Ebook Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ

o thời gian ................................................................................... 65 2.4.1 Thay đổi độ sâu và dòng chảy theo thủy triều............................................................. 65 2.4.2 Những phương trình chuyển động tổng quát.............................................................. 66 2.4.3 Sóng tiến .................................................................................................................. 66 2.4.4 Cân bằng năng lượng sóng........................................................................................ 68 2.4.5 Biến dạng sóng......................................................................................................... 69 2.4.6 Dòng dư ................................................................................................................... 71 2.4.7 Năng lượng rối phát sinh từ đáy ................................................................................ 74 2.4.8 Tiêu tán năng lượng thủy triều .................................................................................. 74 2.4.9 ứng suất trượt biến đổi theo thời gian....................................................................... 77 2.5 Tóm tắt ............................................................................................................................ 80 Vận tốc tuyệt đối................................................................................................................ 80 Trượt vận tốc...................................................................................................................... 80 Xáo trộn do rối................................................................................................................... 80 Chương 3. Động lực học chất lỏng - Dòng chảy phân tầng..................................................... 82 3.1 Giới thiệu ......................................................................................................................... 82 3.2 Các nguyên nhân ổn định ................................................................................................. 83 3.2.1 ổn định do sự đốt nóng mặt nước .............................................................................. 83 3.2.2 Sự phát triển tính ổn định trong dòng chảy hai lớp...................................................... 85 3.2.3 Sự ổn định trong một dòng chảy liên tục phân tầng .................................................... 86 3.2.4 Công thức đối với hoàn lưu thẳng đứng ổn định.......................................................... 89 3.3 Những nguyên nhân bất ổn định....................................................................................... 92 3.3.1 Sóng nội ................................................................................................................... 92 3.3.2 Dòng chảy hai lớp ..................................................................................................... 95 3.3.3 Nước nhảy thuỷ lực nội............................................................................................. 97 3.3.4 Rối sóng cuộn .......................................................................................................... 99 3.3.5 Sóng Holmboe........................................................................................................ 100 3.4 Phát sinh và tiêu tán cục bộ năng lượng rối ................................................................... 100 3.4.1 Khái niệm về phát sinh và tiêu tán cục bộ ................................................................ 100 3.4.2 Mức độ phát sinh năng lượng rối............................................................................. 101 8 3.4.3 Thay đổi phân tầng do xáo trộn................................................................................ 102 3.4.4 Tiêu chuẩn duy trì của rối........................................................................................ 103 3.5 Giới hạn đối với phát sinh năng lượng rối ....................................................................... 105 3.5.1 Tắt dần do phân tầng ............................................................................................... 105 3.5.2 Lý thuyết trượt không đổi ...................................................................................... 107 3.5.3 Lý thuyết trượt biến đổi ......................................................................................... 110 3.6 Năng lượng rối phát sinh từ xa ...................................................................................... 112 3.6.1 Số Richardson tổng hợp........................................................................................... 112 3.6.2 Điều kiện đối với sự bất ổn định mặt phân cách....................................................... 113 3.6.3 Điều kiện đối với xáo trộn trong dòng chảy phân tầng.............................................. 114 3.6.4 Những đóng góp tương đối của đáy và mặt phân cách ............................................. 116 3.7 Tóm tắt .......................................................................................................................... 118 Chương 4. Khuyếch tán rối ................................................................................................... 120 4.1 Trạng thái chuyển động rối ............................................................................................ 120 4.2 Các thuộc tính trung bình của trường rối........................................................................ 121 4.2.1 Phân tách rối và những điều kiện trung bình............................................................. 121 4.2.2 Khái niệm quãng đường xáo trộn ............................................................................ 122 4.2.3 Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát ........................................................... 