thuËt bê, trong ®ã c¸c lo¹i vÊn ®Ò ®îc tËp hîp l¹i víi nhau. Theo c¸ch ®ã cã ba lo¹i vÊn ®Ò sau: C¶ng, §Þa m¹o vµ BiÓn kh¬i, chóng sÏ ®îc ®Ò cËp tíi trong ch¬ng 2. ViÖc ph©n chia nµy ®îc chó träng trong hai tËp ®Çu cña bé s¸ch nµy. Trong tõng tËp c¸c vÊn ®Ò ®îc tËp hîp theo nguyªn lý võa nªu. Tuy nhiªn nguyªn lý ph©n chia trªn kh«ng ®îc chó träng trong tËp III bêi v× c¸c c«ng tr×nh ch¾n sãng chØ lµ vÊn ®Ò riªng cña lÜnh vùc c¶ng. D¹ng th«ng tin thø 4 liªn quan tíi nh÷ng kiÕn thøc c¬ së ®· ®îc tr×nh bµy trong c¸c gi¸o tr×nh kh¸c, chóng cã thÓ ®îc nh¾c l¹i ng¾n gän, hoÆc lµ c¸c nhËn xÐt bæ sung hay lu ý. Tuy nhiªn nh÷ng kiÕn thøc ®ã l¹i kh«ng thÓ thiÕu ®îc khi 6
®i vµo nghiªn cøu c¸c vÊn ®Ò thùc sù cña kü thuËt bê vµ ®ã lµ c¬ së cña m«n häc nµy. 1.3 C¸c tµi liÖu xuÊt b¶n ®Þnh kú Danh môc c¸c tµi liÖu tham kh¶o ®îc dÉn ra trong phÇn cuèi cña mçi tËp. §ã lµ nh÷ng tµi liÖu c¬ b¶n nhÊt cung cÊp nÒn t¶ng nhng kh«ng cho ta cËp nhËt nh÷ng kÕt qu¶ míi ph¸t triÓn. C¸c xuÊt b¶n ®Þnh kú nh»m ®¸p øng môc ®Ých nµy. Lo¹i tµi liÖu nµy cho thÓ ph©n ra thµnh 5 nhãm ®îc m« t¶ sau ®©y: 1.4 Tµi liÖu chung Nh÷ng tµi liÖu vÒ kü thuËt lo¹i nµy thêng cã tÝnh bao qu¸t cao, trong ®ã thØnh tho¶ng cã thÓ t×m ®îc mét sè vÊn ®Ò liªn quan trùc tiÕp tíi kü thuËt bê, song nh×n chung kh«ng cã c¸c chi tiÕt cô thÓ. VÝ dô vÒ c¸c lo¹i t¹p chÝ ®Þnh kú nµy cã thÓ lµ: Engineering New Record, xuÊt b¶n hµng tuÇn do NXB McGraw Hill,  N.Y. Hoa Kú De Ingenieur, xuÊt b¶n hµng tuÇn do Héi hoµng gia c¸c kü s, La Hay,  Hµ Lan Civil Engineering, xuÊt b¶n hµng th¸ng do Héi kü s x©y dùng Mü, N.Y.  Hoa Kú. 1.5 T¹p chÝ chuyªn ngµnh chung Nhãm c¸c t¹p chÝ lo¹i nµy cung cÊp c¸c th«ng tin chung vÒ tõng lÜnh vùc chuyªn ngµnh. Th«ng thêng cã c¸c th«ng tin quan t©m trùc tiÕp song thêng vÉn thiÕu c¸c chi tiÕt kü thuËt chuyªn ngµnh. VÝ dô vÒ c¸c t¹p chÝ lo¹i nµy nh sau: Ocean Industry, xuÊt b¶n hµng th¸ng do c«ng ty Gulf Publishing,  Houston, Texas, Hoa Kú The Dock and Habor Authority, xuÊt b¶n hµng th¸ng do NXB Foxlow,  London 1.6 T¹p chÝ kü thuËt chuyªn ngµnh Lo¹i t¹p chÝ nµy cung cÊp c¸c chi tiÕt kü thuËt chuyªn ngµnh liªn quan tíi c¸c vÊn ®Ò vµ c¸ch gi¶i quyÕt, cã thÓ t×m ®îc trong phÇn tµi liÖu tham kh¶o cña c¸c bµi ®¨ng trong c¸c t¹p chÝ thuéc hai lo¹i trªn. VÝ dô vÒ lo¹i t¹p chÝ nµy nh sau: Journal of Waterways, habors, and Coastal Engineering Division, xuÊt  b¶n hµng quý do Héi kü s x©y dùng Mü, N.Y., Hoa Kú 7
Shore and Beach, xuÊt b¶n nöa n¨m do HiÖp héi b¶o vÖ bê biÓn vµ b·i  t¾m Mü, Miami, Florida, Hoa Kú Coastal Engineering in Japan, xuÊt b¶n hµng n¨m do Héi kü s x©y  dùng NhËt b¶n, Tokyo, NhËt B¶n T¹p chÝ kü thuËt chuyªn ®Ò Lo¹i t¹p chÝ nµy cung cÊp c¸c th«ng tin nh lo¹i t¹p chÝ kü thuËt chuyªn ngµnh song dµnh riªng cho mét nhãm lÜnh vùc hoµn toµn kh¸c. §èi víi c¸c nhµ chuyªn m«n, muèn t×m ®îc c¸c th«ng tin cÇn thiÕt nµy, ph¶i t×m kiÕm hÕt søc c«ng phu trong sè c¸c tµi liÖu d¹ng tæng quan tãm t¾t ®îc tr×nh bµy sau ®©y. Cã thÓ ®a ra lµm vÝ dô mét sè th«ng tin cã thÓ t×m thÊy trong lo¹i t¹p chÝ nµy: VÊn ®Ò ¸p lùc sãng trong Journal of the Engineering Mechanics Division, xuÊt b¶n bëi Héi kü s x©y dùng Mü, N.Y. Hoa Kú VÊn ®Ò t¸c ®éng cña sãng lªn c¶ng trong Journal of the Acoustical Society of America, N.Y. Hoa Kú 1.7 Tæng quan tãm lîc C¸c tæng quan tãm lîc phôc vô môc ®Ých t×m kiÕm nhanh c¸c tµi liÖu cÇn thiÕt trong sè nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau. Tuy nhiªn chóng kh«ng cung cÊp c¸c th«ng tin míi mµ chØ tr×nh bµy c« ®äng c¸c néi dung tr×nh bµy trong bµi. Trong sè c¸c t¹p chÝ tæng quan tãm lîc tèt nhÊt hiÖn nay cã thÓ kÓ ®Õn: Documentation Data, do Phßng thÝ nghiÖm thuû lùc Delft, Hµ Lan xuÊt  b¶n Engineering Index, do Th viÖn c¸c héi kü