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

đi qua các bãi cạn đó. Một số kết luận quan trọng có thể rút ra từ hình 20.8: a. Cả hai tàu đều cần chờ sóng triều thứ hai để vượt qua bãi cạn thứ ba. Tốc độ tàu nhanh hơn trong ví dụ này không đưa đến sự khác biệt về thời gian để hai con tàu cần vượt qua 170 km đầu của cửa sông. b. Con tàu chậm hơn có thể tránh được việc dừng chờ dọc đường nếu xuất phát chậm hơn một ít. Điều này có thể tiến hành bằng cách dịch chuyển đường cong cho tàu về bên phải một ít trên hình 20.8. Bãi cạn thứ hai sẽ ngập sâu trong đợt triều thứ nhất và tàu sẽ đến muộn đủ để bãi cạn thứ ba cho pháp tàu đi qua được. 118 119 Hình 20.8 Đường cong tương quan khoảng cách- thời gian đối với triều và tàu thuyền 120 c. Việc nao vét bãi cạn thứ 3 cũng tương đương việc nạo cả hai bãi cạn đầu và thứ hai đảm bảo cho tàu đi lại thuận lợi. d. Việc nạo vét dải ngầm ngoài cửa có thể cho phép tàu nhanh vượt qua cả bã cạn thứ hai và thứ ba trong con triều đầu. e. Việc nạo vét bã cạn thứ hai không làm biến đổi đặc biệt tới hành trình tàu trên cửa sông. Vấn đề lựa chọn các phương án nạo vét cũng như độ sâu cần thiết đối với các lạch tàu liên quan tơí các vấn đề kinh tế-kỹ thuật đã được đề cập tới trong chương 13. Việc xác định độ sâu tối ưu cho lạch tàu sẽ được xem xét kỹ lưỡng trong chương 5 của tập II. 20.7 Các tác động khác của triều Khi nước ngọt từ sông đổ ra gặp nước mặn, sự khác nhau của mật độ sẽ dẫn tới xuất hiện dòng chảy bổ sung. Sự biến đổi của độ muối cũng gây ảnh hưởng các tính chất hoá lý của trầm tích . Những vấn đề này sẽ được xem xét chung trong các chương 22 và 23. 121 21 Đo đạc triều trên sông E.W. Bijker 21.1 Mở đầu Một trong những yêu cầu quan trọng nhất về số liệu điều tra, khảo sát các sông có triều là mực nước. Việc quan trắc triều, độ sâu lạch và địa hình đáy đều liên quan tới vấn đề này. Những số liệu này có thể thu được dễ dàng từ các trạm tự ghi mực nước, qua đó có thể xác định được mực nước biển trung bình. Về nguyên tắc những số liệu tương tự có thể tiến hành đối với các vùng trong đất liền dọc theo các cửa sông thông qua các kỹ thuật khác nhau, tuy nhiên công việc này thường gặp rất nhiều khó khăn đặc biệt đối với các vùng biển nhiệt đới, tại đó hầu như không có được các chuỗi quan trắc đảm bảo. Một cách khác để xác định các số liệu mực nước tại những khu vực nêu trên sẽ được diễn giải trong phần tiếp theo. Cách này chủ yếu căn cứ vào chính đặc điểm của sông. Một trong những giả thiết quan trọng được sử dụng trong toàn chương này là việc cho rằng dòng nước ngọt từ sông đổ ra là không đáng kể. 21.2 Cách đặt vấn đề cụ thể Vấn đề đơn giản nếu chúng ta cần xác định mực biển trung bình tại cửa sông theo số liệu trạm đo mực nước. Chúng ta cũng dễ dàng tiến hành đo mực nước tại một điểm bất kỳ về phía thượng lưu ( điểm A trên hình 21.1). Vấn đề đặt ra bây giờ là xác định số liệu mực nước trên cho điểm thứ hai nằm trên điểm B. Cho rằng quy mô thời gian đo