123 4.3 Các thuộc tính thống kê của trường rối........................................................................... 125 4.3.1 Những cách tiếp cận Euler và Lagrange ................................................................... 125 4.3.2 Khuyếch tán từ một nguồn liên tục ......................................................................... 126 4.3.3 Khuyếch tán đốm loang rời rạc ................................................................................ 129 4.3.4 Lý thuyết cân bằng vạn năng ................................................................................... 132 4.3.5 Sự tách ra của hạt trong rối đồng nhất ...................................................................... 134 4.3.6 Phổ năng lượng........................................................................................................ 136 4.4 Tóm tắt .......................................................................................................................... 138 Chương 5. Quá trình phát tán trượt...................................................................................... 139 5.1 Khái niệm cơ bản ........................................................................................................... 139 5.2 Phát tán trạng thái ổn định............................................................................................ 144 5.2.1 Trượt thẳng đứng dọc theo dòng chảy trung bình...................................................... 144 5.2.2 Trượt thẳng đứng vuông góc với dòng chảy trung bình............................................. 151 5.2.3 Trượt theo hướng vuông góc với dòng chảy trung bình............................................. 153 5.3 Dòng chảy trượt không ổn định....................................................................................... 154 5.3.1 Phát tán trong dòng chảy nhiễu động ....................................................................... 154 5.3.2 Xáo trộn thẳng đứng chậm...................................................................................... 156 5.3.3 Xáo trộn thẳng đứng nhanh...................................................................................... 157 9 5.3.4 Hiệu ứng của thay đổi vận tốc xáo trộn .................................................................... 158 5.4 Những ví dụ phân bố vận tốc tiêu biểu............................................................................ 159 5.4.1 ứng dụng của lý thuyết phát tán trượt...................................................................... 159 5.4.2 ứng dụng đối với phân bố vận tốc tuyến tính........................................................... 159 5.4.3 Phân bố theo quy luật số mũ.................................................................................... 161 5.4.4 ứng dụng đối với những phân bố trong môi trường biển .......................................... 162 5.5 Tóm tắt .......................................................................................................................... 164 Chương 6. Mô hình hóa quá trình phát tán .......................................................................... 166 6.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 166 6.2 Pha loãng và cuốn theo bằng tia.................................................................................... 167 6.3 Phát tán đốm loang........................................................................................................ 169 6.3.1 Phương pháp thể hiện Gauss .................................................................................... 169 6.3.2 Nguồn có chiều rộng hữu hạn .................................................................................. 171 6.4 Phát tán những vệt loang................................................................................................ 172 6.4.1 Vệt loang Gauss ...................................................................................................... 172 6.4.2 Cho phép đối với giới hạn biên................................................................................. 173 6.4.3 Nguồn có chiều rộng hữu hạn .................................................................................. 176 6.5 Những mô hình ngẫu hành ............................................................................................. 176 6.6 Những mô hình cửa sông một chiều ................................................................................ 180 6.6.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 180 6.6.2 Mô hình lăng trụ thủy triều...................................................................................... 182 6.6.3 Mô hình so sánh độ mặn.......................................................................................... 186 6.6.4 Những mô hình trạng thái ổn định........................................................................... 188 6.6.5 Những mô hình biến đổi theo thời gian .................................................................... 193 6.7 Những mô hình cửa sông hai chiều -trung bình hướng ngang .......................................... 194 6.7.1 Thiết lập mô hình .................................................................................................... 194 6.7.2 Các phương trình cơ bản ......................................................................................... 195 6.7.3 Phương pháp giải..................................................................................................... 196 6.8 Những mô hình cửa sông hai chiều - trung bình độ sâu.................................................. 198 6.9 Những mô hình ba chiều ................................................................................................ 199 6.10 Tóm tắt ........................................................................................................................ 200 Chương 7. Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc................................................... 202 7.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 202 7.2 Những chất chỉ thị được giới thiệu.................................................................................. 