Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 9

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu những hệ thống Phân tầng 9.1 Giới thiệu Có những khu vực trong các cửa sông và nước ven bờ có thể xác định là 'phân tầng' bởi vì ở đó tồn tại chênh lệch mật độ rất rõ ràng giữa nước nổi trên mặt và lớp nằm bên dưới. Chênh lệch mật độ có thể do nước mặt có tỉ lệ nước ngọt lớn hơn nước tại các độ sâu, hoặc cách khác, nước mặt có thể tương đối ấm. Trong nhiều trạng thái, những biến đổi mật độ theo độ sâu có thể kiểm soát bởi...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 9

Ch¬ng 9. Nghiªn cøu nh÷ng hÖ thèng Ph©n tÇng 9.1 Giíi thiÖu Cã nh÷ng khu vùc trong c¸c cöa s«ng vµ níc ven bê cã thÓ x¸c ®Þnh lµ 'ph©n tÇng' bëi v× ë ®ã tån t¹i chªnh lÖch mËt ®é rÊt râ rµng gi÷a níc næi trªn mÆt vµ líp n»m bªn díi. Chªnh lÖch mËt ®é cã thÓ do níc mÆt cã tØ lÖ níc ngät lín h¬n níc t¹i c¸c ®é s©u, hoÆc c¸ch kh¸c, níc mÆt cã thÓ t¬ng ®èi Êm. Trong nhiÒu tr¹ng th¸i, nh÷ng biÕn ®æi mËt ®é theo ®é s©u cã thÓ kiÓm so¸t bëi c¶ thay ®æi ®é mÆn lÉn nhiÖt ®é. H×nh 9.1 Biªn h×nh thµnh bëi dßng ch¶y ra cña níc nhiÔm mÆn tõ cöa s«ng Teign, T©y Nam níc Anh. (®îc sù ®ång ý cña Gi¸o s K.R. Dyer, ViÖn cña Nghiªn cøu BiÓn, Trêng ®¹i häc Plymouth) Trong cöa s«ng, sù gi¶m ®é mÆn cña níc mÆt cã thÓ do viÖc th©m nhËp tù nhiªn cña níc ngät tõ s«ng chÝnh hoÆc nh÷ng s«ng nh¸nh cña nã. Ngoµi ra, ®é mÆn cña líp trªn nhiÔm mÆn cã thÓ bÞ ¶nh hëng bëi lu lîng tõ nh÷ng r·nh tiªu ®ång ruéng hoÆc nguån níc th¶i. Cöa s«ng thÓ hiÖn sù thay ®æi ®é mÆn rÊt râ rµng t¹i ®é s©u nµo ®ã, ®îc coi nh hiÖn th©n cña 'nªm mÆn'. Tuy nhiªn nh÷ng hÖ thèng cöa s«ng ®ã, nh nh÷ng fio, s©u ®Õn nçi dßng triÒu ch¶y rÊt yÕu theo mét c¸ch kh¸c víi nh÷ng hÖ thèng nªm mÆn vµ ®îc ph©n lo¹i kiÓu 'fio'. Khi triÒu xuèng, níc bÞ h·m trong cöa s«ng trong thêi gian triÒu lªn trë nªn tù do lan truyÒn trªn líp níc mÆn h¬n cña biÓn hë. Nã t¹o ra 274
trêng dßng ch¶y ®Æc trng cã thÓ nh×n thÊy nh mét khu vùc mÞn cña biÓn cã mét biªn râ rÖt so víi níc th« h¬n cña vïng ven bê (h×nh 9.1). H×nh 9.2 VÞ trÝ cña nh÷ng front nhiÖt (®¸nh dÊu tõ A ®Õn E) trong níc thñy triÒu cña biÓn Ai len vµ English Channel. (Theo Simpson vµ nnk., 1977, cã sù cho phÐp) Nh÷ng chªnh lÖch nhiÖt ®é theo ®é s©u cã thÓ h×nh thµnh bëi viÖc lµm Êm níc gÇn bÒ mÆt do bøc x¹ mÆt trêi, dÉn ®Õn sù k×m h·m x¸o trén th¼ng ®øng. §é næi h·m níc Êm ë khu vùc gÇn mÆt níc vµ x¸o trén do giã/sãng cã thÓ t¹o ra mét líp níc t¬ng ®èi ®ång nhÊt cã mËt ®é thÊp n»m trªn mét líp s©u h¬n, l¹nh h¬n. Trong nh÷ng biÓn n«ng, kh«ng bÞ ¶nh hëng cña níc ngät nhËp vµo, nh÷ng dßng thñy triÒu ®Èy m¹nh x¸o trén vµ nÕu cã ®ñ n¨ng lîng rèi, th× ph©n bè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é cã thÓ tr¶ l¹i sù ®ång nhÊt cho toµn bé ®é s©u cét níc. Sù kh¸c nhau t¬ng ®èi gi÷a ®é næi do n¨ng lîng nhiÖt tõ mÆt trêi vµ n¨ng lîng x¸o trén b¾t nguån tõ dßng triÒu x¸c ®Þnh níc cã trë nªn ph©n tÇng hay kh«ng. Nh÷ng biÕn ®æi kh«ng gian cña cêng ®é dßng triÒu x¸c ®Þnh nh÷ng vÞ trÝ mµ t¹i ®ã níc x¸o trén m¹nh n»m kÒ bªn níc ph©n tÇng vµ däc theo nh÷ng biªn nh vËy cã thÓ h×nh thµnh c¸c front nhiÖt (h×nh 9.2), ®îc nhËn thÊy râ rµng nh nh÷ng l¸t máng t¬ng ®èi mÞn. 275
Mét ®Æc tÝnh quan träng cña nh÷ng hÖ thèng ph©n tÇng lµ hiÖu qu¶ cña chóng trong viÖc h¹n chÕ vËn chuyÓn lªn trªn cña ®éng n¨ng rèi ph¸t sinh bëi ma s¸t ®¸y. Díi nh÷ng nh÷ng ®iÒu kiÖn ph©n tÇng, sù ph¸t t¸n c¸c chÊt trong níc mÆt trë nªn phô thuéc vµo rèi, ph¸t sinh bëi nh÷ng bÊt æn ®Þnh t¹i mÆt ph©n c¸ch mËt ®é hoÆc bëi øng suÊt giã vµ sãng vì trªn mÆt níc. HiÖu øng kh¸c cña ph©n tÇng m¹nh lµ sù truyÒn ®éng lîng xuèng díi bÞ ng¨n chÆn m·nh liÖt, nh vËy lµm cho líp trªn sÏ dÔ dµng dÞch chuyÓn h¬n bëi øng suÊt giã trªn mÆt níc. Tr¹ng th¸i nµy t¬ng tù nh khi ®æ kem lªn mÆt níc cµ phª; sù thæi nhÑ nhµng cã thÓ lµm cho ®èm loang cña kem chuyÓn ®éng trong cèc bëi v× cã ma s¸t nhá gi÷a kem vµ cµ phª. Mét hÖ qu¶ thø ba cña ph©n tÇng lµ träng lùc cã thÓ lµm cho líp níc mÆt lan truyÒn trªn líp dÇy ®Æc h¬n ë díi, lµm cho líp ®ã máng ®i cho ®Õn khi ®¹t ®Õn mét ®iÓm mµ t¹i ®ã lùc nµy trë nªn kh«ng ®¸ng kÓ so víi c¸c lùc kh¸c, nh søc c¶n ma s¸t t¹i mÆt ph©n c¸ch vµ do dao ®éng mÆt níc thñy triÒu. Sù lan réng nµy t¬ng tù nh sù lan réng ban ®Çu cña kem rãt lªn mÆt níc cµ phª, hoÆc sù lan réng cña chÊt láng khi trµn ra trªn mÆt bµn. Ch¬ng nµy kh¶o s¸t hiÖu øng ph©n tÇng m¹nh lªn sù ph¸t t¸n trong nh÷ng hÖ thèng biÓn. §Çu tiªn, nh÷ng ®Æc trng cña dßng ch¶y ph©n tÇng ®îc xÐt chi tiÕt. Sau ®ã nh÷ng qu¸ tr×nh ph¸t t¸n trong cöa s«ng nªm mÆn lÉn nh÷ng fio ®Òu ®îc kh¶o s¸t, cã sö dông thùc nghiÖm hiÖn trêng ®Ó minh häa nhiÒu ®Æc tÝnh kh¸c nhau. Nh÷ng khÝa c¹nh ph¸t t¸n trong dßng ch¶y ra cña cöa s«ng ®îc tãm lîc vµ tÇm quan träng cña giai ®o¹n nµy trong ph¸t t¸n cöa s«ng ®îc thÓ hiÖn b»ng viÖc ®¸nh gi¸ nång ®é cña chÊt « nhiÔm t¹i ®¸y biÓn. Sù chuyÓn ®éng liªn tiÕp vµ sù ph¸t t¸n cña níc nhiÔm mÆn ph¸t ra tõ cöa s«ng sÏ ®îc th¶o luËn vµ cuèi cïng lµ xem xÐt sù h×nh thµnh nh÷ng front. 