tại hai điểm nêu trên là đồng bộ. Bài toán bây giờ có thể dẫn đến việc xác định thời điểm mà tại đó mực nước trên hai trạm A-B như nhau không tạo nên độ nghiêng mặt nước. Như vậy giá trị tuyệt đối của mực nước tại hai trạm hoàn toàn như nhau. Vận tốc triều trên điểm C nằm giữa A và B cũng cần được xác định. Tất cả các loại số liệu nêu trên được dẫn ra trong bảng 21.1 và hình 21.1 đối với cửa sông nêu trên. 122 Hình 21.1 Sơ đồ sông 21.3 Ví dụ về phương pháp giải đơn giản Chuyển động triều trên sông có thể mô tả bằng phương trình sau: hC VgV x z q t V x V V 2         (21.01) trong đó: C là hệ số ma sát Chezy g là gia tốc trọng trường h là độ sâu t thời gian V là vận tốc dòng x toạ độ dọc sông z mực nước tuyệt đối. Phương trình này hoàn toàn như phương trình 20.02 ở chương trước. Nếu như các số hạng quán tính trong vế trái phương trình 21.01 có thể bỏ qua, thì độ dốc mặt biển sẽ đạt được tại thời kỳ nước đứng. Rất tiếc vì điều này quá đơn giản. Do vai trò quán tính khá quan trọng nên nước tiếp tục chảy cho tới khi độ dốc theo hướng ngược lại được hình thành. Điều đó có nghĩa rằng độ dốc sẽ bằng zero tại thời điểm trước khi nước đứng một khoảng t. Trong phần này ta cho rằng ảnh hưởng của quán tính khi khi triều cao cũng tương tự như khi triều thấp và do đó: tf = te (21.02) Nói cách khác tại thời điểm trước khi nước đúng lên tf và trước khi nước đứng rút te, giá trị mực nước tuyệt đối trên hai đường cong triều là như nhau. Giả thiết 21.02 sẽ đảm bảo nếu như không có dòng nước ngọt từ sông đổ ra. Trong trường hợp lưu lượng nước sông lớn, sai số của phép xấp xỉ này sẽ trở nên đáng kể. Trong trường hợp đó, phương pháp chúng tôi trình bày trong phần sau 123 sẽ đưa ra kết quả tốt hơn. Tuy nhiên những trường hợp lưu lượng lớn cũng làm biến đổi đáng kể các kết quả tính toán. Vấn đề được giải bằng toán đồ bằng cách dịch chuyển đường cong triều tại điểm B theo hướng thẳng đứng qua đường cong A. Khi vị trí được trùng với giá trị t, mực nước tại A và B như nhau tương ứng với tỷ lệ trục thẳng đối với A cũng như đối với B. Hai đường cong triều trong vị trí mô tả trên đây được thể hiện trên hình 21.3. Trên hình này đường cong triều A được thể hiện bằng đường đậm liền. đường cong của điểm được thể hiện bằng đường ngắt và thời điểm nước đứng cũng như trên hình 21.2. Giá trị thu được của t không có ý nghĩa đặc biệt nào. Chúng ta thực sự quan tâm đến giá trị zero được sử dụng trong chuỗi mực nước tại B vì nó tương đương với – 0,53 m so với mực nước trung bình. Như vậy chuỗi mực nước tại B có thể so sánh với mực nước trung bình bằng cách lấy giá trị trong bảng 21.1 trừ đi 0,53 mét. Bảng 21.1 Số liệu mực nước và dòng chảy Thời gian (h) Mực triều tại A (m) Mực triều tương đối tại B (m) Dòng chảy tại C (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +0,15 -0,35 -0,75 -1,00 -1,00 -0,75 -0,20 +0,30 +0,72 +0,95 +0,98 +0,80 +0,37 -0,18 -0,68 +0,99 +0,69 +0,22 -0,06 -0,21 -0,13 +0,15 +0,49 +0,91 +1,14 +1,32 +1,31 +1,11 +0,77 +0,39 -0,10 -0,35 -0,52 -0,60 -0,57 -0,45 -0,24 +0,10 +0,38 +0,50 +0,50 +0,37 +0,07 -0,25 -0,44 124 Hình 21.2. Mực nước nước triều tại A (trên), B (giữa) và dòng chảy tại C (dưới) Hình 21.3. Hiệu chỉnh các đường cong triều 21.4 Lời giải chính xác hơn Giả thiết cơ bản được sử dụng trong phần trước đó là các khoảng thời gian tf và te như nhau (phương trình 21.02). Giả thiết này thường không được đảm bảo, 125 đặc biệt trong trường hợp khi đường cong vận tốc tại điểm C trên hình 21.1 không đối xứng. Cơ sở lý thuyết vẫn dựa vào phương trình 21.01 mà chúng tôi một lần nữa nhắc lại đây để tiện trình bày: hC VgV x z q t V x V V 2          (21.01) Đối với các bài toán triều: t V x V V      (21.03) Điều này càng chính xác khi vận tốc trở nên bé gần điểm nước đứng. Mặt khác tại thời điểm quan tâm: 0   x z (21.04) Như vậy, khi thay 21.04 và bỏ qua các thành phần nhỏ không đáng kể trong phương trình 21.01, sẽ có: hC VgV t V 2    (21.05) có thể được thay bằng đạo hàm toàn phần trong 21.05: hC VgV dt dV 2  (21.06) Các biến có thể tách: hC gdt VV dV 2  (21.07) Tích phân biểu thức này cho ta: g hC tV 2  (21.08) Phương trình 21.08 cho ta mối tương quan giữa V và t gần thời điểm nước đứng, khi 0   x z . Một cách tương tự như trên ta có thể cho ta tương quan đối với t V   . Do độ sâu nước, h, tại cả hai điểm A và B có thể đo được vào thời điểm nước đứng cục bộ, chúng ta chỉ cần đánh giá hệ số ma sát Chezy để sử dụng phương trình 21.08. Sau khi thu được các giá trị cần thiết có thể xây dựng toán đồ đối với g hC consttV 2  cho điểm đứng triều cao tại B và điểm đứng triều thấp tại A. Các đường cong này có thể kết hợp với đường đo vận tốc tại C với điểm gốc toạ độ trùng nhau. Đường V-t từ phương trình 21.08 chuyển dịch dọc trục thời gian nhằm tìm ra các điểm trên đó nó là tiếp tuyến của các đường cong mực nước. Thời 126 điểm trên trục thời gian liên quan tới các điểm cắt đó chính là thời điểm tương ứng 0   x z và như vậy các đường cong triều A và B sẽ cắt nhau. Các thủ tục tiến hành vừa trình bày sẽ được chi tiết hoá trong ví dụ giả định sau. 21.5 Ví dụ Ví dụ này áp dụng cho cùng đối tượng sông như đã trình bày trên hình 21.1. Lần này số liệu được dẫn ra trong bảng 21.2 và hình 21.4. Hệ số Chezy được chọn bằng 60 m1/2/s. Bảng 21.2. Số liệu triều và dòng chảy Thời gian (h) Mực nước tại A (m) Mực nước tương đối tại B (m) Dòng chảy tại C (m/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +0,45 0.00 -0.33 -0,67 -0,90 -0,98 -0,79 -0,30 +0,40 +0,83 +1,00 +0,87 +0,60 +0,25 -0,15 0,75 +0,33 -0,04 -0,35 -0,55 -0,62 -0,47 -0,15 +0,35 +0,75 +0,98 +1,05 +0,87 +0,55 +0,15 +0,21 +0,07 -0,08 -0,21 -0,37 -0,50 -0,60 -0,62 -0,20 +0,40 +0,50 +0,42 +0,32 +0,14 -0,05 Độ sâu, h, tại điểm B trong khi nước đứng cao là 8 mét và tại B khi nước đứng thấp là 7 mét. Như vậy, đối với điểm A: 2568 81,9 )7()60( 22  g hC m (21.09) và điểm B: 2935 81,9 )8()60( 22  g hC (21.10) 127 Các đường cong hình 21.08 sử dụng các hằng số