thuËt, N.Y., Hoa Kú xuÊt b¶n  BHRA Fluid Engineering, dÞch vô tæng quan cña HiÖp héi nghiªn cøu  thuû lùc Anh, Bedford. HiÖn nay c¸c ph¬ng tiÖn m¸y tÝnh ®· vµ ®ang ph¸t triÓn hÖ thèng t×m kiÕm c¸c tæng quan th«ng qua m¹ng. NhiÒu hÖ t×m kiÕm c¸c tæng quan tæng lîc cã thÓ truy nhËp víi mét phÝ kh«ng ®¸ng kÓ gióp nhanh chãng ®¹t ®îc kÕt qu¶ mong muèn. 1.8 C¸c s¸ch tham kh¶o Sau ®©y chóng t«i dÉn ra mét sè s¸ch tham kh¶o vÒ kü thuËt bê, c¸c tµi liÖu nµy cã thÓ ®Ò cËp tíi mét vÊn ®Ò quan t©m chø kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c chñ ®Ò réng lín cña bé m«n nµy. Per Bruun (1973): Port Engineering: Gulf Publishing Company,  Houston, Texas, U.S.A. 8
Arthur T. Ippen (1966): Estuary and Coastline Hydrodynamics:  McGraw-Hill, N.Y. H Lamb (1963): Hydrodynamics (6th edition) : Cambridge Univ. Press.  Muir Wood, A.M. (1968): Coastal Hydraulics: Macmillan and Co. Ltd.,  London, England. Robert L. Wiegel (1964): Oceanographical Engineering : Prentice-Hall,  Inc., Englewood Cliffs N.J., U.S.A. 1.9 Nh÷ng ®ång t¸c gi¶ QuyÓn s¸ch nµy ®îc tËp thÓ nhãm kü thuËt bê §¹i häc c«ng nghÖ Delft chuÈn bÞ. Nh÷ng t¸c gi¶ ban ®Çu ®îc liÖt kª trong phÇn më ®Çu mçi ch¬ng, môc. NhiÒu ngêi kh¸c tham gia vµo viÖc ®äc vµ söa ch÷a bæ sung, phÇn hiÖu ®Ýnh cuèi cïng vµ tËp hîp thµnh s¸ch do W.W. Massie chÞu tr¸ch nhiÖm. Trong b¶ng sau ®©y ®a ra danh s¸ch nh÷ng ®ång t¸c gi¶ theo thø tù vÇn ch÷ c¸i. B¶ng 1.1. Nh÷ng ®ång t¸c gi¶ cña tËp s¸ch nµy GS TS E.W. Bijker Gi¸o s kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft KS C.J.P. van Boven Gi¸m ®èc ®iÒu hµnh, DÞch vô quèc tÕ vÒ biÓn Smit, Rotterdam KS J.J. van Dijk Nghiªn cøu viªn chÝnh, Nhãm kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft KS J. van de Graaff Nghiªn cøu viªn chÝnh, Nhãm kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft KS L.E. van Loo Nghiªn cøu viªn chÝnh, Nhãm kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft W.W. Massie, P.E. Nghiªn cøu viªn chÝnh, Nhãm kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft KS J. de Nikker Kü s trëng vÒ c¶ng, Bé m«n c«ng tr×nh c«ng céng, Rotterdam KS A. Paape Gi¸m ®èc chi nh¸nh Delft, Phßng thÝ nghiÖm thuû lùc Delft, Delft 1.10 So s¸nh víi lÇn xuÊt b¶n 1976 Trong lÇn xuÊt b¶n nµy cã hai thay ®æi lín vµ mét sè thay ®æi vµ hiÖu chØnh nhá. Thay ®æi lín thø nhÊt liªn quan tíi ch¬ng 10 vµ 11. Môc 10.3 ®· ®îc söa l¹i vµ bæ sung ®¸ng kÓ; ch¬ng 11 ®îc viÕt l¹i vµ ®a thªm vµo c¸c kiÕn thøc hiÖn ®¹i vÒ c¸c ®Æc trng thèng kª sãng. 9
Thay ®æi lín thø hai liªn quan tíi m« t¶ qu¸ tr×nh vËn chuyÓn c¸t trªn c¸c b·i biÓn. C¸c ch¬ng 25 vµ 26 ®îc viÕt l¹i hoµn toµn. NhiÒu söa ®æi nhá ®îc tiÕn hµnh trong ch¬ng 8 – c¸c d¹ng c«ng tr×nh ph¸ sãng, 12 – ph¸t triÓn sãng, 16 – n¹o vÐt ngoµi kh¬i, 20 – æn ®Þnh kÝch thíc l¹ch tµu, 22- l¾ng ®äng trÇm tÝch, 30- söa cho phï hîp víi c¸c ch¬ng míi 25 vµ 26, vµ ch¬ng 32 ®îc bæ sung. 1.11 Mét sè ®iÓm lu ý TiÕng Anh sö dông trong s¸ch nµy chñ yÕu theo phong c¸ch Mü. §Ó ®äc gi¶ dÔ hiÓu c¸c ký hiÖu phøc t¹p, chóng ®îc gi¶i nghÜa khi lÇn ®Çu tiªn ®îc ®a vµo trong mçi ch¬ng vµ cuèi mçi tËp cã dÉn ra mét b¶ng c¸c ký hiÖu sö dông trong s¸ch. Tµi liÖu tham kh¶o dÉn theo tªn t¸c gi¶ vµ thêi gian. B¶ng môc lôc tµi liÖu tham kh¶o ®Çy ®ñ dÉn ra cuèi mçi quyÓn s¸ch. C¸c h×nh vÏ nh×n chung ®îc thÓ hiÖn theo tû lÖ cho phÐp. NhiÒu h×nh vÏ trong s¸ch nµy ®îc tr×nh bµy theo tû lÖ b»ng 80% kÝch thíc h×nh vÏ gèc. KÝch thíc gèc cã thÓ ®îc thiÕt lËp theo tû lÖ 1 : 1250. NhiÒu thuËt ng÷ sö dông trong s¸ch ®îc liÖt kª trong b¶ng tõ vùng kÌm theo. V× c¸c ®¬n vÞ ®o theo hÖ Anh vÉn ®îc sö dông réng r·i trong thùc tiÔn c«ng nghiÖp biÓn v× vËy mét sè b¶ng chuyÓn ®æi ®¬n vÞ còng ®îc dÉn ra. Nh÷ng c«ng viÖc liªn quan tíi c¸c söa ®æi vÊt v¶ nµy ®Òu do bµ G.M. van Koppen vµ R.E.A.M. Boeters thµnh viªn cña nhãm kü thuËt bê, §¹i häc c«ng nghÖ Delft, Delft ®¶m nhiÖm. 10