9.2 nh÷ng fio vµ cöa s«ng Nªm mÆn 9.2.1 C¸c ®Æc tÝnh cña cöa s«ng nªm mÆn Khi níc ngät ch¶y vµo mét cöa s«ng lµ lín vµ dßng triÒu lµ yÕu, mét sù kh¸c biÖt râ rÖt vÒ ®é mÆn cã thÓ xuÊt hiÖn gi÷a líp trªn vµ líp thÊp h¬n. Sù kh¸c nhau nµy xuÊt hiÖn v× n¨ng lîng rèi tõ dßng triÒu kh«ng ®ñ ®Ó x¸o trén mét c¸ch ®¸ng kÓ níc mÆn víi níc cã nguån gèc s«ng. NÕu kh«ng cã ma s¸t gi÷a nh÷ng líp cao h¬n vµ thÊp h¬n, mÆt ph©n c¸ch ph¶i n»m ngang vµ tr¶i réng lªn thîng lu cho ®Õn khi nã ch¹m ®¸y s«ng ®ang cao dÇn lªn. Trong thùc tÕ, mét Ýt ma s¸t t¹i mÆt ph©n c¸ch lµm cho nã nghiªng xuèng díi vÒ híng thîng lu, nh vËy h×nh thµnh x©m nhËp mÆn theo d¹ng h×nh nªm (h×nh 9.3). Mét ph©n bè vËn tèc tiªu biÓu trung b×nh thñy triÒu trªn mét mÆt ph¼ng c¾t qua chiÒu réng cöa s«ng minh häa sù ®ång nhÊt cña vËn tèc mÆt níc ®Õn ®é s©u cña mÆt ph©n c¸ch ®é mÆn, t¹i ®ã híng dßng ch¶y ®¶o ngîc. Ph©n bè cña muèi xÊp xØ ®ång nhÊt trong mçi líp, nh÷ng kh¸c nhau tiªu biÓu kho¶ng 20,0 gi÷a c¸c líp, nh ®îc minh häa b»ng vÝ dô cöa s«ng Duwamish ch¶y vµo Puget Sound t¹i Seattle (Partch vµ Smith, 1978). Trong nh÷ng hÖ thèng ®ñ lín ®Ó lùc Coriolis trë nªn ®¸ng kÓ vµ kh«ng bÞ ¶nh hëng bëi nh÷ng chç uèn cong, mÆt ph©n c¸ch mËt ®é cã xu híng dèc nghiªng xuèng phÝa bªn ph¶i nh×n ra phÝa biÓn; ®é dèc cã gãc ngîc l¹i trong nam b¸n cÇu. 276
Mét ®Æc tÝnh cña hÖ thèng nªm mÆn lµ gradient mËt ®é lín t¹i mÆt ph©n c¸ch ng¨n chÆn rÊt m¹nh rèi th¼ng ®øng, nh vËy lµm gi¶m x¸o trén qua mÆt ph©n c¸ch xuèng mét møc rÊt thÊp. Tuy nhiªn, nÕu vËn tèc t¬ng ®èi cña líp mÆt níc so víi líp thÊp h¬n vît qu¸ mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh, bÊt æn ®Þnh cã thÓ xuÊt hiÖn t¹i mÆt ph©n c¸ch, t¹o ra sù dÞch chuyÓn híng lªn trªn cña muèi tõ nªm mÆn. H×nh 9.3 H×nh d¹ng ®Æc trng cña x©m nhËp mÆn trong mét cöa s«ng nªm mÆn Sù dÞch chuyÓn nµy cña muèi lµ qu¸ tr×nh mét chiÒu, trong ®ã kh«ng cã chuyÓn ®éng xuèng díi t¬ng øng cña níc ngät, vµ ®îc ph©n lo¹i nh sù cuèn theo. Trong c¸c cöa s«ng s©u, chuyÓn ®éng trong líp thÊp h¬n sÏ cã vÎ ®Æc biÖt chËm bëi v× diÖn tÝch mÆt c¾t lín vµ vËn tèc t¬ng ®èi sau ®ã chñ yÕu do søc m¹nh cña dßng ch¶y s«ng. Díi nh÷ng ®iÒu kiÖn dßng ch¶y níc ngät lín, c¸c cöa s«ng nh vËy cã thÓ lÖ thuéc vµo sù cuèn theo ®¸ng kÓ cña muèi tõ líp thÊp h¬n vµo trong dßng ch¶y mÆt ®ang chuyÓn ®éng vÒ phÝa biÓn. Nh÷ng quan tr¾c chØ ra r»ng ®é mÆn t¹i mÆt níc t¨ng vÒ phÝa biÓn trong khi ®é mÆn cña líp thÊp h¬n l¹i khã biÕn ®æi. H¬n n÷a, qu¸ tr×nh cuèn theo t¹o ra sù t¨ng thÓ tÝch vÒ phÝa biÓn vµ ®iÒu nµy ®¹t ®îc do vËn tèc dßng ch¶y t¨ng lªn chø kh«ng ph¶i líp mÆt xuèng s©u h¬n. §Ó duy tr× sù c©n b»ng thÓ tÝch cña hÖ thèng, tæn thÊt níc tõ líp thÊp h¬n bëi sù cuèn theo ®îc ®Òn bï b»ng mét chuyÓn ®éng chËm vÒ phÝa ®Êt cña níc tõ biÓn. Qu¸ tr×nh cuèn theo nµy ®îc minh häa trong h×nh 9.4. C¬ chÕ minh häa thÓ hiÖn ®iÒu kiÖn trung b×nh thñy triÒu, vµ nã chång lªn chuyÓn ®éng lªn xuèng cña thñy triÒu. Nh÷ng quan tr¾c ®· ®Ó lé ra r»ng, mét vµi cöa s«ng chØ cho thÊy nh÷ng ®Æc trng nªm mÆn thùc sù khi triÒu lªn vµ thÓ hiÖn nh c¸c hÖ thèng x¸o trén khi triÒu xuèng. Bëi vËy, nh÷ng khÝa c¹nh nµy ®îc xÐt riªng rÏ trong nh÷ng môc sau. 277
9.2.2 ChuyÓn ®éng khi triÒu lªn trong cöa s«ng nªm mÆn Nh÷ng kh¶o s¸t trong phßng thÝ nghiÖm ®· chØ ra mét nªm mÆn cã thÓ h×nh thµnh vµ dÞch chuyÓn díi mét líp næi h¬n ra sao. §Ó minh häa nh÷ng hiÖu øng xuÊt hiÖn, cã thÓ thö nghiÖm b»ng mét thùc nghiÖm ®¬n gi¶n lµ ®Æt mét thïng h×nh ch÷ nhËt víi mét v¸ch ch¾n th¼ng ®øng ng¨n níc ngät víi dung dÞch muèi, ®é s©u cña chÊt láng lµ nh nhau ë hai phÝa cña v¸ch ng¨n (h×nh 9.5). Khi rót nhÑ v¸ch ng¨n, cét níc cã ¸p suÊt lín h¬n t¹i phÝa mÆn cña thïng ®Èy dung dÞch muèi xuèng díi níc ngät, vµ ®Ó duy tr× tÝnh liªn tôc thÓ tÝch, mét dßng ch¶y bï mang níc ngät ch¶y trªn dßng x©m nhËp mÆn. H×nh 9.4 Hoµn lu cuèn theo trong mét hÖ thèng nªm mÆn. (Theo Bowden, 1967) Bëi v× mét tr¹ng th¸i t¬ng tù xuÊt hiÖn khi më cöa cèng cho phÐp x¸o trén níc cã mËt ®é kh¸c nhau, nh÷ng kh¶o s¸t ®îc nãi ®Õn nh vËy gäi lµ thùc nghiÖm ‘th«ng thuû’ (Turner, 1973: tr. 70). MÆc dÇu sù trao ®æi níc muèi vµ níc ngät chØ kÐo dµi mét vµi gi©y, thùc nghiÖm nµy cho thÊy r»ng nh÷ng sãng h×nh thµnh trªn mÆt ph©n c¸ch mËt ®é vµ ph¶n x¹ l¹i mÐp thïng khi chóng trë nªn bÞ ph¸t t¸n bëi ma s¸t ra sao. NhiÒu thùc nghiÖm th«ng thuû ®îc kiÓm so¸t ®· ®îc thiÕt lËp trong phßng thÝ nghiÖm (Simpson, 1997: tr. 140 -55). HiÖu øng cña ma s¸t biªn lªn d¹ng x©m nhËp mÆn ®îc thÓ hiÖn bëi mét thùc nghiÖm thiÕt kÕ ®Æc biÖt. Trong thùc nghiÖm nµy, níc ®îc b¬m vµo mét thïng kÝnh cã thµnh ®øng song song ë mét møc æn ®Þnh. Mét phÇn cña ®¸y thïng cã mét vµnh ®ai b¨ng t¶i linh ho¹t cã thÓ chuyÓn ®éng víi cïng vËn tèc nh níc ®i vµo, nh vËy lo¹i trõ søc c¶n ma s¸t lªn dßng ch¶y (h×nh 9.6). Mét dung dÞch muèi ®îc liªn tôc ®a vµo t¹i ®iÓm h¹ lu cña thïng t¹i ®¸y, nh vËy cho phÐp níc thõa vît qua ®Ønh. VËn tèc dßng ch¶y vµ sµn ®îc ®iÒu chØnh cho ®Õn khi ranh giíi chñ ®¹o cña x©m nhËp mÆn ®¹t ®îc vµ dõng ngay lËp tøc t¹i h¹ lu cña sµn chuyÓn ®éng. Thùc nghiÖm nµy t¹o ra nªm mÆn nh ®îc minh häa trong h×nh 9.6 (a), cho thÊy sù h×nh thµnh cña nh÷ng sãng cuén lªn mÆt ph©n c¸ch mËt ®é. NÕu sµn ®îc cè ®Þnh theo toµn bé ®é dµi cña thïng ®Ó ma s¸t ¶nh hëng lªn chuyÓn ®éng cña dung dÞch muèi, th× sù h×nh thµnh sãng 278