xác định từ hai phương trình trên được dẫn ra trên hình 21.05. Hình 21.4 Số liệu triều và dòng chảy Mỗi đường cong trên hình 21.5 được trích riêng từ hình 21.4. đường V-t được dịch chuyển ngang dọc theo trục toạ độ của đường vận tốc cho đến khi hai đường này tiếp tuyến với nhau. Điểm này được chiếu lên đường cong triều A. Tương tự có thể tiến hành đối với đường V-t thứ hai đối với đường cong triều A. 128 Hình 21.5 Các đường cong vận tốc Hình 21.6 Phương án giải bằng toán đồ Nếu như tất cả các giả thiết đưa ra là chính xác, thì đường cong triều B có thể đặt lên đường cong triều A và từ đó xác định các điểm cắt nhau như vừa tiến hành. Thông thường điều này khó có thể thành hiện thực, chúng ta có thể thu được kết quả cuối cùng bằng cách dịch chuyển đường cong triều B theo hướng thẳng đứng cho đến khi khoảng thời gian giữa các điểm cắt nhau theo lý thuyết và thực tế như nhau. Hình 21.6 cho ta đường cong vận tốc được đặt với các đường V-t. Các điểm cắt nhau được chiếu lên các đường cong triều. Hai khoảng thời gian bằng nhau cũng được đưa ra. Các số liệu của đường cong B được giảm đi 0,21 mét so với mực nước trung bình. 129 21.6 Phân tích đánh giá Cũng cần nhắc lại rằng phương pháp vừa trình bày tuy thuộc loại tốt nhất, nhưng cũng chỉ đưa ra các kết quả gần đúng. Những kết quả này cũng chỉ mới đảm bảo cho các khảo sát ban đầu. Khoảng cách dọc theo sông giữa các điểm A và B có thể biến đổi từ vài kilômét đến hàng trăm kilômét. Điều quan trọng là việc đo đạc dòng chảy cần tiến hành tại điểm giữa A và B. Khi độ sâu trở nên nhỏ, số hạng ma sát trong phương trình 21.01 tăng lên đến các giá trị tương đương số hạng quán tính. Đối với độ sâu đủ nhỏ, số hạng quán tính có thể bỏ qua và mặt nước có thể trở nên ngang đúng như vào thời điểm nước đứng. Trong trường hợp này các đường cong triều ngang và thẳng đứng lệch pha 1/4 chu kỳ. Các ảnh hưởng của sự khác biệt mật độ trên các cửa sông sẽ được trình bày trong chương tiếp theo. 130 22 Dòng chảy mật độ trong sông E.W. Bijker, L.E. van Loo, J. de Nekker 22.1 Mở đầu Trong hai chương trước chúng ta đã xem xét triều ảnh hưởng đến sông nhưng không để ý đến một thực tế rằng nước sông nhạt và nước biển mặn. Vai trò của chênh lệch độ muối đó lên các quá trình cửa sông sẽ được xem xét trong chương này. Chương 23 sẽ được xem như một chương bổ sung về ảnh hưởng của các cảng nằm dọc sông. Cách tiếp cận sử dụng trong chương này xuất phát hoàn toàn từ yêu cầu thực tiễn. Các phương pháp dẫn dắt tới những phương trình sử dụng trong chương này có thể tìm được từ các tài liệu tham khảo cũng như các sách chuyên đề về các loại dòng chảy mật độ. 22.2 Biến đổi độ mặn theo triều Nước biển sẽ đi vào các cửa sông khi triều lên ngoại trừ trường hợp nước sông đổ ra quá nhiều và chiếm lĩnh toàn bộ thể tích triều trong pha triều lên. Có rất ít sông thường xuyên đảm bảo lưu lượng nước để không cho phép nước biển xâm nhập ít ra là trong một thời kỳ ngắn. Độ muối tại nhiều điểm trên