203 7.2.1 Kỹ thuật thực nghiệm .............................................................................................. 203 10 7.2.2 Các ví dụ ứng dụng.................................................................................................. 208 7.3 Những chất chỉ thị tự nhiên ............................................................................................ 217 7.3.1 Kỹ thuật thực nghiệm .............................................................................................. 217 7.3.2 Ví dụ ứng dụng........................................................................................................ 220 7.4 Những quan trắc bổ trợ.................................................................................................. 221 7.4.1 Định vị vị trí............................................................................................................ 221 7.4.2 Quan trắc tại điểm cố định....................................................................................... 223 7.4.3 Chuyển động Lagrange............................................................................................ 226 7.4.4 Viễn thám ............................................................................................................... 227 Chương 8. Nghiên cứu những hệ thống xáo trộn mạnh........................................................ 229 8.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 229 8.2 Kỹ thuật phân loại cửa sông ........................................................................................... 230 8.3 Phát tán quy mô thời gian ngắn...................................................................................... 233 8.3.1 Điều kiện không được kiểm soát bởi sự trượt............................................................ 233 8.3.2 Hiệu ứng của kích thước xoáy.................................................................................. 235 8.3.3 Phát tán tuyệt đối và tương đối................................................................................. 246 8.4 Phát tán có quy mô thời gian trung bình ......................................................................... 248 8.4.1 Những điều kiện được kiểm soát bởi sự trượt nội thủy triều ...................................... 248 8.4.2 Những hệ số khuyếch tán hiệu quả........................................................................... 250 8.4.3 Đóng góp của trượt đối với quá trình phát tán dọc .................................................... 257 8.4.4 Đóng góp của trượt đối với phát tán hướng ngang .................................................... 261 8.5 Phát tán quy mô thời gian dài........................................................................................ 264 8.5.1 Phát tán dọc............................................................................................................. 264 8.5.2 Phát tán hướng ngang .............................................................................................. 265 8.6 So sánh với những điều kiện môi trường..................................................................... 267 8.6.1 Sự thích nghi với điều kiện xung quanh.................................................................... 267 8.6.2 Nguyên nhân biến thiên của Kxe, Kye ........................................................................ 271 8.7 Tóm tắt .......................................................................................................................... 272 Chương 9. Nghiên cứu những hệ thống phân tầng................................................................ 274 9.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 274 9.2 Những fio và cửa sông nêm mặn..................................................................................... 276 9.2.1 Các đặc tính của cửa sông nêm mặn......................................................................... 276 9.2.2 Chuyển động khi triều lên trong cửa sông nêm mặn ................................................. 278 9.2.3 Chuyển động khi triều xuống trong cửa sông nêm mặn ........................................... 282 9.2.4 Các đặc trưng của fio............................................................................................... 287 9.2.5 Dòng chảy vào và dòng chảy ra từ những fio............................................................ 288 11 9.2.6 Nghiên cứu phát tán trong các fio và cửa sông phân tầng.......................................... 290 9.3 Dòng chảy ra từ cửa sông............................................................................................... 291 9.3.1 Đặc trưng của những dòng chảy ra........................................................................... 291 9.3.2 Xáo trộn vệt loang chảy ra ....................................................................................... 293 9.3.3 Phát tán dài hạn trong nước ven bờ........................................................................... 298 9.4 Các front........................................................................................................................ 307 9.4.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 307 9.4.2 Các front xáo trộn thủy triều.................................................................................... 308 9.4.3 Các front vệt loang .................................................................................................. 311 9.4.4 Các front trượt ......................................................................................................... 312 9.5 Tóm tắt .......................................................................................................................... 316 Chương 10. Nghiên cứu những hệ thống phân tầng một phần ............................................. 317 10.1 Giới thiệu ..................................................................................................................... 