cuén bÞ chÆn l¹i vµ nªm mÆn cho thÊy dÊu hiÖu nhá cña bÊt æn ®Þnh (h×nh 9.6 (b)). Sù kh¸c nhau gi÷a hai tr¹ng th¸i thùc nghiÖm ®îc minh häa bëi ph©n bè vËn tèc trong dßng ch¶y ®ang tiÕp cËn ranh giíi chñ ®¹o cña x©m nhËp mÆn. Víi mét sµn chuyÓn ®éng, vËn tèc hÇu nh ®ång nhÊt theo ®é s©u vµ sù trît ph¸t sinh bëi níc d©ng lªn trªn vïng x©m nhËp mÆn t¹o ra sù h×nh thµnh nh÷ng sãng cuén ®Æc trng. Trong m«i trêng biÓn ®iÒu nµy t¬ng ®¬ng víi sù chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y mËt ®é trong níc t¬ng ®èi ø ®äng, trong ®ã ma s¸t biªn kh«ng ®¸ng kÓ. Mét vÝ dô lµ sù lan réng cña níc ngät trªn mÆt níc biÓn, nh xuÊt hiÖn t¹i nh÷ng cöa s«ng nh¸nh hoÆc t¹i n¬i dßng ch¶y ra biÓn hë. H×nh 9.5 Thùc nghiÖm ®¬n gi¶n ®Ó tr×nh bµy hiÖn tîng 'th«ng thuû' Khi sµn cè ®Þnh, vËn tèc dßng ch¶y trªn vïng x©m nhËp bÞ gi¶m ®¸ng kÓ, nh vËy lµm cho ®é trît qu¸ nhá ®Ó ph¸t sinh cÊu tróc sãng cuén. Trong m«i trêng biÓn, tr¹ng th¸i nµy xuÊt hiÖn sím lóc triÒu lªn, khi chuyÓn ®éng tiÕp tôc vÒ phÝa biÓn cña níc mÆt ngîc víi dßng x©m nhËp mÆn. Tr¹ng th¸i nµy còng x¶y ra t¹i lóc cuèi triÒu lªn, khi chuyÓn ®éng lªn thîng lu cña nªm mÆn bÞ 'gi÷ l¹i' bëi dßng ch¶y vÒ phÝa biÓn cña níc ngät. Mét vÝ dô cña nã lµ mÆt ph©n c¸ch mËt ®é râ rÖt cã thÓ h×nh thµnh trong cöa s«ng Fraser khi chuyÓn ®éng triÒu lªn ngõng l¹i (h×nh 9.7). CÊu tróc bªn trong cña x©m nhËp mÆn Nh÷ng kÕt qu¶ thùc nghiÖm trong phßng cho thÊy mòi níc mÆn tiÕn triÓn däc theo ®¸y thïng, ph¸t sinh chuyÓn ®éng híng lªn t¹i mÐp ®Çu vµ h×nh thµnh nh÷ng sãng cuén ®iÓn h×nh trong tr¹ng th¸i sµn chuyÓn ®éng (h×nh 9.8). Níc muèi kh«ng x¸o trén víi chÊt láng bao quanh ®îc mang vÒ phÝa ®u«i x©m nhËp. Trong cöa s«ng Fraser qu¸ tr×nh nµy kh«ng xuÊt hiÖn trong thêi gian triÒu lªn v× ma s¸t ®¸y lµm chËm l¹i chuyÓn ®éng cña líp thÊp h¬n vµ ph©n tÇng lµm gi¶m søc c¶n mÆt ph©n c¸ch lªn líp trªn, lµm cho níc ë trªn nªm mËt ®é trµn qua líp thÊp h¬n (Geyer vµ Farmer, 1989). VÒ phÝa ®Çu cña vïng x©m nhËp mÆn trong cöa s«ng Fraser c¬ chÕ nµy dÉn ®Õn sù vËn chuyÓn ®i xuèng, thay v× ®i lªn cña níc. Nh vËy cã hai « hoµn lu, mét « t¹i ®Çu quay lªn vµ « kia quay xuèng, kh«ng nh mét « ®¬n gi¶ thiÕt trong h×nh 9.8. Søc m¹nh t¬ng ®èi cña hai « 279
nµy phô thuéc vµo ®é lín søc c¶n ®¸y lªn x©m nhËp mÆn. Nh÷ng xuÊt hiÖn theo ba chiÒu cña ®Çu x©m nhËp cã thÓ thÊy trong thùc nghiÖm trong phßng gåm c¸c sãng cuén, mÊu vµ khe (h×nh 9.9). H×nh 9.6 Thùc nghiÖm thiÕt lËp ®Ó kh¶o s¸t x©m nhËp mÆn. (Theo Simpson, 1987, ®îc sù ®ång ý cña Cambridge University Press) H×nh 9.7 MÆt ph©n c¸ch mËt ®é trong cöa s«ng Fraser vµo lóc cuèi triÒu lªn. (Theo Geyer vµ Fanner, 1989, ®îc sù ®ång ý cña Héi KhÝ tîng Mü) Nh÷ng quan tr¾c khi triÒu lªn gi¶ thiÕt r»ng sù h×nh thµnh sãng cuén lµ do nh÷ng bÊt æn ®Þnh trît Kelvin - Helmholtz, xuÊt hiÖn khi sè Richardson gradient nhá h¬n gi¸ trÞ ph©n giíi lµ 0,25 (môc 3.6.3). Trong cöa s«ng Fraser thÊy r»ng Ri gÇn ®Õn 0,25 c¶ trong níc bÞ trît m¹nh trªn nªm mËt ®é, lÉn trong líp x¸o trén phÝa díi, dï sù ph©n tÇng ®¸ng kÓ trong khu vùc tríc vµ kh«ng ®¸ng kÓ trong khu vùc sau. §iÒu nµy nãi lªn 280
r»ng nh÷ng gradient vËn tèc vµ ®é mÆn ®îc duy tr× b»ng nh÷ng bÊt æn ®Þnh K – H, ph¸t triÓn khi Ri < 0,25. Sù ph©n tÇng m¹nh nh vËy lµm t¨ng cêng ®é trît, t¹o ra rèi lµm cho Ri nhá h¬n 0,25; sù ph©n tÇng yÕu liªn hÖ víi ®é trît t¬ng ®èi khiªm tèn, b¶o ®¶m r»ng Ri kh«ng bao giê trë nªn nhá h¬n 0,25. H×nh 9.8 Hoµn lu t¹i mÐp ®Çu cña x©m nhËp mÆn H×nh 9.9 Khu vùc front cña nªm mÆn tiÕn däc theo sµn cña mét thïng níc ngät. (§îc sù ®ång ý cña J.E. Simpson, Khoa To¸n øng dông vµ VËt lý Lý thuyÕt, §¹i häc Tæng hîp Cambridge) Dùa trªn nh÷ng ph©n bè trong cöa s«ng Fraser theo nh÷ng thêi gian kh¸c nhau trong chu kú thñy triÒu, hiÓn nhiªn tÇn sè xuÊt hiÖn nh÷ng gi¸ trÞ Ri díi 0,25 lµ lín h¬n trong thêi kú gi÷a vµ cuèi lóc triÒu xuèng chø kh«ng ph¶i vµo thêi kú nµo kh¸c (Geyer vµ Smith, 1987). Bëi vËy sù duy tr× nh÷ng gradient vËn tèc vµ ®é mÆn ®îc thÊy mét c¸ch kh¸i niÖm, lµ do nh÷ng bÊt æn ®Þnh trît gi¸n ®o¹n, mµ thêng xuyªn h¬n ë trªn vµ ë díi nªm mËt ®é. CÇn thÊy r»ng gi¸ trÞ cao nhÊt cña Ri ®· cho trong ph©n bè (h×nh 9.10) lµ h¬i tuú tiÖn v× nã phô thuéc vµo quy tr×nh lÊy trung b×nh ®îc sö dông ®Ó gi÷ cho Ri h÷u h¹n ë vËn tèc lín nhÊt. §iÒu nµy n¶y sinh bëi v× cã ®iÓm yÕu trong ®Þnh nghÜa Ri. T¹i 281