2 Tæng quan vÒ kü thuËt bê E.W. Bijker 2.1 §Þnh nghÜa Kü thuËt bê lµ mét thuËt ng÷ chung ph¶n ¸nh c« ®äng c¸c ho¹t ®éng kü thuËt liªn quan tíi c¸c c«ng viÖc tiÕn hµnh däc bê biÓn. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, nh÷ng kü s chuyªn ngµnh kü thuËt bê thêng ph¶i tham gia vµo c¸c c«ng tr×nh x©y dùng trªn c¶ c¸c vïng biÓn kh¬i. V× vËy nhiÖm vô ®Çu tiªn cña hä lµ øng dông c¸c kiÕn thøc kü thuËt phôc vô x©y dùng c¸c c«ng tr×nh däc bê vµ trªn biÓn. Th«ng thêng c«ng t¸c thiÕt kÕ yªu cÇu nh÷ng m« h×nh cã s½n, nh vËy ®ßi cã hái nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ c¸c hiÖn tîng liªn quan. Nh×n chung, c¸c kü s cã thÓ më réng kiÕn thøc theo c¸c yªu cÇu kü thuËt. M«t vÊn ®Ò phøc t¹p ®èi víi kü thuËt bê lµ ë chç c¸c biÕn liªn quan ®Òu mang tÝnh ngÉu nhiªn. Nh÷ng phÐp tÝnh to¸n thèng kª t¹o nªn c¬ së cho kü thuËt tèi u ho¸ ®îc øng dông réng r·i cho nhiÒu vÊn ®Ò kü thuËt bê. 2.2 C¸c nghiªn cøu c¬ së Trong sè nh÷ng vÊn ®Ò c¬ b¶n mµ kü thuËt bê thêng gÆp ph¶i cã sù chuyÓn ®éng cña níc däc bê, t¬ng t¸c gi÷a níc chuyÓn ®éng vµ vËt liÖu bê vµ ®¸y vµ c¸c lùc thuû ®éng do sãng vµ dßng ch¶y t¸c ®éng lªn c¸c c«ng tr×nh. §ã chØ lµ mét sè vÝ dô cô thÓ vÒ c¸c hiÖn tîng c¬ b¶n; nh÷ng hiÖn tîng kh¸c sÏ ®îc ®Ò cËp sau. ViÖc nghiªn cøu nh÷ng hiÖn tîng nµy chÝnh lµ c¬ së cña nghiªn cøu kü thuËt bê. 2.3 C¸c chuyªn ngµnh ViÖc ph©n chia kü thuËt bê ®îc chia thµnh nh÷ng chuyªn ngµnh c¬ b¶n ®· ®îc tr×nh bµy trong phÇn më ®Çu. Chóng ta lÇn lît tr×nh bµy c¸c khÝa c¹nh kü thuËt cña c¸c chuyªn ngµnh ®ã trong c¸c môc tiÕp sau. 2.4 C¸c vòng vÞnh vµ c¶ng C¸c c¶ng biÓn ®îc ph¸t triÓn theo yªu cÇu sö dông tµu thuyÒn ®Ó vËn chuyÓn hµng ho¸ cña con ngêi. §iÒu quan träng ë ®©y lµ cÇn ph¶i ®¸p øng mét lóc c¶ yªu cÇu vÒ tiÖn lîi lÉn yªu cÇu kinh tÕ. NhiÒu khi ngêi ta cÇn t×m mét gi¶i ph¸p dung hoµ gi÷a hai yªu cÇu trªn. Nh÷ng khÝa c¹nh cô thÓ cña vÊn ®Ò nµy ®îc ®Ò cËp mét 11
c¸ch c¬ b¶n trong tËp II. Sù hîp t¸c gi÷a c¸c nhµ thiÕt kÕ hµng h¶i lÉn c¸c nhµ hµng h¶i thêng cã hiÖu qu¶ nÕu nh vÊn ®Ò tèi u ho¸ ®îc coi träng. Do nhiÒu c¶ng biÓn n»m ngay trªn c¸c cöa s«ng, v× vËy vÊn ®Ò h×nh thµnh c¸c b·i vµ l¹ch triÒu thêng ®îc xem xÐt ®Õn trong kü thuËt bê. Th«ng thêng vÊn ®Ò nµy ®îc nghiªn cøu kü trong kü thuËt s«ng. VÊn ®Ò ®Æc biÖt ®îc quan t©m ë ®©y liªn quan tíi ¶nh hëng cña dßng ch¶y mËt ®é vµ sù biÕn ®éng cña ®é muèi lªn c¸c ®Æc trng cña bïn trong c¶ng. Trong gi¸o tr×nh nµy sÏ cã c¸c tiÕp cËn kh¸c nhau vÒ dßng ch¶y mËt ®é c¨n cø vµo c¸c yªu cÇu thùc tiÔn; c¬ së lý thuyÕt cña vÊn ®Ò nµy ®îc tr×nh bµy kü trong c¸c s¸ch vµ gi¸o tr×nh chuyªn ®Ò. C¸c ®Æc trng cña bïn trong c¶ng vµ s«ng cã thÓ trë nªn hÕt søc quan träng v× chóng g¾n kÕt víi yªu cÇu n¹o vÐt trong c¶ng vµ cã lóc cßn mang tÝnh quyÕt ®Þnh ®èi víi ®Þa m¹o bê trªn mét kho¶ng c¸ch kh¸ xa c¶ng. Nh÷ng vÊn ®Ò thiÕt kÕ c¶ng thêng g¾n kÕt chÆt chÏ víi c¸c vÊn ®Ò ®Þa m¹o bê, vµ còng rÊt khã t¸ch rêi c¸c vÊn ®Ò nµy. Trong sè c¸c vÊn ®Ò ®Þa m¹o cã ý nghi· quan träng ®èi víi c¶ng ®ã lµ c¸c l¹ch tµu vµo c¶ng vµ ¶nh hëng cña c¸c c«ng tr×nh ph¸ sãng lªn c¸c qu¸ tr×nh bê. 2.5 §Þa m¹o bê §Þa m¹o bê lµ mét khoa häc nghiªn cøu t¬ng t¸c gi÷a sãng, dßng ch¶y vµ bê. PhÇn lín bê biÓn ®îc h×nh thµnh tõ c¸c vËt liÖu c¸t v× vËy chóng chÞu sù biÕn ®éng do sãng vµ dßng ch¶y. C¸c bê ®¸ thêng biÕn ®æi rÊt chËm ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh sãng vµ dßng ch¶y v× vËy chóng liªn quan víi c¸c nhµ ®Þa chÊt nhiÒu h¬n lµ ®èi víi c¸c kü s kü thuËt bê. V× sao c¸c vïng bê nhiÒu bïn l¹i chÞu biÕn ®éng Ýt h¬n khi cã sãng vµ dßng ch¶y t¸c ®éng? Chóng