sông biến đổi tuân theo chu kỳ triều. Cũng do nước từ biển xâm nhập vào sông nên độ muối trong sông đạt cực đại vào kỳ nước đứng cao. Điều này được minh hoạ bằng bảng 22.1 và hình 22.1 đối với Rotterdam. Số liệu dòng chảy hoàn toàn giống như trong bảng 20.1. Cũng như lần trước, dòng chảy khi triều lên được xem là dương. Trong ví dụ này, độ muối cực đại đạt được ngay sau khi nước đứng cao. Việc giải thích hiện tượng này sẽ được trình bày trong phần 6 của chương này. Từ chương 3 chúng ta đã biết rằng độ muối nước biển vào khoảng 35%o, như vậy nước biển thực không bao giờ đạt tới Rotterdam. Các quá trình xáo trộn đã khuyếch tán nước biển vào nước sông và hình thành nên nước lợ. Nếu điểm quan trắc được tiến hành tại khu vực gần biển hơn thì có thể thu được độ muối cực đại cao hơn. Càng đi sâu vào trong sông thì giá trị cực đại này sẽ trở nên thấp hơn. 131 Hình 22.1 Dòng chảy và độ muối tại Rotterdam Bảng 22.1 Số liệu triều tại Rotterdam Thời gian (h) Dòng chảy (m/s) Độ muối sông (%o) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -0,15 +0,08 +0,60 +0,75 +0,44 +0,07 -0,44 -0,73 -1,03 -1,05 -0,85 -0,52 -0,30 2,48 2,47 2,83 3,64 5,08 7,25 8,06 7,16 6,08 4,90 3,64 2,65 2,48 132 Mức độ xáo trộn nước trên khu vực cửa sông có thể đánh giá gần đúng thông qua tỷ số giữa thể tích triều và lưu lượng sông. Trong bảng 22.2, tham số xáo trộn, M, được xác định theo biểu thức: P TQ M r '  (22.01) trong đó: M là tham số xáo trộn, P là thể tích triều, Qr là lưu lượng nước ngọt từ sông, T là chu kỳ triều, tính bằng giây (s). Trên các sơ đồ mặt cắt dọc sông, ta xem biển nằm về bên trái, các đường đẳng độ muối được dẫn ra. Bảng 22.2. Các đặc trưng xáo trộn sông M Mô tả Sơ đồ 0 Xáo trộn 0,1 Phân tầng một phần 1,0 Phân tầng mạnh Ghi chú: Các sơ đồ không trình bày theo tỷ lệ, Trên mỗi sơ đồ độ muối tăng về phía trái. Một hướng nghiên cứu cơ bản hơn để giải quyết vấn đề này đã được Ippen và Harleman (1961) áp dụng đối với các quá trình xáo trộn thông qua tham số phân tầng không thứ nguyên. Tham số này được xác định theo tỷ số sau: 133 22.3 Năng lượng tản mát / phần dư của thế năng được tính cho một đơn vị khối lượng chất lỏng. Năng lượng tản mát thực tế là phần suy giảm năng lượng triều trong cửa sông, còn phần dư của thế năng là phần thế năng thu được khi nước tăng mật độ (độ muối) trong quá trình chảy xuôi dòng. Harleman và Abraham (1966) đã cho rằng tham số phân tầng chỉ phụ thuộc duy nhất vào tham số không thứ nguyên của cửa sông, được định nghĩa theo hệ thức sau: M F TQ PF E r 22 '  (22.02) trong đó: F là số Froude tính theo vận tốc triều lên cực đại tại cửa sông. Do có thể xác định đễ dàng hơn nên tham số cửa sông tiện lợi hơn trong sử dụng so với tham số phân tầng. Ngược với tham số xáo trộn, quá trình xáo trộn cửa sông tăng lên cùng với sự gia tăng của tham số cửa sông. Cửa sông sẽ được xem là xáo trộn mạnh nếu như tham số cửa sông lớn hơn 0,15. Một vấn đề khác liên quan tới cửa sông là việc xác định phân