®é s©u mµ du/dz = 0, nh thêng cã thÓ xuÊt hiÖn trong nh÷ng dßng ch¶y tù nhiªn, Ri cã xu híng tiÕn ®Õn v« h¹n; xu híng cùc trÞ nµy thêng ®îc kiÓm so¸t b»ng viÖc lÊy mét gi¸ trÞ tuú chän nhá nhÊt cho phÐp ®èi víi sù trît th¼ng ®øng khi tÝnh to¸n Ri. 9.2.3 ChuyÓn ®éng khi triÒu xuèng trong cöa s«ng nªm mÆn Nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén trong cöa s«ng nªm mÆn khi triÒu xuèng rÊt kh¸c so víi nh÷ng g× xuÊt hiÖn khi triÒu lªn. Khi b¾t ®Çu triÒu xuèng, nªm mÆn, ®îc gi÷ l¹i vµo cuèi lóc triÒu lªn, lµ gÇn nh æn ®Þnh vµ cã xu híng cã mÆt ph©n c¸ch râ rÖt víi níc phÝa trªn cña nã. Møc ®é ph©n tÇng nµy cho phÐp dßng ch¶y s«ng ch¶y trªn vïng x©m nhËp mÆn, ph¸t sinh sù trît râ rÖt qua mÆt ph©n c¸ch. Tuy nhiªn, møc ®é æn ®Þnh thêng lín ®Õn møc trong mét hÖ thèng nªm mÆn th× x¸o trén Ýt xuÊt hiÖn, nh trêng hîp chuyÓn ®éng triÒu xuèng sím trong cöa s«ng Fraser (Geyer vµ Farmer, 1989). Sù ch¶y trµn cña níc s«ng trªn níc nhiÔm mÆn cña cöa s«ng còng cã thÓ quan tr¾c trong c¸c nh¸nh phÝa trªn cña mét vµi cöa s«ng, cã thÓ ph©n lo¹i nh 'ph©n tÇng mét phÇn'. Mét vÝ dô lµ cöa s«ng Tamar phÝa T©y Nam níc Anh, trong ®ã xu híng ph©n tÇng t¨ng lªn trong thêi gian triÒu xuèng do x¸o trén rèi bÞ h¹n chÕ gÇn giíi h¹n x©m nhËp mÆn (West vµ nnk., 1990). Xa h¬n vÒ phÝa biÓn, x¸o trén thñy triÒu trong cña s«ng Tamar lµm vì cÊu tróc nªm mÆn khi triÒu xuèng, t¹o ra mét ph©n bè muèi tiªu biÓu cho hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn. Mét khi ®é cao thñy triÒu h¹ thÊp t¹i biªn phÝa biÓn cña cöa s«ng nªm mÆn, gradient mÆt níc sÏ dèc vµ ¸p suÊt kÕt qu¶ trë nªn ®ñ m¹nh ®Ó ®Èy nªm mÆn vÒ phÝa biÓn. Søc c¶n ma s¸t t¹i ®¸y c¶n trë chuyÓn ®éng nµy cña muèi vµ sù trît ®¸ng kÓ cã thÓ thiÕt lËp qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é. Sù trît nµy cã thÓ g©y ra nh÷ng bÊt æn ®Þnh K-H, lµm cho nªm mËt ®é dµy lªn ®¸ng kÓ v× níc ngät x¸o trén víi níc mÆn t¹i mÆt trªn cña nªm mÆn. T¹i giai ®o¹n nµy lóc gi÷a kú triÒu xuèng, mét vµi cöa s«ng dêng nh tr¶i qua sù x¸o trén nhanh, lµm thay ®æi cÊu tróc mËt ®é th¼ng ®øng tõ hai líp trë thµnh liªn tôc ph©n tÇng, hoÆc x¸o trén hoµn toµn trong mét vµi thêi ®iÓm. Giai ®o¹n x¸o trén nhanh nµy ®îc nãi ®Õn nh chu kú t¨ng cêng x¸o trén (IMP) vµ vÉn cßn c¸c tranh luËn ®èi víi nguyªn nh©n cña nã. Vµo lóc cuèi triÒu xuèng, nªm mÆn cã thÓ khã x¸c ®Þnh râ khi nã bÞ vì thµnh c¸c ®èm loang do x¸o trén kh«ng ®Òu vµ bëi ®Þa h×nh ®¸y. NÕu dßng triÒu ch¶y xuèng vµ lu lîng s«ng ®ñ m¹nh, níc mÆn cã thÓ bÞ Ðp ra khái cöa s«ng, ®Ó l¹i mét gradient mËt ®é râ rµng gi÷a níc ven bê vµ cöa s«ng lóc níc thùc tÕ. Nãi c¸ch kh¸c, x©m nhËp mÆn cã thÓ cßn l¹i trong c¸c cöa s«ng vµo thêi gian cuèi triÒu xuèng, cho phÐp nã lÇn n÷a b¾t ®Çu th©m nhËp vÒ híng ®Êt khi gradient mÆt níc trë nªn nhá v× thêi gian níc thùc tÕ ®ang ®Õn. Mét ®Æc tÝnh chung cña cöa s«ng nªm mÆn khi triÒu xuèng lµ ë chç khi nªm mËt ®é dµy lªn, nã còng s©u h¬n khi ®é mÆn mÆt níc vµ ®¸y trë nªn t¬ng ®èi kh«ng ®æi. §Æc tÝnh nµy ®îc minh häa b»ng vÝ dô cöa s«ng Fraser (h×nh 9.11 (a)) trong ®ã sù kh¸c biÖt ®é mÆn t¹i mÆt níc vµ ®¸y quan tr¾c ®îc lµ 26,0 trong thêi gian gi÷a lóc triÒu xuèng (Geyer vµ Farmer, 1989). Nh÷ng b¶n ghi håi ©m cho thÊy nh÷ng sãng cuén K - H hiÖn h÷u trong nªm mËt ®é trong thêi gian nµy, hç trî gi¶ thuyÕt r»ng nh÷ng bÊt æn ®Þnh 282
trît vÒ c¬ b¶n cã tr¸ch nhiÖm víi x¸o trén. Trong nªm mÆn vµ víi ph¹m vi ®é mÆn tõ 5,0 ®Õn 25,0, nh÷ng sè Richardson gradient nhá h¬n 0,25 víi mét tØ lÖ ®¸ng kÓ; nh÷ng tÝnh to¸n nµy xem xÐt sù trît vËn tèc bæ sung bëi sãng néi. Ph¸t hiÖn nµy lÇn n÷a gi¶ thiÕt r»ng bÊt æn ®Þnh trît K - H lµ c¬ chÕ tréi. Ph©n bè vËn tèc trong Fraser phï hîp víi nh÷ng ph©n bè ®é mÆn (h×nh9.11 (b)), còng t¬ng ®èi tuyÕn tÝnh qua nªm mËt ®é vµ cã gradient t¬ng tù t¹i mçi thêi gian ph©n bè. Sù duy tr× mèi t¬ng tù nµy trong chu kú x¸o trén ®îc xÐt ®Õn nãi lªn r»ng x¸o trén ®éng lîng vµ ®é mÆn ®îc thùc hiÖn víi nh÷ng møc ®é t¬ng tù, dÉn ®Õn tû lÖ Kz/Nz = 1.0 (xem môc 3.5.1). H×nh 9.10 Sù biÕn ®æi cña vËn tèc, ®é mÆn vµ sè Richardson gradient víi ®é s©u trong cöa s«ng Fraser. (Theo Geyer vµ Smith, 1987, ®îc sù ®ång ý cña Héi KhÝ tîng Mü) X¸o trén kh«ng xuÊt hiÖn ®ång ®Òu kh¾p cöa s«ng mµ cã vÎ ®îc thóc ®Èy bëi h×nh d¹ng cña ®Þa h×nh. ThËm chÝ mét sù co hÑp t¬ng ®èi nhÑ thêng ®ñ ®Ó thay ®æi dßng ch¶y néi tõ díi ph©n giíi ®Õn trªn ph©n giíi. Khi ®iÒu nµy x¶y ra, mét khu vùc x¸o trén më réng ®îc h×nh thµnh ë h¹ lu chç co hÑp. Mét khi n¨ng lîng ®îc lÊy tõ dßng ch¶y trung b×nh ®Ó duy tr× qu¸ tr×nh x¸o trén, dßng ch¶y trë l¹i díi ph©n giíi t¹i kho¶ng c¸ch nµo ®ã kÓ tõ mÆt c¾t thóc ®Èy sù bÊt æn ®Þnh. Bèn khu vùc më réng ph©n biÖt râ rÖt ®· ®îc quan tr¾c b»ng m¸y håi ©m trong thêi gian triÒu xuèng t¹i cöa s«ng Fraser (h×nh 9.12). Vµo lóc cuèi triÒu xuèng nh÷ng vÖt loang nµy tiÕp tôc ®îc ph¸t hiÖn nhng cÊu tróc cña nªm mËt ®é bÞ ph¸ vì m·nh liÖt bëi giai ®o¹n ®ã cña thñy triÒu. 283