ta sÏ tr¶ lêi c©u hái nµy trong ch¬ng 27. §iÒu may m¾n ë chæ phÇn lín vËt liÖu bê ®Òu lµ c¸t. V× c¸t cã thÓ dÔ dµng n¹o vÐt vµ sù biÕn ®æi cña c¸c bê c¸t còng cã thÓ dù b¸o mét c¸ch t¬ng ®èi chÝnh x¸c b»ng c¸c m« h×nh to¸n häc. Nh÷ng m« h×nh nµy sÐ ®îc tr×nh bµy tãm t¾t trong tËp nµy, nh÷ng th«ng tin chi tiÕt h¬n cã thÓ t×m thÊy trong tËp II. Còng dÔ hiÓu r»ng tríc hÕt cÇn hiÓu râ chuyÓn ®éng cña níc (t¸c ®éng cña sãng vµ c¸c lo¹i dßng ch¶y) däc bê tríc khi dù b¸o biÕn ®æi ®Þa m¹o. Tõ ®ã yªu cÇu hiÓu biÕt nhiÒu nguyªn lý thuû ®éng lùc häc; mét sè nguyªn lý nµy sÏ ®îc «n l¹i trong c¸c ch¬ng tiÕp sau ®©y. T¸c ®éng cña sãng vµ dßng ch¶y lªn b·i biÓn cho ®Õn nay vÉn cßn nhiÒu ®iÓm cha râ. VËn chuyÓn c¸t theo híng däc bê vµ vu«ng gãc bê lµ nh÷ng chñ ®Ò quan träng trong nghiªn cøu kü thuËt bê. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu theo híng nµy sÏ ®îc tiÕp tôc sö dông ®Ó kiÓm chøng c¸c m« h×nh to¸n häc dù b¸o biÕn ®æi ®êng bê. V× kh«ng ph¶i tÊt c¶ sù biÕn ®æi cña bê ®Òu theo ý muèn v× vËy c«ng t¸c b¶o vÖ bê còng hÕt søc cÇn thiÕt. C«ng t¸c b¶o vÖ cho phÐp lµm chËm c¸c qu¸ tr×nh tù nhiªn hoÆc trong mét sè trêng hîp lµm v« hiÖu ho¸ c¸c t¸c ®éng kh«ng mong muèn. VÝ dô, c¸c má hµn x©y dùng vu«ng gãc hoÆc song song víi bê lµm cho qu¸ 12
tr×nh xãi lë bÞ h¹n chÕ. Cã mét sù lùa chän kh¸c b»ng c¸ch chuyÓn nh©n t¹o c¸t tõ vïng båi tô ®Õn vïng bÞ xãi. C¸c vÊn ®Ò b¶o vÖ bê biÓn sÏ ®îc ®Ò cËp muén h¬n trong tËp nµy. Kh«ng chØ cã c¸c c«ng tr×nh ph¸ sãng vµ c¸c l¹ch vµo c¶ng míi lµm cho ®Þa m¹o bÞ biÕn ®æi; c¸c s«ng tù nhiªn vµ c¸c cöa s«ng còng còng cã thÓ lµm ®iÒu ®ã. §iÒu nµy sÏ ®îc bµn chi tiÕt trong phÇn cuèi cña tËp nµy. 2.6 Kü thuËt biÓn kh¬i Cho ®Õn thêi gian gÇn ®©y, c¸c c¶ng vµ ®Þa m¹o bê lµ c¸c chñ ®Ò chÝnh cña kü thuËt bê truyÒn thèng. HiÖn nay ý muèn cña con ngêi lµm viÖc trªn biÓn ®· ngµy cµng t¨ng lªn. Mét lÜnh vùc biÓn kh¬i còng ®· ph¸t triÓn nhanh vµ c¸c nhµ kü thuËt bê lµm viÖc däc theo c¸c bê níc n«ng ®· ®îc yªu cÇu gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò míi mÎ cho vïng biÓn s©u. Tõ ®ã mét lÜnh vùc tiÕp theo cña h¶i d¬ng häc ®· ®îc ®a vµo do nh÷ng yªu cÇu hiÓu biÕt c¸c qu¸ tr×nh trong vïng biÓn s©u. Mét trong nh÷ng thóc ®Èy ®Çu tiªn ph¸t triÓn kü thuËt biÓn kh¬i xuÊt ph¸t tõ c¸c c«ng ty dÇu khÝ. ThuËt ng÷ kü thuËt biÓn kh¬i ë ®©y cã thÓ hiÓu nh kü thuËt liªn quan t¬i c¸c c«ng viÖc kh«ng cã liªn kÕt trùc tiÕp víi ®Êt liÒn. Mét sè ngêi cßn gäi lµ kü thuËt ®¹i d¬ng, tuy nhiªn ®©y lµ mét lÜnh vùc míi nªn khã cã thÓ bµn ®Õn mét thuËt ng÷ thèng nhÊt. Sù thèng nhÊt thuËt ng÷ cã thÓ b¾t ®Çu tõ c¸c kÕt qu¶, vÝ dô, mét sè ký s hµng h¶i thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh ngoµi kh¬i, trong khi mét sè kh¸c l¹i thiÕt kÕ c¸c tr¹m ph¸t ®iÖn cho tµu. Ta ®Òu biÕt c¸c con tµu chuyÓn ®éng kh«ng cã liªn kÕt trùc tiÕp víi ®Êt liÒn nhng chóng kh«ng thuéc lÜnh vùc kü thuËt biÓn kh¬i mµ thuéc lÜnh vùc c¸c kü s ®ãng tµu. MÆt kh¸c c¸c t¸c ®éng cña tµu lªn c¸c c«ng tr×nh l¹i rÊt quan träng ®èi víi chóng ta. Nh÷ng ngêi lµm viÖc trong lÜnh vùc kü thuËt biÓn kh¬i cÇn ph¶i cã nh÷ng kiÕn thøc vÒ mét sè lÜnh vùc riªng. Nh÷ng nhµ thiÕt kÕ tµu, c¸c kü s c¬ khÝ cã thÓ cã ®ãng gãp ®¸ng kÓ cïng c¸c c¸c kü s x©y dùng trong lÜnh vùc kü thuËt biÓn khîi. HiÖn t¹i ë Delft, nh÷ng chuyªn ngµnh nµy ®ang cã sù hîp t¸c chÆt chÏ trong ch¬ng tr×nh liªn ngµnh kü thuËt biÓn kh¬i. 13