bố độ muối trong cửa sông. Harleman và Abraham (1966) đã thử giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng mô hình lý thuyết 1 chiều đối với phân bố độ muối trong cửa sông. Trong mô hình trục toạ độ x được lấy theo hướng ngược dòng tính từ cửa vào theo trục lạch. Với mô hình 1 chiều, độ muối chỉ được xem biến đổi theo một hàm của thời gian và vị trí dọc theo trục lạch. Hơn nữa họ cho rằng phân bố độ muối được xác định bởi sự cân bằng giữa khuyếch tán đi vào và bình lưu đi ra đối với dòng nước ngọt từ sông. Do các trạng thái tới hạn của phân bố độ muối (xâm nhập cực đại và cực tiểu) xuất hiện vào các thời điểm nước đứng (tương ứng nước đứng cao và nước đứng thấp) chúng ta có thể nghiên cứu các trạng thái này sử dụng phương trình đạo hàm thường đơn giản: dx dS DSV SSr  (22.03) trong đó: Ss là độ muối vào thời điểm nước đứng, Vr là vận tốc dòng nước ngọt (có giá trị âm), x là trục toạ độ (dương theo chiều ngược dòng), D là hệ số khuyếch tán thực bao gồm tất cả các quá trình xáo trộn. Để giải được phương trình này, hệ số D cần được xem như một hàm của x. Biểu thức sau đây đã được sử dụng: Bx BD D   0 (22.06) trong đó: B là khoảng cách tính từ cửa sông đến địa đIểm độ muối bằng độ muối đại dương, và D0 là hệ số khuyếch tán tại x = 0. 134 Tại x = - B và D =  quá trình xáo trộn dẫn tới độ muối không đổi. (Các công thức 22.04 và 22.05 đã được lược bỏ trong lần hiệu đính này). Thay 20.06 vào 20.05 và lấy tích phân ta có:   BD B)xV tconsS rS 0 2 2 tanln   (22.07) Hằng số tích phân được xác định theo định nghĩa B:  0SS BxS độ muối đại dương (22.08) Theo đó công thức 22.07 trở thành:            2 00 2 exp Bx BD V S S rS (22.09) SS sẽ giảm khi x tăng, do VS có giá trị âm. Đối với từng cửa sông, hai ẩn số trong 22.09 là B và D0, có thể xác định được nếu như SS được xác định – từ số liệu quan trắc tại hai điểm khác nhau. Đôi khi có thể biến đổi 22.09 bằng cách sử dụng mối tương quan giữa D0 và B đối với Vr. Điều này có thể thu được như ví dụ sau đây đối với sông Chao Phya, Thái lan. Phương trình thu được đối với nước đứng thấp có dạng:  2/120 045,0)610)(18(exp rrS QxQSS  (22.10) Trong phương trình 22.10, Qr có thứ nguyên m 3/s và có giá trị dương, x thứ nguyên km. 22.4 Tương quan độ mặn – mật độ Biến đổi của độ muối sẽ dẫn tới sự biến đổi của mật độ, điều này cũng giống như trường hợp khi nhiệt độ biến đổi. Tương quan giữa mật độ với nhiệt độ và độ muối đã được đề cập tới trong chương 3. Trong khoảng biến đổi thực tế của hai yếu tố này, vai trò của độ muối đối với biến đổi mật độ lớn hơn nhiều so với nhiệt độ. Sự chênh lệch của mật độ trong thuỷ vực sẽ được xem như một biến độc lập trong những phần trao đôỉ tiếp sau đây. Các chênh lệc này có thể do nhiệt độ hoặc độ muối gây nên. Tuy nguyên nhân của sự biến đổi mật độ có thể sẽ quan trọng đối với các bài toán nhiệt động học hoặc ô nhiễm nhưng không quan trọng nếu xét từ góc độ hình thành dòng chảy. Vì lý do đó trong các phần sau chúng ta sẽ ít chú ý tới nguyên nhân của biến đổi mật độ, ngoại trừ một số trường hợp riêng. 