H×nh 9.11 Nh÷ng ph©n bè trong c¸c cöa s«ng Fraser khi triÒu xuèng ®èi víi (a) ®é mÆn vµ (b) vËn tèc. (Theo Geyer vµ Smith, 1987, ®îc sù ®ång ý cña Héi KhÝ tîng Mü) 284
§· lËp luËn r»ng sù khëi ®Çu cña dßng ch¶y trªn ph©n giíi cã ¶nh hëng lªn bÊt æn ®Þnh trît qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é th«ng qua nh÷ng thay ®æi ®èi víi søc c¶n ®¸y (Geyer vµ Farmer, 1989). NÕu sè Richardson tæng hîp nhá h¬n 1,0 (øng víi sè Froude t¹i mÆt ph©n c¸ch lín h¬n 1,0) th× híng chuyÓn ®éng cña líp thÊp h¬n cã xu híng vÒ phÝa biÓn, lµm cho søc c¶n t¨ng lªn ®èi víi dßng triÒu xuèng. Khi dßng triÒu xuèng t¨ng ®Õn cùc ®¹i cña nã, søc c¶n ®¸y t¨ng lªn vµ lµm t¨ng sù trît qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é. CÇn thÊy r»ng sù trît nµy chØ bÞ h¹n chÕ bëi søc m¹nh cña dßng triÒu xuèng. Tr¹ng th¸i nµy tr¸i ngîc víi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y díi ph©n giíi trong ®ã sù trît qua mÆt ph©n c¸ch bÞ h¹n chÕ bëi gradient tµ ¸p; ®é trît nµy cã gi¸ trÞ cùc ®¹i khi RiB = 1,0 vµ sÏ cã vÎ nhá h¬n ®¸ng kÓ so víi ®é trît xuÊt hiÖn tõ ma s¸t ®¸y díi dßng ch¶y trªn ph©n giíi. Cã thÓ cßn mét nguyªn nh©n kh¸c cña x¸o trén m¹nh quan tr¾c trong cöa s«ng nªm mÆn khi triÒu xuèng lµ sù t¹o thµnh níc nh¶y thuû lùc néi (môc 3.3.3). C¬ chÕ nµy ®îc ®Ò xíng ®Ó gi¶i thÝch x¸o trén ®· quan tr¾c trong cöa s«ng Duwamish (Partch vµ Smith, 1978). Nh÷ng thay ®æi tiªu biÓu trong cÊu tróc tríc ®©y, trong vµ sau IMP ®îc cho thÊy trong h×nh 9.13. Tho¹t tiªn, nªm mËt ®é n»m trªn mét líp s©u ®ång nhÊt (h×nh 9.13 (a)) vµ trong thêi gian x¸o trén nªm mËt ®é s©u h¬n vµ mét líp x¸o trén kh«ng ®ång nhÊt h×nh thµnh gÇn mÆt níc (h×nh 9.13 (b)). Vµo kho¶ng cuèi chu kú x¸o trén, líp níc mÆt x¸o trén bÞ ch×m s©u h¬n ®¸ng kÓ, vµ cã hai trêng hîp khi dßng ch¶y triÒu xuèng m¹nh, gradient mËt ®é ®îc thÊy gÇn ®¸y (h×nh 9.13 (c)). Cã thÓ thÊy r»ng nh÷ng ph©n bè ®iÓn h×nh nµy mang ®Õn mét sù t¬ng tù víi nh÷ng g× quan tr¾c ®îc trong cöa s«ng Fraser (h×nh 9.11). Tuy nhiªn, gi¶i thÝch IMP ®Ò xíng bëi Partch vµ Smith râ rµng kh¸c víi c¬ chÕ ®îc gi¶ thiÕt cho s«ng Fraser. Partch vµ Smith nhËn thÊy r»ng x¸o trén khi triÒu xuèng trong Duwamish b¾t ®Çu khi Fr kho¶ng 0,3 øng víi gi¸ trÞ thùc nghiÖm vµ lý thuyÕt lµ 1/ cho dßng ch¶y liªn tôc ph©n tÇng (Long, 1955); ®iÒu nµy t¬ng ®¬ng víi gi¸ trÞ 10 ®èi víi sè Richardson tæng hîp. Sù x¸o trén nµy xuÊt hiÖn khi cÊu tróc th¼ng ®øng gièng nh cÊu tróc minh häa trong h×nh 9.13 (a) vµ ®îc lÊy ®Ó nãi lªn r»ng x¸o trén lµ do ®é dèc vµ sù ph¸ vì c¸c sãng néi víi h×nh thøc thÊp nhÊt (tøc lµ bíc sãng dµi nhÊt). Sù h×nh thµnh tiÕp theo cña líp x¸o trén phÝa trªn nh trong h×nh 9.13 (b) cã nghÜa lµ dßng ch¶y gÇn gièng mét hÖ thèng hai líp, trong ®ã nh÷ng bíc sãng dµi nhÊt cã thÓ lan truyÒn nhanh h¬n, do ®ã cã nhiÒu ®éng n¨ng tiÒm tµng s½n sµng h¬n ®Ó biÕn ®æi thµnh rèi. Nh÷ng gi¸ trÞ cña RiB gÇn ®Õn 1 khi cÊu tróc hai líp tr¶i qua sù biÕn ®æi nhanh do sù ph¸t triÓn cña x¸o trén m¹nh. Partch vµ Smith quy hiÖn tîng nµy cho níc nh¶y thñy lùc néi bëi v× IMP b¾t ®Çu trong mét dßng ch¶y thùc chÊt lµ hai líp. V× nh÷ng ®iÒu kiÖn dßng ch¶y ph©n giíi ®ßi hái ®Ó thóc ®Èy x¸o trén m¹nh l¹i phô thuéc vµo sù thay ®æi diÖn tÝch mÆt c¾t ngang däc theo cöa s«ng, Partch vµ Smith ®¸nh gi¸ r»ng Ýt h¬n mét nöa ®é dµi toµn bé cña nªm mÆn trong Duwamish bÞ ¶nh hëng bëi x¸o trén m¹nh, vµ kho¶ng mét phÇn t dßng muèi th¼ng ®øng ph¶i do mét níc nh¶y thuû lùc. NhiÒu cöa s«ng cã d¹ng h×nh phÔu nªn diÖn tÝch mÆt c¾t ngang t¨ng lªn vµ vËn tèc trung b×nh gi¶m vÒ phÝa biÓn. Nh vËy, v× dßng ch¶y t¨ng khi triÒu xuèng, dßng ch¶y ch¶y nhanh h¬n vµ do ®ã nh÷ng ®iÒu kiÖn ph©n giíi cã vÎ xuÊt hiÖn sím h¬n t¹i biªn thîng lu vµ viÖc b¾t ®Çu x¸o trén m¹nh ®îc thÊy liªn tôc sau ®ã t¹i nh÷ng mÆt c¾t h¹ 285
lu. Tr¹ng th¸i nµy ®îc quan tr¾c trong cöa s«ng Tees, mét hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn (Lewis, 1985). MÆc dï hiÖn tîng còng cã thÓ xuÊt hiÖn do b×nh lu cña níc x¸o trén xuèng h¹ lu, sù trît vËn tèc m¹nh trong Tees ph¶i cã xu híng lµm ph©n tÇng mét ®èm loang x¸o trén vµ b×nh lu ®¬n gi¶n cã vÎ kh«ng ph¶i lµ mét gi¶i thÝch (New vµ nnk., 1986). H×nh 9.12 B¶n ghi håi ©m cña nh÷ng khu vùc x¸o trén trong cöa s«ng Fraser. Nh÷ng bÊt æn ®Þnh dêng nh t¨ng lªn tõ chç co hÑp ngang t¹i 11,5, 14, 16 (vµ) 18 km. (Theo Smith vµ Greyer, 1987, ®îc sù ®ång ý cña Héi KhÝ tîng Mü) H×nh 9.13 Nh÷ng thay ®æi cÊu tróc liªn quan ®Õn chu kú x¸o trén m·nh liÖt trong cöa s«ng Duwamish. (Theo Partch vµ Smith, 1978, ®îc sù ®ång ý cña Academic Press ) X¸o trén m·nh liÖt khi triÒu xuèng trong c¸c cöa s«ng Fraser vµ Duwamish t¹o ra thay ®æi cÊu tróc t¬ng tù, liªn quan ®Õn dßng ch¶y ®¹t ®Õn ®iÒu kiÖn ph©n giíi, trong ®ã RiB = Fi = 1,0. Trong cöa s«ng Fraser, c¬ chÕ ®Ò xíng lµ dßng ch¶y trªn ph©n giíi lµm t¨ng søc c¶n ®¸y vµ t¹o ra bÊt æn ®Þnh trît K - H. Trong cöa s«ng Duwamish, ®Ò xuÊt r»ng dßng ch¶y trªn ph©n giíi chÆn n¨ng lîng sãng néi l¹i nhiÒu h¬n, nªn