3 H¶i d¬ng häc W.W. Massie 3.1 Më ®Çu H¶i d¬ng häc lµ mét khoa häc nghiªn cøu ®¹i d¬ng. Con ngêi ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu ®¹i d¬ng trong nhiÒu thÕ kû qua. C«ng tíc L.F. Marsigli ®· viÕt ra mét trong nh÷ng quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ ®Ò tµi nµy, ®îc xuÊt b¶n n¨m 1725. B¶n dÞch sang tÕng Hµ Lan ®îc xuÊt b¶n n¨m 1786 vµ mét b¶n sao vÉn cßn lu gi÷ t¹i th viÖn §¹i häc Leiden. M.F. Maury, mét sü quan cña h¶i qu©n Hoa Kú, ®· viÕt quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ h¶i d¬ng häc hiÖn ®¹i vµo n¨m 1885 khi «ng ta lµm viÖc ë C¬ quan thuû v¨n h¶i qu©n. NhiÒu kÕt qu¶ cña «ng rót ra tõ c¸c quan tr¾c trªn tµu cã gi¸ trÞ rÊt lín; tÊt c¶ ®Òu ®îc gi¶i thÝch mét c¸ch rÊt hay, mÆc dÇu «ng kh«ng cã nh÷ng kiÕn thøc vÒ ®Þa vËt lý. C«ng tr×nh nghiªn cøu ®Çu tiªn vµ cã hÖ thèng vÒ ®¹i d¬ng ®îc H.M.S Challenger tiÕn hµnh. Con tµu nµy xuÊt ph¸t tõ Portsmouth, níc Anh vµo ngµy 21 th¸ng 12 n¨m 1872 vµ trong vßng 33 n¨m ®· cã mét hµnh tr×nh 100 000 kil«mÐt víi 50 tËp b¸o c¸o. §©y còng lµ lÇn ®Çu ®· chia h¶i d¬ng häc ra 4 lÜnh vùc hiÖn ®¹i: sinh häc, ho¸ häc, ®Þa chÊt vµ vËt lý. VËy vai trß quan träng cña h¶i d¬ng häc ®èi víi kü thuËt bê lµ g×? Chóng ta sÏ lÇn lît xem xÐt trong c¸c m« t¶ chi tiÕt sau ®©y vÒ c¸c lÜnh vùc nªu trªn. Sinh häc h¶i d¬ng Sinh häc h¶i d¬ng g¾n liÒn víi c¸c vËt chÊt sèng trong biÓn. C¸c kü s thuéc lÜnh vùc kü thuËt biÓn thêng Ýt khi ®èi mÆt trùc tiÕp víi c¸c vÊn ®Ò nµy, song c¸c nh©n tè sinh häc ®ãng mét vai trß gi¸n tiÕp quan träng. ViÖc c¸c sinh vËt b¸m vµo c«ng tr×nh còng nh c¸c t¸c ®éng m«i trêng lµ nh÷ng vÝ dô cô thÓ. Ho¸ häc h¶i d¬ng Ho¸ häc níc biÓn lµ mét vÊn ®Ò quan träng ®èi víi c¸c nhµ sinh häc biÓn, song nã cßn trë nªn quan träng h¬n ®èi víi c¸c kü s lµm viÖc víi c¸c c«ng tr×nh trong biÓn. C¸c vËt liÖu sö dông trong x©y dùng c«ng tr×nh biÓn cÇn d¸p øng yªu cÇu tr¬ trong níc biÓn vµ chÞu dùng ¸p suÊt cao ë ®é s©u. C¸c nhµ nghiªn cøu cÇn t×m ra c¸c vËt liÖu ®èi víi c¸c vïng níc s©u hµng tr¨m mÐt. Nh÷ng vÊn ®Ò ¨n mßn kim lo¹i còng sÏ trë nªn trÇm träng h¬n khi ®é s©u t¨ng. 14
§Þa chÊt h¶i d¬ng Nh÷ng nhµ ®Þa chÊt t×m kiÕm c¸c kho¸ng chÊt cã gi¸ trÞ th¬ng m¹i trªn ®¸y biÓn vµ díi biÓn lu«n t¹o ra c«ng ¨n viÖc lµm cho c¸c nhµ kü thuËt bê. Khi c¸c nhµ kü thuËt bê kh«ng th«ng th¹o lÜnh vùc ®Þa chÊt biÓn, hä nhÊt thiÕt ph¶i yªu cÇu c¸c nhµ ®Þa chÊt biÓn cung cÊp c¸c th«ng tin liªn quan tíi nÒn mãng c«ng tr×nh. VËt lý h¶i d¬ng C¸c nhµ vËt lý h¶i d¬ng cã lÏ thuéc lo¹i gÇn gièng nhÊt ®èi víi c¸c nhµ kü thuËt bê. C¶ hai lo¹i ngêi nµy ®Òu quan t©m tíi sãng, triÒu vµ c¸c vÊn ®Ò chung thuû ®éng lùc häc. Quan t©m ®èi víi sãng cã lÏ quan träng nhÊt ®èi víi hä. C¸c nhµ h¶i d¬ng häc cho r»ng sãng lµ mét vÊn ®Ò hãc bóa, cßn c¸c nhµ kü thuËt bê l¹i rót ra tõ ®©y nh÷ng vÊn ®Ò hÕt søc th¸ch thøc ®èi víi hä. Cïng víi viÖc x©y dùng c¸c c«ng tr×nh trªn biÓn s©u, c¸c nhµ kü thuËt bê l¹i ph¶i chó ý tíi nh÷ng vÊn ®Ò tríc ®©y chØ cã c¸c nhµ h¶i d¬ng häc vËt lý quan t©m ®ã lµ dßng ch¶y biÓn. 3.2 M« t¶ c¸c ®¹i d¬ng Mét sè m« t¶ tæng qu¸t c¸c ®Æc ®iÓm tù nhiªn cña c¸c ®¹i d¬ng sÏ gióp hiÓu biÕt dÔ h¬n c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc xuÊt hiÖn trong biÓn. H×nh 3.1. §êng ph©n bè tÝch luü diÖn tÝch ®¹i d¬ng theo ®é s©u theo Sverdrup H×nh 3.1 cho ta thÊy ph©n bè diÖn tÝch ®¹i d¬ng (%) theo ®é s©u. §é s©u trung b×nh vµo kho¶ng 3800 m vµ thÓ tÝch c¸c ®¹i d¬ng vµo kho¶ng 1370x1015 m3. Trong khi ®ã BiÓn B¾c cã ®é s©u trung b×nh 94 m vµ thÓ tÝch níc 0.054 x1015 m3. PhÇn n«ng nhÊt cña ®¹i d¬ng (7,6% diÖn tÝch tæng céng) ®îc gäi lµ thÒm lôc ®Þa. HiÖn nay c¸c nhµ kü thuËt bê ®· ®îc hái ®Õn nh÷ng vÊn ®Ò n»m trong miÒn tõ thÒm lôc ®Þa ®Õn bê dèc lôc ®Þa v× vËy hä cÇn hiÓu s©u thªm vÒ h¶i d¬ng häc. Giíi h¹n cña thÒm lôc ®Þa cña phÇn lín bê lôc ®Þa cã thÓ ®¹t tíi bÒ réng kho¶ng 1200 15