22.5 Đặc trưng tĩnh của các khối nước phân tầng Có hai trường hợp tới hạn cân bằng tĩnh giữa hai khối nước có mật độ khác nhau căn cứ vào vị trí của các mặt phân cách. Trường hợp đơn giản nhất khi mặt phân cách này là một mặt phẳng nằm ngang. Nếu như khối nước trên có mật độ nhỏ hơn thì phân tầng sẽ ổn định. Trong thực tế mặt phân cách này có thể giữ ổn định kể cả trường hợp có chuyển 135 động của nước. Sự phân tầng này do chênh lệch nhiệt độ và độ muối có thể tồn tại trong các đại dương và trong các hồ. Trong trường hợp thứ hai, tồn tại một mặt phân cách thẳng đứng không ổn định. Những mặt phân cách như vậy có thể quan trắc thấy tại cửa ra vào các âu chuyển tàu. Trên hình 22.2 cho ta thấy sự phân bố của áp suất trên cửa âu tàu. Lực tổng cộng tác động lên cửa sẽ bằng zero, vì vậy: 2 22 2 11 2 1 2 1 ghgh   (22.11) trong đó: g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu,  là mật độ nước, các chỉ số 1 và 2 trong 22.11 tương ứng các khối nước khác nhau. Hình 22.2 áp suất lên mặt phân cách thẳng đứng Khi 2 > 1 thì 22.11 có dạng: 1 2 2 1    h h (22.12) Khi lực tổng cộng tác động bằng zero, hình 22.2 chỉ ta thấy momen tổng cộng cũng bằng zero. Dạng phân tầng mật độ như trên có thể xem như một dạng lý tưởng hoá một hiện tượng tự nhiên có thực khi trên cửa sông vào cảng có sự biến đổi đột ngột trong chu kỳ triều. Hiện tượng này, bao gồm lý thuyết về nó và các hệ quả sẽ được xem xét trong chương 23. 22.6 Sóng nội Khi có sự tồn tại của mặt phân tầng ngang trong chất lỏng sẽ xuất hiện sóng trên bề mặt đó ngay trong lớp nước nằm trên. Trong khi đó, lớp nước trên lại có 136 mặt phân cách giữa nước và không khí. Tuy nhiên đối với sóng nội trên mặt phân cách giữa hai lớp nước thì mật độ lớp nước trên không khác nhiều so với mật độ lớp nước dưới. Sự khác biệt không lớn về mật độ này có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến các hiện tượng liên quan, nếu như chúng ta đem so sánh với sóng gió trên mặt biển. Sóng nội có thể xuất hiện từ nhiễu động do tàu chạy, động đất hay lở đất. Chúng cũng có thể xuất hiện khi hai lớp nước này chuyển động tương đối với nhau. Vận tốc của sóng trên mặt phân cách này có thể thu được từ biểu thức: 2112 2112 )(      g c (22.13) trong đó: c là vận tốc sóng,  là độ dày của các lớp với các chỉ số 1, 2 tương ứng. Trên hình 22.3 các mũi tên chỉ hướng chuyển động của nước. Phương trình 22.13 sẽ chuyển về dạng 5.05b khi 1 =0. Do 1 gần như bằng 2 trong phương trình 22.13, nên có thể lấy gần đúng trong dạng sau đây: h g c 1 2112 )(     (22.14) h g c 21   (22.15) trong đó: 1 12     là mật độ tương đối của các khối nước và h là độ sâu tổng cộng: h = 1 + 2. Hình 22.3 Sóng nội Các loại sóng này có thể có biên độ rất cao, do ảnh hưởng của gia tốc trọng trường không lớn. Chúng thường kèm theo các dao động sóng ngược dấu không lớn trên mặt biển như được thể hiện trên hình 22.3. Nhìn chung đối với phép xấp xỉ bậc nhất tỷ số giữa độ cao sóng mặt và sóng nội có thể xem bằng . 