chóng ph¸t sinh mét níc nh¶y thuû lùc víi rèi liªn quan ®Õn nã. Mét yÕu ®iÓm trong lý luËn nµy lµ nh÷ng sãng néi ph¶i cã mÆt ®Ó mét IMP xuÊt hiÖn, vµ mÆc dï ®iÒu nµy gièng nh nh÷ng ®iÒu kiÖn ph©n tÇng cña cöa s«ng nªm mÆn, ®iÒu ng¹c nhiªn lµ thÊy nh÷ng sãng hiÖn h÷u díi nh÷ng ®iÒu kiÖn dßng ch¶y kh¸c nhau, theo ®ã nh÷ng IMP ®· ®îc quan tr¾c. Mét yÕu ®iÓm thø hai trong lý luËn níc nh¶y thuû lùc lµ sù t¨ng thÕ n¨ng ph¸t sinh bëi x¸o trén m¹nh lµ qu¸ lín ®Ó quy hoµn toµn cho sãng néi. VÝ dô, ®· ®¸nh gi¸ r»ng kho¶ng 65 % n¨ng lîng sãng trªn ®¬n vÞ ®é dµi cÇn cã ®Ó xÐt nh÷ng thay ®æi thÕ n¨ng do x¸o trén trong cöa s«ng Tees (thõa nhËn hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn), trong khi n¨ng lîng x¸o trén cùc ®¹i s½n cã tõ sãng vì chØ kho¶ng 15-20 % (Dyer vµ New, 1988). Ch¾c lµ sai 286
lÇm khi kÕt luËn r»ng níc nh¶y thuû lùc kh«ng ®ãng gãp cho qu¸ tr×nh x¸o trén hoÆc thËm chÝ chóng kh«ng xuÊt hiÖn. KÕt qu¶ ®o håi ©m trong Thñy ®¹o Rotterdam ®· ®Ó lé ra nh÷ng ®Æc tÝnh nh vËy (Pietzrak vµ nnk., 1991) vµ hoµn toµn cã thÓ r»ng, nh÷ng níc nh¶y nh vËy dÉn ®Õn sù vì ban ®Çu cña mÆt ph©n c¸ch mËt ®é, nh vËy cho phÐp rèi ph¸t sinh tõ ®¸y ®Ó hoµn tÊt qu¸ tr×nh x¸o trén. Sù cã mÆt cña nh÷ng sãng néi trong cöa s«ng ph©n tÇng ®· ®îc coi nh mét b»ng chøng vÒ sù h×nh thµnh dßng ch¶y hai líp (h×nh 9.13 (b)), ®îc trî gióp bëi viÖc th¶i n¨ng lîng tõ sãng, do vËy trî gióp sù ®æ nhµo bëi nh÷ng sãng cuén K-H. Sù gi¶m ph©n tÇng kÕ tiÕp sÏ t¹o mét c¬ héi cho ®éng n¨ng rèi bëi øng suÊt ®¸y th©m nhËp vµo nªm mËt ®é vµ cã lÏ t¹o nªn sù ®ång nhÊt hoµn toµn. Tuy nhiªn, sù ph¸t triÓn cña ph©n bè mËt ®é dèc gÇn ®¸y, nh trong h×nh 9.13 (c), kh«ng ph¶i biÓu thÞ cña rèi ®¸y m¹nh. NÕu giai ®o¹n nµy xuÊt hiÖn, th× sù x¸o trén kÕ tiÕp sÏ cã vÎ phÇn nhiÒu lµ do c¬ chÕ bÊt æn ®Þnh trît, theo ®Ò xuÊt cña Geyer vµ Farmer, h¬n lµ c¬ chÕ níc nh¶y thuû lùc néi, theo ®Ò xuÊt cña Partch vµ Smith. Nh÷ng biÕn ®æi møc ®é x¸o trén trong c¸c cöa s«ng nªm mÆn ®· ®îc quan tr¾c ®Ó lËp t¬ng quan víi nh÷ng thay ®æi ®é lín thñy triÒu (vÝ dô s«ng James, York vµ Rappahannock (Haas, 1977); s«ng Columbia (Jay vµ Smith, 1990); Puget Sound (Geyer vµ Cannon, 1982); s«ng Duwamish (Partch vµ Smith, 1978)). §iÒu nµy quy cho sù phô thuéc cña dßng ch¶y trªn ph©n giíi vµo vËn tèc thñy triÒu ®èi víi mét ®é lín thñy triÒu ®Æc trng. 9.2.4 C¸c ®Æc trng cña fio Nh÷ng fio gièng víi cöa s«ng nªm mÆn ë chç níc tõ c¸c s«ng ch¶y vµo kh«ng trë nªn x¸o trén mËt thiÕt víi líp cã muèi n»m bªn díi. Tuy nhiªn, nh÷ng fio cã xu híng lµ nh÷ng ®Æc tÝnh ë rÊt s©u vµ do ®ã dßng triÒu yÕu h¬n nhiÒu so víi nh÷ng hÖ thèng nªm mÆn cã ®é lín thñy triÒu t¬ng ®¬ng. Nh÷ng fio thêng thÊy ë nh÷ng vÜ ®é cao trong ®ã t¸c ®éng bµo mßn cña b¨ng hµ ®· t¹o ra sù h×nh thµnh cña mét hoÆc nhiÒu thuû vùc s©u, ®îc ng¨n c¸ch ra bëi c¸c ngìng t¬ng ®èi n«ng. Pritchard (1952) ®Þnh nghÜa fio lµ 'mét ®êng bê biÓn r¨ng ca kÐo dµi, chøa mét thuû vùc t¬ng ®èi s©u víi mét ngìng n«ng h¬n t¹i miÖng'. Sù cã mÆt cña ngìng t¹i biªn phÝa biÓn cña fio nh vËy ph©n biÖt nã víi cöa s«ng vµ ®Æc tÝnh nµy lµ ®Æc biÖt quan träng v× ®é s©u cña níc trªn ngìng ®iÒu khiÓn sù trao ®æi níc cña fio víi biÓn hë. Trong nh÷ng fio ë Na Uy ®é s©u ngìng cã thÓ xÕp lo¹i tõ mét vµi mÐt ®Õn 200 m, trong khi ®é s©u cña thuû vùc tõ kho¶ng 600 m ®Õn 1300 m, gi¸ trÞ nµy ®îc thÊy trong Sognefjord. Níc ngät ch¶y ra tõ fio h×nh thµnh mét líp t¬ng ®èi máng t¹i mÆt níc. Víi cöa s«ng nªm mÆn, níc mÆn bÞ cuèn vµo líp trªn, lµm cho dßng ch¶y t¨ng vÒ phÝa biÓn vµ ®é mÆn t¨ng thªm. Mét dßng ch¶y bï vÒ phÝa ®Êt mang níc qua ngìng vµ vµo trong fio, nãi chung chØ ngay díi líp mÆt, mÆc dï dßng ch¶y vÒ phÝa ®Êt nµy thêng yÕu ®Õn nçi ®é s©u dßng ch¶y cña nã khã x¸c ®Þnh. MÆc dÇu mét mÆt ph©n c¸ch mËt ®é râ nÐt cã thÓ ph¸t triÓn, trong ®ã sù trao ®æi gi÷a líp mÆt vµ líp thÊp h¬n vÒ c¬ b¶n lµ qu¸ tr×nh cuèn theo, sù cã mÆt cña bÊt kú x¸o trén khuÕch t¸n nµo còng h×nh thµnh mét nªm mÆn gi÷a c¸c líp. Nh vËy nh÷ng ph©n bè tiªu biÓu gièng víi nh÷ng g× ®îc thÊy trong h×nh 9.14. 287
Trong mét tæng quan nh÷ng lý thuyÕt vÒ ®éng lùc häc fio, Pedersen (1978) lý luËn r»ng x¸o trén khuÕch t¸n nµo ®ã ph¶i xuÊt hiÖn ®Ó b¶o ®¶m ®¹t ®îc sù c©n b»ng gi÷a øng suÊt trît mÆt ph©n c¸ch vµ gradient ¸p suÊt trong dßng ch¶y ngîc ë líp thÊp h¬n. §iÒu nµy cã nghÜa lµ trong trêng hîp tr¹ng th¸i æn ®Þnh, mÆt ph©n c¸ch mËt ®é ph¶i dèc ngîc vÒ phÝa biÓn, mÆc dï víi mét gãc rÊt nhá, vµ mÆt níc tù do dèc xuèng díi theo híng ®ã. Bëi vËy, ®éng lùc häc rÊt quen thuéc víi nh÷ng g× ®îc th¶o luËn trong môc 3.2.4 ®èi víi mét hÖ thèng x¸o trén hoµn toµn. NÕu chiÒu réng fio kh«ng ®æi vµ vËn tèc kh«ng t¨ng thªm, sù máng ra cña líp mÆt níc nh ®îc minh häa trong h×nh 9.14, chØ cã thÓ ®¹t ®îc bëi sù vËn chuyÓn thùc tÕ cña níc nhiÔm mÆn xuèng líp thÊp h¬n, trong ®ã nã ®îc mang vÒ phÝa ®Êt bëi dßng ch¶y. Nh vËy t¸c ®éng khuÕch t¸n cã thÓ t¹o nªn sù bÉy vËt chÊt trong