km. N¬i cã thÒm lôc ®Þa réng nhÊt thuéc B¾c b¨ng d¬ng, phÝa b¾c Xiberia, thÒm lôc ®Þa phøc t¹p nhÊt cã lÏ thuéc bê t©y Mü (bê ®«ng Th¸i B×nh D¬ng). §¹i d¬ng ®îc ph©n chia thµnh c¸c biÓn (bån) liªn kÕt víi nhau trong ®ã c¸c qu¸ tr×nh vËt lý h¶i d¬ng quan träng ®îc thÓ hiÖn râ nhÊt. Nh÷ng bån nµy cã ®é s©u tõ 3 ®Õn 5 km víi mét sè vïng s©u h¬n hoÆc n«ng h¬n. PhÇn lín nh÷ng biÕn ®éng cña ®¹i d¬ng xÈy ra trong líp níc trªn cïng cã ®é dµy 1 ®Õn 2 km. S©u h¬n cã thÓ xem ®ång nhÊt ®èi víi ®é muèi (35%0 - xem môc 3.6) vµ nhiÖt ®é (3 C - 4C). MÆt kh¸c dßng ch¶y trong líp níc nµy còng rÊt yÕu vµ cã thÓ cho b»ng 0. Trong môc tiÕp theo chóng ta sÏ ®Ò cËp tíi dßng ch¶y biÓn, cßn vÒ c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña níc biÓn sÏ ®îc ®Ò cËp riªng trong môc 3.6. 3.3 Dßng ch¶y giã ®¹i d¬ng Lùc c¬ b¶n g©y nªn dßng ch¶y chÝnh lµ giã t¸c ®éng lªn mÆt biÓn. C¸c dßng tÝn phong vµ dßng giã t©y ®· t¹o nªn c¸c dßng ch¶y híng vÒ phÝa t©y t¹i c¸c vïng vÜ ®é thÊp vµ ®i vÒ phÝa ®«ng trªn vÜ ®é cao. Cã thÓ m« t¶ ®iÒu nµy ®èi víi c¸c thµnh phÇn dßng ch¶y trªn khu vùc b¾c §¹i t©y d¬ng: Dßng ch¶y b¾c xÝch ®¹o ch¶y vÒ híng t©y tõ quÇn ®¶o Cap Verde vÒ phÝa biÓn Caribe. Mét phÇn dßng ch¶y ®i vµo biÓn ®ã vµ mét phÇn kh¸c ch¶y theo híng t©y- b¾c ë phÝa ®«ng quÇn ®¶o Caribe (dßng ch¶y Antilles) sau ®ã gÆp dßng Florida. Níc tho¸t khái biÓn Caribe gi÷a Florida vµ Cuba ®i vµo dßng ch¶y Florida. Dßng ch¶y Florida (thêng ®îc gäi lµ Gulf Stream) tiÕp tôc ch¶y vÒ híng b¾c däc bê b¾c Mü ®Õn kho¶ng vÜ ®é 45N th× quay vÒ híng ®«ng vµ h×nh thµnh nªn dßng ch¶y b¾c §¹i t©y d¬ng. Mét nh¸nh cña dßng nµy quay vÒ híng nam, däc bê Bå ®µo nha, t¹o nªn dßng ch¶y Canary vµ kÕt thóc dßng ch¶y khÐp kÝn. HÖ dßng ch¶y t¬ng tù cã thÓ thÊy ®èi víi nam §¹i t©y d¬ng còng nh c¸c ®¹i d¬ng kh¸c. Nh÷ng dßng ch¶y ®«ng-t©y nh trªn t¬ng øng víi c¸c vÜ tuyÕn cã giã thèng trÞ. C¸c dßng ch¶y híng b¾c vµ nam ®¶m b¶o sù c©n b»ng khèi lîng níc. Lµm thÕ nµo mµ giã cã thÓ g©y nªn dßng ch¶y ®«ng – t©y? C©u hái nµy sÏ ®îc gi¶ ®¸p trong phÇn cuèi cña ch¬ng nµy, nhng tríc hÕt cÇn xem xÐt c©n b»ng cña c¸c dßng ch¶y trong ®¹i d¬ng. 3.4 §éng lùc dßng ch¶y ®¹i d¬ng Sù c©n b»ng quen thuéc gi÷a lùc träng trêng vµ lùc ma s¸t m« t¶ b»ng ph¬ng tr×nh Chezy ®· ®îc sö dông réng r·i trong m« pháng dßng ch¶y trong s«ng kh«ng thÓ sö dông ®îc cho ®¹i d¬ng. Bëi v× ®¹i d¬ng thêng rÊt s©u vµ vËn tèc dßng ch¶y l¹i rÊt bÐ (nhá h¬n 1 m/s), lùc ma s¸t trë nªn kh«ng quan träng. MÆt kh¸c, c¸c dßng ch¶y ®¹i d¬ng lan truyÒn trªn mét kho¶ng c¸ch dµi trªn bÒ mÆt cña qu¶ ®Êt quay, nªn mét lùc kh¸c- lùc Coriolis trë nªn quan träng. 16
Cho r»ng dßng ch¶y chuyÓn ®éng víi vËn tèc kh«ng ®æi däc theo ®êng th¼ng (®êng th¼ng ë ®©y cã nghÜa lµ däc theo vßng trßn chÝnh t©m). Gia tèc Coriolis t¸c ®éng lªn mét ®¬n vÞ khèi lîng níc sÏ lµ: (3.01) ac = 2  sin  V trong ®ã: ac - gia tèc Coriolis  - vËn tèc quay cña qu¶ ®Êt = 0,729.10-4 1/s V - vËn tèc dßng ch¶y, vµ  - vÜ ®é ®Þa lý. Gia tèc nµy (hoÆc lùc t¸c ®éng lªn mét ®¬n vÞ khèi lîng) theo híng vÒ phÝa ph¶i do víi híng chuyÓn ®éng ë b¾c b¸n cÇu (theo híng ngîc l¹i ®èi víi nam b¸n cÇu). NÕu nh dßng ch¶y theo híng ®êng trßn chÝnh t©m th× gia tèc tæng céng vu«ng gãc víi dßng sÏ b»ng zero. Gia tèc Coriolis sÏ bÞ c©n b»ng bëi gradient cña ¸p suÊt. Gradient ngang cña ¸p suÊt còng cã híng vu«ng gãc víi dßng ch¶y vµ t¸c ®éng ngîc híng víi gia tèc Coriolis. Sù c©n b»ng cña hai thµnh phÇn Êy sÏ lµ: 1 p (3.02)  2 sin V  n trong ®ã: mËt ®é cña níc, vµ  p gradient ngang ¸p suÊt vu«ng n gãc víi dßng ch¶y. Sù kh¸c nhau vÒ mËt ®é kh«ng ®ñ ®Ó g©y nªn gradient ¸p suÊt ®ã, chÝnh ®é nghiªng cña mÆt biÓn ®· t¹o ra sù c©n b»ng ®ã. Nh vËy cã sù chªnh lÖc vÒ mùc níc gi÷a c¸c vïng kh¸c nhau cña ®¹i d¬ng. Cã thÓ chøng minh ®iÒu nµy b»ng c¸ch tÝnh sù chªnh lÖch mùc níc gi÷a hai bê eo Florida (theo híng vu«ng gãc víi dßng Florida). VÜ tuyÕn cña khu vùc lµ 26N, dßng ch¶y cã vËn tèc trung b×nh 1.0 m/s, vµ bÒ réng eo biÓn kho¶ng 80 km. 1  m  ( 2)(0,729.10  4 )(sin 26 o )(1,0)  6,4.10 5 2  n s Trªn kho¶ng c¸ch 80 km sù chªnh lÖc mùc níc sÏ lµ: 6,4.10 5  80.10 3  52.10  2 z  m 9,81 Gi¸ trÞ nµy t¬ng øng sè liÖu ®o ®¹c thùc tÕ kho¶ng 45 cm. Dßng ch¶y theo c¸ch tÝnh to¸n nh trªn thêng ®îc gäi lµ dßng ®Þa chuyÓn. 17