137 Các loại sóng này có khả năng hấp thụ đại bộ phận năng lượng của “nước chết” do tàu tạo ra. Điều này có thể lý giải thông qua ví dụ. Một con tàu có mớm nước 4 m chuyển động trên cảng có phân tầng với lớp nước trên dày 3 m (độ muối 5%o, nhiệt độ 2C) và lớp dưới dày 7 m (độ muối 36 %o, nhiệt độ 4C). Vậy con tàu có thể đạt tới vận tốc cực đại bằng bao nhiêu? Từ bảng 3.3, chương 3 ta có: 322 311 70,1028;70,28 00,1004;00,4 m kg m kg t t     (22.16) Với 1 =3 m, 2 = 7 m, sử dụng 22.13 ta có: smc /709,0 )3)(7,1028()7)(1004( )7)(3)(81,9)(10047,1028(     (22.17) Chỉ có một cách để tàu có thể chạy nhanh hơn sóng là phải cắt qua hoặt trượt trên đó. Hiện tượng nước chết đóng một vai trò hết sức quan trọng trong trận thuỷ chiến gần Copenhagen cách đây mấy thế kỷ. Tại khu vực này nước nhạt biển Ban tích chảy ra trên lớp nước mặn từ Skagerrak vào. 22.7 Nêm mặn “tĩnh” Nêm mặn xuất hiện khi nước ngọt từ sông đổ ra biển gặp nước mặn. Nước biển xâm nhập vào đáy sông nằm ngay dưới lớp nước ngọt đó. Độ dài của nêm nước mặn xâm nhập được xác định dựa vào sự cân bằng giữa ma sát 1 trên mặt phân cách và gradien áp suất tổng cộng do độ nghiêng của bề mặt. Khi sự cân bằng này được đảm bảo thì nêm mặn được giữ vị trí ổn định và nước ngọt chảy từ sông ra sẽ lan truyền trong dạng một lớp mỏng trên mặt biển. Vai trò của nêm mặn sẽ được xem xét kỹ trong các phần tiếp theo. Schijf và Schonfeld (1953) đã rút ra một biểu thức đối với độ dài nêm mặn cho trường hợp lý tưởng đối với kênh hình chữ nhật, nước đổ vào biển không giới hạn và không có triều. Trong trường hợp không có xáo trộn qua mặt phân cách, biểu thức có dạng:        3/43/2 2 1 5 6 32 5 12 FF Ff h Lw (22.18)   2121 1 8 VVVV f l     (22.19) gh V F r   (22.20) trong đó: Lw là độ dài của nêm mặn, Vr là vận tốc dòng sông đoạn trên nêm mặn, V1 là vận tốc nước ngọt lớp trên nêm mặn, V2 là vận tốc trong nêm mặn, 138 1 là ứng suất ma sát dọc mặt phân cách. Tất cả những ký hiệu này được trình bày trên hình 22.4. Hình 22.4 Nêm mặn “tĩnh” trên cửa sông Biểu thức này cho ta thấy vai trò của độ sâu h, lưu lượng nước ngọt, Vr, và chênh lệch mật độ khi mặn xâm nhập. Giá trị tương đối chấp nhận được của f1 vào khoảng 0,1. Cách giải bằng đồ thị của biểu thức trên được Partheniades và các cộng tác viên xem xét vào năm 1980. Tất nhiên trong điều kiện cân bằng lý tưởng thì V2 = 0. Trường hợp này tương ứng không có ma sát trên đáy như được trình bày trên hình 22.4. Các số liệu sử dụng để vẽ hình 22.4 gồm: f1 = 0,08; h = 10 m; Vr = 0,2 m/s;  = 0,0246, trong trường hợp đó Lw = 2689 m. Hình vẽ được trình bày với sự khác nhau về tỷ lệ đứng và ngang là 1:100. Từ tĩnh được đặt trong dấu ngoặc kép bởi vì trong thực tế thường tồn tại các trạng thái cân bằng động. Quá trình xáo trộn sẽ diễn ra trên mặt phân cách các khối nước. Muối và nước biển sẽ vận chuyển vào và nước sông chảy ra biển. Trên hình