317 10.2 Quá độ......................................................................................................................... 318 10.2.1 Sự thích ứng của phát tán đối với những mức độ rối khác nhau............................... 318 10.2.2 Hiện tượng quá độ và sự phát triển của rối.............................................................. 322 10.2.3 Chất chỉ thị như một biện pháp lấy trung bình ........................................................ 324 10.3 Thực nghiệm nguồn muối.............................................................................................. 325 10.3.1 Nguồn muối .......................................................................................................... 325 10.3.2 Hệ số phát tán........................................................................................................ 332 10.4 Các giá trị nhỏ nhất đối với phát tán hướng ngang........................................................ 334 10.5 Nghiên cứu tương lai đối với phát tán trong môi trường biển......................................... 338 10.6 Tóm tắt toàn bộ............................................................................................................ 338 Tài liệu tham khảo................................................................................................................. 340 12 Lời nói đầu Vào ngày đầu tiên trong nghiên cứu sau đại học của tôi, giáo viên hướng dẫn tôi, giáo sư Kenneth Bowden, nói: 'Tôi muốn bạn khảo sát khía cạnh cơ bản nào đó của xáo trộn thẳng đứng có sử dụng một chất chỉ thị màu phát quang'. Dường như vào thời gian đó, đây là một đòi hỏi rất thẳng thắn - đơn giản là đổ chất màu nào đó vào biển và sử dụng một máy đo độ phát quang để xác định xem nó nhanh chóng xáo trộn theo độ sâu đến đâu - thật dễ dàng! Ba mươi năm sau, sự tiến bộ trong hiểu biết về xáo trộn thẳng đứng có vẻ chậm trễ một cách khó tin. Chúng ta vẫn còn gặp khó khăn lớn trong việc định lượng mức độ xáo trộn thẳng đứng trong biển, mặc dầu các nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định rằng quá trình này có tầm quan trọng hàng đầu đối với việc pha loãng các chất được thải vào môi trường biển. Câu hỏi đặt ra là tại sao vấn đề này lại khó khăn đến như vậy? Các năm trước đây đã có xu hướng xem biển như một khối nước lớn được xáo trộn kỹ, chuyển động cùng với thủy triều một cách đều đặn và có thể dự đoán được. Nhận thức này có thể ít nhất một phần là do những nhà lý thuyết đã đơn giản hóa toán học của họ với giả thiết rằng rối trong biển là đồng nhất theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng. Trong các cửa sông, đã rõ rằng chuyển động thẳng đứng của rối bị tắt dần ở một phạm vi nào đó bởi sự phân tầng, được tạo ra do nước sông chảy tràn trên nước mặn hoặc do việc làm ấm tầng nước mặt. Có thể nhận thức đúng đắn rằng sự tắt dần này của rối phải dẫn đến việc giảm mức độ xáo trộn thẳng đứng, cũng như sự yếu đi của xáo trộn rối ngang, nhưng lại chưa bao giờ nhận ra rằng khó mà thu được một mối quan hệ giữa mức độ xáo trộn và mức độ phân tầng hiện có. Những khảo sát thực nghiệm trong cả ba thập niên đã qua thể hiện một số phức tạp của những quá trình trong các cửa sông và vùng nước ven bờ. Thậm chí sự phân tầng tương đối yếu có thể ảnh hưởng đến cường độ rối và biến đổi vận tốc, hoặc sự trượt, trên toàn bộ độ sâu. Các hệ thống không trở nên ổn định hơn khi phân tầng tăng lên. Phân tầng làm giảm mức độ truyền động lượng trong các lớp thẳng đứng đang có, chỉ với một khác biệt nhỏ về mật độ giữa chúng, để trượt qua nhau như thể được 'bôi trơn'; nó làm tăng độ trượt thẳng đứng, lần lượt có thể tạo ra sự bất ổn định dẫn đến tăng thay vì giảm mức độ xáo trộn thẳng đứng. Để bổ sung cho nhận thức đã thay đổi về trạng thái của chuyển động rối trong biển và hiệu ứng phân tầng, có một nhận thức nâng cao về sự tồn tại của những quá trình khác ảnh hưởng đến sự phân bố các chất trong những vùng nước thủy triều. Nước có mật độ khác nhau hợp lại và tuỳ theo điều kiện thủy triều, có thể hình thành những khu vực hội tụ, dọc theo đó vật liệu trôi nổi như bọt, tảo biển và dầu tụ tập lại. Những khu vực như vậy cũng có thể làm hạn chế sự lan truyền theo hướng thẳng đứng và hướng ngang 13 của các vật liệu nổi trung tính như hóa chất hoà tan, chất hạt mịn hoặc thực vật phù du và động vật phù du. Thậm chí sóng trên mặt phân cách, khi lan truyền dọc theo biên giữa các lớp nước nổi gần bề mặt và những lớp nước có mật độ lớn hơn ở tầng sâu, có thể tạo nên các đường hội tụ, đôi khi khá rõ đối với người quan sát như những vệt nước trơn tru loang qua mặt nước gợn sóng. Sự hình thành của những khu vực hội tụ này dường như phụ thuộc vào những điều kiện đặc biệt của gió và thủy triều nên chúng xuất hiện và biến mất đi phụ thuộc vào những điều kiện môi trường. Những điều này làm cho việc dự đoán xáo trộn của vật chất trong biển rất khó khăn. Như vậy, nhận thức về trạng thái xáo trộn trong khu vực nước ven bờ và cửa sông đã thay đổi trong nhiều năm, và các phát hiện mới bằng thực nghiệm tiếp tục thay đổi viễn cảnh này. Tuy nhiên, nhu cầu định lượng những quá trình xáo trộn trong môi trường biển vẫn còn đó, và điều cơ bản là bất kỳ ai bắt đầu khảo sát sự xáo trộn trong nước có thủy triều cần phải có một cảm nhận đối với sự hiểu biết hiện tại về những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến xáo trộn. Vì môi trường biển biến động như vậy, không thể nói chính xác quy trình và phân tích thực nghiệm nào phải tuân thủ vấn đề đã đặt ra. Bởi vậy, quyển sách này không phải là một tài liệu chỉ dẫn - nó mô tả kiến thức hiện nay về các quá trình ảnh hưởng đến sự xáo trộn và phát tán các chất trong các cửa sông và khu vực nước ven bờ, để những khảo sát trong tương lai có thể thực hiện với kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng có thể có. Để cung cấp một cơ sở vững chắc nhằm hiểu biết những cơ chế quan trắc được trong biển, ba chương đầu bao trùm một số nét nổi bật về cơ học chất lỏng, xét đến những hiệu ứng phân tầng. Điều quan trọng là người đọc cần có những cơ sở nào đấy mà theo đó, rối liên quan đến sự lan truyền chất và cách tiếp cận 'cổ điển’ này được nói đến trong Chương 4. Tiêu điểm của quyển sác