Mét kÕt qu¶ kh¸ thó vÞ, (nhng kh«ng thËt quan träng ®èi víi h¶i d¬ng häc) cã thÓ thu ®îc nÕu cho dßng ch¶y quay víi gi¶ thiÕt r»ng gradient ngang cña ¸p suÊt b»ng 0. Trong trêng hîp ®ã, gia tèc Coriolis sÏ c©n b»ng víi gia tèc ly t©m V2 (3.03a)  2 sin V r V  2 sin  (3.03b) r trong ®ã r lµ b¸n kÝnh cong. C¸c dßng ch¶y d¹ng nµy chØ cã kh¶ n¨ng lµm lÖch mét sè quan tr¾c h¶i d¬ng, nhng trong mét sè trêng hîp cã thÓ g©y nhiÔu ®éng. Nh÷ng dßng ch¶y nµy ®· g©y nªn mét sè vÊn ®Ò kh¸ trÇm träng ®èi víi sù thÝch øng cña m« h×nh thuû lùc t¹i mét phßng thÝ nghiÖm cña Hoa Kú mÊy n¨m vÒ tríc. Mét bån trô cã ®êng kÝnh 4 m ®îc cho níc ®Çy vµo buæi tèi vµ ®Ó qua ®ªm. S¸ng sím c¸c nhµ nghiªn cøu nhËn thÊy níc trong bån chuyÓn ®éng. V× phßng thÝ nghiÖm n»m trªn vü tuyÕn 45N, vËn tèc ®o ®îc vµo kho¶ng 0,2 mm/s. Dßng ch¶y nµy, ®óng nh m« t¶, kh«ng phô thuéc vµo ®é s©u, bëi v× ma s¸t ®· kh«ng ®îc kÓ ®Õn. §iÒu nµy kh«ng cã ý nghÜa quan träng ®èi víi biÓn vµ ®¹i d¬ng, tuy tríc ®©y còng cã ®Ò cËp tíi lo¹i dßng ch¶y nµy trong líp níc trªn 1-2 km, ®Æc biÖt khi chóng ta tiÕp tôc xem xÐt c¸c dßng ®Þa chuyÓn vµ giã t¸c ®éng lªn mÆt biÓn. 3.5 Dßng ch¶y tr«i Ekman Nansen (1902) ®· m« t¶ c¸c quan tr¾c cña m×nh vÒ hiÖn tîng b¨ng tr«i trªn B¾c B¨ng d¬ng. ¤ng ta nhËn thÊy r»ng b¨ng trªn mÆt biÓn kh«ng chuyÓn ®éng theo híng giã, mµ bÞ lÖch mét gãc tõ 20 ®Õn 40. Nansen gi¶i thÝch hiÖn tîng nµy b»ng hiÖu øng Coriolis, vµ cho r»ng dßng ch¶y t¹i c¸c líp s©u h¬n do t¸c ®éng cña øng suÊt ph©n líp sÏ cã híng lÖch h¬n dÇn vÒ bªn ph¶i. Theo yªu cÇu cña Nansen, Ekman ®· nghiªn cøu hiÖn tîng nµy b»ng ph¬ng ph¸p to¸n häc. C¸c kÕt cña cña Ekman c«ng bè n¨m 1902 sÏ kh«ng ®îc tr×nh bµy díi ®©y. Chóng t«i chØ dÉn ra c¸c quan ®iÓm xuÊt ph¸t vµ c¸c kÕt qu¶ chÝnh. C«ng tr×nh nghiªn cøu ®èi víi biÓn s©u v« h¹n, giã thæi æn ®Þnh vÒ híng vµ vËn tèc ®ång nhÊt trªn mÆt biÓn. MÆt biÓn ®îc xem nh mÆt ph¼ng ngang vµ chØ cã lùc t¸c ®éng duy nhÊt lµ øng suÊt giã. Trong trêng hîp tr¹ng th¸i dõng (kh«ng cã gia tèc) cã thÓ viÕt:  z  2u (3.05)  2 sin  .v  z 2  z  2v  2 sin  .u (3.06)  z 2 trong ®ã: 18
u thµnh phÇn vËn tèc ngang theo trôc x tthµnh phÇn vËn tèc ngang theo híng y v z trôc to¹ ®é theo ph¬ng th¼ng ®øng tÝnh tõ mÆt biÓn (+ ®i lªn), vµ hÖ sè nhít rèi theo ph¬ng th¼ng ®øng. z C¸c triÓn khai to¸n häc ®· ®îc Neuman vµ Pierson (1966) tiÕn hµnh sau nµy. Hä gi¶ thiÕt r»ng giã chØ thæi theo híng trôc y, øng suÊt trªn mÆt biÓn sÏ lµ: dV  S   z (3.07) z0 dt t¸c ®éng theo trôc y. KÕt qu¶ cho lêi gi¶i nh sau  z   u  VS e D cos 45 o  z  (3.08) D    z  v  VS e D sin  45 o  z  (3.09) D  cho ta c¸c thµnh phÇn cña vËn tèc ngang t¹i c¸c ®é s©u z kh¸c nhau khi biÕt vËn tèc trªn mÆt vµ D. z D  (3.10)  sin   Vs  (3.11) 2 D sin  Ekman ®· gäi D lµ ®é s©u ¶nh hëng cña ma s¸t; ®é s©u mµ trªn ®ã ®é nhít rèi cã vai trß quan träng. T¹i ®é s©u nµy vËn tèc dßng ch¶y vµo kho¶ng 1/23 gi¸ trÞ trªn mÆt biÓn vµ híng theo chiÒu ngîc l¹i. §iÒu nµy phï hîp víi gi¶ thiÕt cña Hansen ®· nªu tríc ®©y. Th«ng thêng D vµo kho¶ng 50 mÐt, song t¨ng rÊt nhanh ®Õn v« cïng t¹i xÝch ®¹o. Thay gi¸ trÞ z = 0 vµo c¸c c«ng thøc (3.08) vµ (3.09) chóng ta thu ®îc híng cña vËn tèc trªn mÆt t¹o mét gãc 45 vÒ bªn ph¶i so víi híng giã (trªn phÝa b¾c b¸n cÇu). §Ó dÔ dµng h×nh dung ph©n bè kh«ng gian cña vËn tèc chóng ta cã thÓ sö dông to¹ ®é cùc  z (3.12) V  VS e D    45 0  z (3.13) D Theo ®ã vËn tèc V gi¶m theo hµm mò tù nhiªn víi ®é s©u vµ gãc gi÷a híng giã vµ dßng t¨ng tuyÕn tÝnh theo ®é s©u theo híng kim ®ång hå. Gi¸ trÞ vµ híng 19