fio, mµ râ rµng cã nh÷ng hËu qu¶ ®èi víi nh÷ng chÊt « nhiÔm th¶i xuèng líp mÆt. H×nh 9.14 Ph©n bè mËt ®é trong mét fio. (Theo Pedersen, 1978) Cã sù thay ®æi râ rÖt theo mïa trong ph©n tÇng xuÊt hiÖn ë nh÷ng fio, v× vµo mïa ®«ng ë nh÷ng vÜ ®é cao gi¸ng thuû thêng lµ tuyÕt r¬i, vµ nh vËy níc ngät nhËp vµo hÖ thèng nhá cho ®Õn khi tuyÕt tan xuÊt hiÖn trong mïa xu©n hoÆc mïa hÌ ®Õn sau ®ã. T¹i biªn phÝa biÓn cña Hardangerfjord, vÝ dô, gradient ®é mÆn th¼ng ®øng trong líp 50 m lµ kho¶ng 0,01 trªn m trong th¸ng Hai, nhng nã t¨ng ®Õn 0,07 trªn m trong th¸ng T¸m; ®é mÆn cña níc s©u xÊp xØ 35,0 suèt n¨m (Saelen, 1967). Nh÷ng cÊu tróc nhiÖt ®é th¼ng ®øng phøc t¹p cã thÓ thÊy trong nh÷ng fio, trong ®ã mËt ®é níc do b¨ng tan ch¶y vµo lµm cho nã ch×m xuèng díi mÆt níc khi lóc ®Çu ®i vµo fio. 9.2.5 Dßng ch¶y vµo vµ dßng ch¶y ra tõ nh÷ng fio Sù ph¸t t¸n chÊt trong fio phô thuéc vµo liÖu cã ph¶i sù cuèn theo hoÆc x¸o trén khuÕch t¸n ®ang thèng trÞ viÖc vËn chuyÓn qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é. NÕu cuèn theo lµ qu¸ tr×nh thèng trÞ, nh trêng hîp trong ®iÒu kiÖn tuyÕt tan mïa hÌ, th× lîng chÊt khuÕch t¸n vµo trong líp thÊp h¬n cã thÓ t¬ng ®èi nhá vµ mèi quan t©m tËp trung vµo sù pha lo·ng vµ ngËp trµn trong níc mÆt. Møc ®é cuèn theo phô thuéc vµo sù kh¸c biÖt vËn tèc vµ mËt ®é gi÷a c¸c líp. Theo c¸ch ®ã khi ®é mÆn mÆt níc t¨ng lªn vÒ phÝa biªn 288
biÓn cña fio, nh÷ng chÊt trong líp trªn cã thÓ gi¶m nång ®é bëi sù cuèn theo cña níc tõ díi. Nh vËy sù t¨ng liªn tiÕp ®é mÆn mÆt níc cã thÓ sö dông nh mét sè ®o møc ®é cuèn theo. Khi tuyÕt tan ban ®Çu ®· kÕt thóc, cã thÓ ®¹t ®Õn mét tr¹ng th¸i xÊp xØ æn ®Þnh trong ®ã lu lîng thÓ tÝch ch¶y ra cña nh÷ng tÇng níc mÆt Qvu, cïng víi lu lîng s«ng R, c©n b»ng víi lu lîng ch¶y vµo Qvl. T¹i mét mÆt c¾t ®· cho, lu lîng ch¶y vµo vµ ch¶y ra cã thÓ biÓu thÞ díi d¹ng ®é mÆn trong nh÷ng líp thÊp h¬n vµ cao h¬n. C¸ch tiÕp cËn nµy biÕt nh §Þnh lý Thñy v¨n Knudsen (Dyer, 1973: tr. 70) vµ t¹o ra nh÷ng ph¬ng tr×nh sl Qvu  R (9.1) sl  su su Qvl  R (9.2) sl  su trong ®ã su, sl lµ ®é mÆn trong nh÷ng líp thÊp h¬n vµ cao h¬n, t¬ng øng. Gi¶ thiÕt r»ng kh«ng cã nguån vµo cña s«ng cho líp thÊp h¬n t¹i ®Çu cña fio. Nh vËy thÓ tÝch ch¶y trong phÇn thÊp h¬n cña mÆt c¾t chän ph¶i c©n b»ng víi thÓ tÝch cuèn theo qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é gi÷a mÆt c¾t vµ ®Çu fio. NÕu diÖn tÝch n»m ngang cña mÆt ph©n c¸ch nµy lµ Ah, vËn tèc cuèn theo trung b×nh w lÊy tõ ph¬ng tr×nh (9.2) b»ng su R w (9.3) Ah sl  su trong ®ã g¹ch ngang trªn biÓu thÞ nh÷ng gi¸ trÞ trung b×nh gi÷a ®Çu fio vµ mÆt c¾t ®îc chän. VÝ dô Trong Hardangerfjord vµo th¸ng T¸m ®é mÆn trung b×nh mÆt níc lµ kho¶ng 18,0 vµ ®é mÆn trung b×nh t¹i níc s©u lµ kho¶ng 35,0. Dßng ch¶y s«ng xÊp xØ 1,15 x 103 ms-1 vµ diÖn tÝch cña toµn bé fio lµ 7,15 x 108 m2. Sö dông ph¬ng tr×nh (9.3) gi¶ thiÕt r»ng vËn tèc cuèn theo trung b×nh lµ 1,70 x 10-6 ms-1. §iÒu nµy thÓ hiÖn sù t¨ng th¼ng ®øng vµo kho¶ng 0,15 m mét ngµy. CÇn chó ý r»ng §Þnh lý Knudsen kh«ng ¸p dông ®èi víi dßng khuÕch t¸n qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é, nhng nã cã gi¸ trÞ trong viÖc ®¸nh gi¸ xÊp xØ lu lîng dßng ch¶y ra biÓn vµ møc ®é trao ®æi th¼ng ®øng bëi c¬ chÕ cuèn theo. Bëi v× nh÷ng fio nãi chung lµ s©u vµ thêng t¬ng ®èi t¸ch biÖt víi biÓn hë bëi ngìng, sù ngËp trµn cña níc ®¸y cã thÓ rÊt hiÕm khi x¶y ra vµ ph¸t sinh nh÷ng ®iÒu kiÖn kþ khÝ. Dßng ch¶y vµo cña níc thay thÕ trªn ngìng phÝa biÓn cã lÏ xuÊt hiÖn khi lu lîng s«ng cao nhÊt, øng víi tr¹ng th¸i mïa xu©n hoÆc mïa hÌ ®Õn sau trong nh÷ng vÜ ®é cao. Tuy nhiªn, khu vùc ngìng cã xu híng phô thuéc vµo nh÷ng dßng m¹nh h¬n vµ bëi vËy x¸o trén rèi lín h¬n phÇn cßn l¹i cña fio; yÕu tè nµy cã thÓ dÉn ®Õn tÝnh biÕn ®éng ®¸ng kÓ trong viÖc xuÊt hiÖn nh÷ng ‘sù kiÖn’ dßng ch¶y vµo. VÝ dô, nh÷ng ®o ®¹c trong khu vùc l©n cËn ngìng, n»m gi÷a cöa ra Lßng dÉn B¾c ë biÓn Ai len vµ Thuû vùc 289
Arran, gi¶ thiÕt r»ng tÇn sè trao ®æi níc trong Firth of Clyde phô thuéc mét phÇn vµo tÇn sè cña nh÷ng c¬n b·o mµ ®ñ m¹nh ®Ó lµm cho nh÷ng thÓ tÝch lín cña níc ®i qua ngìng (Dooley, 1979). H×nh 9.15 Ph©n bè th¼ng ®øng cña mµu vµ nhiÖt ®é quan tr¾c trong c¸c cöa s«ng ph©n tÇng m¹nh. (Theo Kullenburg, 1972, ®îc sù ®ång ý cña Héi ®ång Quèc tÕ vÒ Th¸m hiÓm BiÓn) 9.2.6 Nghiªn cøu ph¸t t¸n trong c¸c fio vµ cöa s«ng ph©n tÇng Mét sè nghiªn cøu chÊt chØ thÞ ®· thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông mµu ph¸t quang trong nh÷ng fio vµ cöa s«ng ph©n tÇng vµ cã møc ®é trît râ rÖt (Kullenberg, 1972, 1974). Mµu ®îc phun trong chu kú 2 - 3 phót t¹i nh÷ng ®é s©u ë díi mÆt níc, giíi h¹n tõ 2 m ®Õn 50 m. §· thÊy r»ng khi mµu ®îc th¶i ngay díi nªm mËt ®é, sù lan truyÒn th¼ng ®øng bÞ h¹n chÕ ®¸ng kÓ, vµ vÝ dô trong Sognefjord bÒ dµy cña líp mµu chØ lµ 0,08 m kho¶ng 12,5 giê sau khi phun mµu. Nh÷ng líp máng nhÊt cña mµu, mµ tiªu biÓu lµ dµy 0,1 ®Õn 0,4 m, ®îc thÊy ngay díi nh÷ng gradient côc bé s¾c nÐt trong ph©n bè nhiÖt ®é (h×nh 9.15), trong ®ã hÖ sè khuyÕch t¸n cã bËc 10-6 m2s-1. Dùa vµo nh÷ng kh¶o s¸t trong mét sè fio vµ nh÷ng vïng ven bê, Kullenberg (1972) tÝnh to¸n nh÷ng gi¸ trÞ ®èi víi Kz giíi h¹n tõ 0,05 x 10-4 ®Õn 1,5 x 10-4 m2s-1 víi gi¸ trÞ trung b×nh lµ 0,13 x 10-4 m2s-1. Díi nh÷ng ®iÒu kiÖn khuÊy do giã, thÊy r»ng mµu ®îc th¶i gÇn mÆt níc cã thÓ x¸o trén qua nªm mËt ®é. MÆc dï rèi ph¸t sinh tõ n¨ng lîng giã, nh÷ng gi¸ trÞ Kz liªn quan ®Õn vËn chuyÓn qua nªm mËt ®é vÉn cßn nhá; nh÷ng hÖ sè nµy cã vÎ tû lÖ nghÞch víi 290
sè Richardson gradient (h×nh 9.16). Kullenberg kÕt luËn tõ nh÷ng ph¸t hiÖn thùc nghiÖm cña «ng lµ trong nh÷ng fio vµ cöa s«ng cã nªm mËt ®é m¹nh xuÊt hiÖn, nh÷ng chÊt hoµ tan vµ vËt chÊt l¬ löng, nh chÊt th¶i, cã thÓ bÒn v÷ng ë nh÷ng nång ®é cao do sù bÉy bªn díi nh÷ng líp mËt ®é. H×nh 9.16 Sù thÝch øng cña hÖ sè x¸o trén th¼ng ®øng víi sè Richardson gradient. (Theo Kullenburg, 1972, ®îc sù ®ång ý cña Héi ®ång Quèc tÕ Th¸m hiÓm BiÓn) 9.3 dßng ch¶y ra tõ Cöa s«ng 9.3.1 §Æc trng cña nh÷ng dßng ch¶y ra Sù thËt nãi chung lµ níc nhiÔm mÆn trªn mÆt ®îc gi÷ l¹i trong cöa s«ng khi triÒu lªn. §©y lµ hÖ qu¶ cña søc c¶n ma s¸t t¹i mÆt ph©n c¸ch mËt ®é do níc ch¶y vµo ngîc víi xu híng cña trêng níc ngät líp mÆt dÞch chuyÓn vÒ phÝa biÓn. V× dßng ch¶y khi triÒu lªn yÕu ®i, søc c¶n nµy gi¶m vµ trêng nhiÔm mÆn b¾t ®Çu dÞch chuyÓn vµo vïng ven bê. Víi sù ®¶o híng dßng triÒu, toµn bé khèi níc cña cöa s«ng b¾t ®Çu tiÕn vÒ phÝa biÓn. Khi ra bªn ngoµi giíi h¹n cöa s«ng, níc mÆt tr¶i réng theo híng ngang trªn níc ven bê cã ®é mÆn nhiÒu h¬n díi t¸c ®éng cña träng lùc, h×nh thµnh mét vÖt loang ®Æc trng ven bê (h×nh 9.1). Híng cña vÖt loang nµy thay ®æi khi dßng ch¶y mËt ®é yÕu ®i vµ nã cã xu híng liªn kÕt víi dßng ch¶y däc bê. Trêng mËt ®é thÊp nµy thêng lé ra bëi nh÷ng biÕn ®æi nhanh cña ®é mÆn theo híng ®øng vµ ngang lªn mÐp biÓn, vµ nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén t¬ng ®èi vÒ phÝa ®Êt cña nã. Trêng lan réng thêng ®îc nãi ®Õn nh mét vÖt loang ch¶y ra. Khi triÒu lªn b¾t ®Çu mang níc vµo trong cöa s«ng, vÖt loang ch¶y ra cã thÓ bÞ c¾t ®øt khái miÖng cöa s«ng ®Ó h×nh thµnh mét ®èm loang ph©n biÖt cña níc nhiÔm mÆn. NÕu níc ven bê t¹i miÖng cöa s«ng lµ mét phÇn cña mét vÞnh, th× lu lîng cña 291
níc cã ®é mÆn thÊp mçi khi triÒu xuèng cã thÓ h×nh thµnh mét trêng h×nh thÊu kÝnh (h×nh 9.17). §èm loang nµy dÇn dÇn ®îc vËn chuyÓn ra khái miÖng cöa s«ng bëi dßng d vµ ph¸t t¸n bëi x¸o trén th¼ng ®øng vµ ngang. §èi víi cöa s«ng trong ®ã dßng ch¶y s«ng lín vµ møc ®é x¸o trén do thñy triÒu nhá, vÖt loang kh«ng bÞ c¾t ®øt cã thÓ quan tr¾c vµ trêng níc nhiÔm mÆn cã thÓ thÊy lan truyÒn liªn tôc tõ miÖng cöa s«ng, nh ®îc minh häa b»ng vÝ dô bëi vÖt loang s«ng Connecticut (h×nh 9.18). Tuy nhiªn, híng cña vÖt loang cã thÓ thay ®æi ®¸ng kÓ t¹i nh÷ng giai ®o¹n kh¸c nhau cña thñy triÒu. H×nh 9.17 Trêng cã h×nh thÊu kÝnh tõ nh÷ng dßng ch¶y ra liªn tiÕp cña níc nhiÔm mÆn tõ cöa s«ng Tees, t©y b¾c Níc Anh. (In l¹i tõ Lewis, 1984, víi sù cho phÐp th©n thiÖn cña Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington 0X5 1 GB, V¬ng quèc Anh) Khu vùc nhiÔm mÆn ven bê h×nh thµnh bëi níc cña dßng ch¶y ra tõ mét cöa s«ng qua nh÷ng chu kú thñy triÒu liªn tiÕp ®îc gäi lµ khu vùc ¶nh hëng cña níc ngät (ROFI). Mét ROFI ®Æc biÖt quan träng ®èi víi ph¸t t¸n bëi mét sè lý do. Tríc hÕt chÊt « nhiÔm ®æ xuèng mét cöa s«ng cã xu híng liªn quan ®Õn trêng mÆt níc nhiÔm mÆn, vµ møc ®é pha lo·ng cña trêng nµy th«ng b¸o liÖu cã ph¶i nh÷ng chÊt nh vËy cã mét t¸c ®éng ngîc lªn cuéc sèng biÓn. Thø hai, s«ng lµ mét nguån dinh dìng ®¸ng kÓ, vµ sù chuyÓn ®éng vµ ph¸t t¸n cña trêng ®é mÆn thÊp cã thÓ sö dông ®Ó suy luËn nh÷ng chÊt dinh dìng nµy tho¹t tiªn ph©n bè trong níc ven bê ra sao, víi hiÖu øng tiÒm tµng cña chóng lªn nh÷ng quÇn thÓ phï du. Thø ba, nh÷ng front liªn quan ®Õn dßng ch¶y ra khái cöa s«ng thêng lµ nh÷ng khu vùc héi tô bÒ mÆt m¹nh, trong ®ã tÝch tô vËt liÖu næi; sù cã mÆt cña chóng ®îc thÓ hiÖn râ rµng bëi nh÷ng l¸t máng mÞn trªn bÒ mÆt. Nh÷ng môc sau xem xÐt nh÷ng qu¸ tr×nh liªn quan ®Õn x¸o trén vÖt loang do dßng ch¶y ra, sù ph¸t t¸n dµi h¹n h¬n trong níc ven bê, vµ sù h×nh thµnh nh÷ng front vÖt loang. 292
H×nh 9.18 Sù ®ung ®a cña vÖt loang s«ng Connecticut ®îc chØ ra bëi ®êng ®¼ng mÆn t¹i (a) níc dõng khi triÒu xuèng, (b) níc dõng khi triÒu lªn. (Theo Garvine, J. Geophys. Res., 79, 831-846, 1974, b¶n quyÒn cña Liªn hiÖp §Þa vËt lý Mü) 9.3.2 X¸o trén vÖt loang ch¶y ra X¸o trén xuèng díi trong mét vÖt loang Nh÷ng quan tr¾c cho thÊy r»ng nång ®é lín nhÊt cña chÊt « nhiÔm khi ®i ra khái cöa s«ng liªn quan ®Õn níc cã ®é mÆn nhá nhÊt (Lewis, 1990) vµ bëi vËy sè phËn cña líp níc mÆt nµy lµ mèi quan t©m ®¸ng kÓ. CÇn thÊy r»ng sù liªn kÕt gi÷a nång ®é chÊt « nhiÔm vµ ®é mÆn chØ cã vÎ thËt sù ®èi víi chÊt ®· ®îc ®a vµo cöa s«ng víi thÓ tÝch níc 293