cña lu lîng níc tæng céng thu ®îc b»ng c¸ch tÝch ph©n 3.08 vµ 3.09 tõ z = - ®Õn z = 0. VD qx  S (3.14) 2 qy  0 (3.15) trong ®ã qx vµ qy lµ thÓ tÝch níc ®i qua mét ®¬n vÞ bÒ réng. Dßng tæng céng cã híng vu«ng gãc víi híng giã trªn mÆt biÓn. Nh÷ng ®iÒu nªu trªn cã vÎ kh«ng cã lîi Ých g× ®èi víi c¸c nhµ kü thuËt bê. Tuy nhiªn ®¹i d¬ng lu«n cã bê, cã ®é nghiªng cña ®¸y, cã ®é s©u h÷u h¹n v× vËy cã thÓ ®iÒu nµy sÏ gióp bíc ®Çu gi¶i quyÕt bµi to¸n níc d©ng. Dù b¸o níc d©ng lµ mét vÊn ®Ò hÕt søc quan träng ®Æc biÖt díi gãc ®é tµn ph¸ cña hiÖn tîng nµy. Eckman (1905) ®· xem xÐt trêng hîp biÓn cã ®é s©u h÷u h¹n. KÕt qu¶ quan träng thu ®îc lµ: S  Λ (3.16) gh trong ®ã: ®é nghiªng cña mÆt biÓn h ®é s©u, vµ  hÖ sè. z Gi¸ trÞ cña hÖ sè nµy biÕn ®æi tõ 1 ®èi víi ®é s©u rÊt lín ( h >> ) vµ 1,5  sin  ®èi víi vïng níc n«ng khi ¶nh hëng cña lùc Coriolis kh«ng ®¸ng kÓ. Theo Neumann vµ Pierson (1966) lùc Coriolis cã thÓ bá qua ®èi víi c¸c vÊn ®Ò níc d©ng do giã khi híng cña gradient mÆt cùc ®¹i kh«ng lÖch qu¸ 10 ®èi víi híng giã. Tuy nhiªn, nÕu nh ®é s©u cña níc biÕn ®æi (®iÒu nµy hoµn toµn tù nhiªn) vµ ¶nh hëng cña níc d©ng do b·o lªn ®é s©u ®· ®îc kÓ ®Õn th× chóng ta cÇn tÝnh lùc tæng céng theo: dz '  z  (3.17) dx gz ' trong ®ã z’ ®é s©u tÝnh tõ mÆt biÓn thùc t¹i. ViÖc gi¶i bµi to¸n nµy vît qu¸ yªu cÇu cña bµi gi¶ng nµy, Hansen (1956) vµ Harris (1963) ®· ®a ra mét tiÕp cËn vÊn ®Ò nµy. 3.6 C¸c tÝnh chÊt vËt lý cña níc ®¹i d¬ng TÝnh chÊt vËt lý quan träng nhÊt cña níc biÓn, theo quan ®iÓm kü thuËt bê, lµ mËt ®é. MËt ®é cña níc lµ mét hµm cña 3 biÕn: ®é muèi, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. Trong ®ã ¶nh hëng cña ¸p suÊt cã thÓ xem lµ kh«ng ®¸ng kÓ, ngo¹i trõ c¸c ®iÒu kiÖn ®é s©u lín, vÝ dô trªn 500 m. 20
Kh¸c víi níc tinh khiÕt, phÇn lín níc biÓn cã mËt ®é t¨ng lªn khi nhiÖt ®é gi¶m ®Õn nhiÖt ®é ®ãng b¨ng. §¹i bé phËn níc biÓn cã ®é muèi biÕn ®æi tõ 34 ®Õn 36%o (phÇn ngµn theo träng lîng). §èi víi biÓn Baltic ®é muèi cã thÓ cã lóc díi 7%o. BiÓn Hång h¶i ngîc l¹i cã ®é muèi tíi 41%o. VÊn ®Ò phøc t¹p ë chç mèi phô thuéc cña mËt ®é vµo nhiÖt ®é vµ ®é muèi kh«ng hÒ ®¬n gi¶n. Fisher, Williams and Dial (1970) ®· c«ng bè mét ph¬ng tr×nh thùc nghiÖm ®èi víi thÓ tÝch riªng, v. Ph¬ng tr×nh ®ã lµ: K3 v  v   K1 S  (3.18) K4  K2S  p trong ®ã: K1 lµ hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é cã thø nguyªn cm3/(g.%o), K2 lµ hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é víi thø nguyªn bar/%o (1 bar b»ng 106 dyn/cm5 t¬ng øng ¸p suÊt 105 Pa = 105 N/m2 hay vµo kho¶ng 0,987 atmospher) K3 hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é cã thø nguyªn bar cm3/g, K4 hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é cã thø nguyªn bar, p’ lµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi (bar), S ®é muèi (%o), v thÓ tÝch riªng (cm3/g), vµ v lµ hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é cã thø nguyªn cm3/g. C¶ 5 hÖ sè K1,K2,K3,K4 vµ v ®Òu phô thuéc vµo nhiÖt ®é, T (C), theo ph¬ng tr×nh ®a thøc trong d¹ng: N j  a jT (3.19) j 0 C¸c hÖ sè aj ®èi víi ph¬ng tr×nh ®a thøc ®îc dÉn ra trong b¶ng 3.1. Ph¬ng tr×nh 3.18 ®îc sö dông cho c¸c kho¶ng giíi h¹n sau ®©y: -2  < T < 100; 0 < p’ < 1000 bar; 0 < S < 50%o. Nh÷ng ®Æc ®iÓm nµy ®· lµm cho ph¬ng tr×nh 3.18 trë nªn th«ng dông hiÖn nay. Trong b¶ng 3.2 dÉn ra gi¸ trÞ cña c¸c hÖ sè ®èi víi ph¬ng tr×nh 3.18 ®îc ®¸nh gi¸ cho thang nhiÖt ®é kh¸c khau sö dông b¶ng 3.1 vµ ph¬ng tr×nh 3.19. MËt ®é cña níc (kg/m3) cã thÓ x¸c ®Þnh tõ thÓ tÝch riªng tÝnh theo 3.18 nh sau:  = (1/v).103 (3.20) trong ®ã  lµ mËt ®é víi thø nguyªn kg/m3. 21