e. Phân loại theo cấu trúc độ mặn
5.6.4 Xâm nhập mặn và sự xáo trộn nước ở cửa sông
Ở các cửa sông, trạng thái dòng chảy rất phức tạp vì sự không ổn định, biến đổi theo không gian và tác động của mật độ. Chênh lệch mật độ giữa nước biển và nước ngọt có xu hướng tạo ra cửa sông phân tầng. Như vậy để vượt qua sự phân tầng cần phải có năng lượng. Các chuyển động rối tạo ra sự xáo trộn ở cửa sông và dòng triều cung cấp năng lượng yêu cầu. Do đó, sự phân tầng rõ rệt nhất thường xảy ra ở các cửa sông.
Nhưđã trình bày ở trên, cửa sông có thểđược phân loại theo sự phân tầng và phân bốđộ mặn. Các loại cửa sông sau cần được phân biệt:
- Cửa sông dạng nêm mặn phân tầng ở mức độ cao
- Cửa sông xáo trộn một phần và
Ở các cửa sông dạng nêm mặn phân tầng thì nước ngọt chảy phía trên nước mặn ra biển. Ở cửa sông xáo trộn hoàn toàn thì mật độ biến đổi trên toàn độ sâu. Cửa sông xáo trộn một phần thì nằm giữa hai trường hợp trên.
5.6.4.1. Tham số phân tầng
Tham số phân tầng được dùng để phân loại cửa sông và được biểu thị bằng tỷ số thể tích α và số Froude tỷ trọng ở cửa sông Ffr, tương ứng:
$1,0 fr fr t Q T u P u α = ≈π (5.14) $ 2 1,0 0 fr u F gh ρ ρ = Δ (5.15)
Trong đó α: tỷ số giữa lượng nước từ sông đổ ra cửa sông trong chu kỳ triều trên lượng nước triều, do Simmons (1955) đưa ra.
Fr0: Số Froude mật độ cửa sông Qfr: Lưu lượng nước sông T: Thời gian của chu kỳ triều
Pt: Lượng nước biển chảy vào cửa sông khi triều lên (lăng trụ triều) g: Gia tốc trọng trường.
$1,0
u : Tốc độ trung bình của dòng triều ở cửa sông.
ufr: Tốc độ nước sông, nghĩa là tốc độ nước sông chuyển qua mặt cắt ngang ở cửa sông.
h0: Độ sâu ở cửa sông.
ρ: Mật độ nước sông hoặc nước biển trộn đều.
Δρ: Chênh lệch mật độ nước biển với nước sông.
Simmons (1955) đã phân loại cửa sông theo chỉ số phân tầng α. Thatcher and Harleman (1981) phân loại cửa sông theo chỉ số phân tầng là “trị số cửa sông - estuary number”, ED, trị số cửa sông được xác định như sau:
$1,03 1 0 0 1 D fr u E Fr gh ρ α π ρ − = = Δ (5.16) Ởđây ED: Trị số cửa sông
Theo Van der Tuin (1991) β=1/αđưa vào một tham số phân tầng thuận tiện hơn so với chỉ sốα, vì rằng α là vô định khi không có thuỷ triều. Như vậy:
$,0 1 i t t fr P u Q T u β π = ≈ (5.17) Sử dụng β, ED =β.Fr0
Năng lượng dòng triều đưa vào trên một đơn vị diện tích và đơn vị thời gian tỷ lệ với ma sát đáy và tốc độ dòng triều (nghĩa là với tốc độ dòng triều bậc ba). Năng lượng vào này kiểm soát sự phân tầng ở cửa sông. Những biến đổi năng lượng vào cửa sông tỷ lệ với tích của dòng chảy sông xét trên một đơn vị chiều rộng và độ chênh lệch mật độ giữa nước biển và nước sông.
Vì vậy, trị số cửa sông (estuary number) là độ đo tỷ số năng lượng dòng triều đưa vào và năng lượng cần thiết cho quá trình xáo trộn.
Bảng 5.1 cho biết sự phân loại các tham số phân tầng theo Simmons (1955) dựa vào chỉ sốα và β, và theo Ippen và Harleman (1967) dựa vào chỉ số ED.
Bảng 5.1 Phân loại cửa sông theo các tham số phân tầng.
Loại cửa sông α β ED Phân tầng mạnh α>1 β<1 ED <0,2 Xáo trộn một phần 0,1<α<1 1<β<10 0,2<ED<8 Xáo trộn mạnh α<0,1 β>10 ED>8
5.6.4.2. Hoàn lưu trọng lực ở cửa sông (Gravitational circulation in estuaries)
Ta xem xét cửa sông có xáo trộn mạnh trên toàn bộ chiều sâu. Giả thiết này hàm ý là mật độ nước không thay đổi theo độ sâu. Ở cửa sông có sự xáo trộn mạnh mật độ nước chỉ biến đổi theo chiều dài đoạn cửa sông kể từ ngưỡng cửa, càng vào sâu trong sông mật độ càng giảm cho đến khi là nước ngọt hoàn toàn. Nguyên do là tác động của mật độ nước biến thiên theo thời gian. Hơn nữa là do tác động của thuỷ triều cả theo độ sâu, khoảng cách đến cửa sông và theo thời gian. Trong các công thức
ρ = f(x,t) ; h=f(x,t) (5.18)
Ởđây x: Chiều dài sông (khoảng cách sông tính từ cửa sông) t: Thời gian Chênh lệch mật độ có ảnh hưởng rất quan trọng đến dòng chảy vùng cửa sông bởi vì làm thay đổi áp lực. Đối với cửa sông xáo trộn mạnh thì biểu thức tính áp suất được viết như sau: Hình 5.25
p= ρg(h+ hb – z) (5.19) Ởđây z: tung độ
hb: tung độ của đáy sông xem hình 5.25.
Nếu áp suất ở mực nước z hướng ra biển của khối lượng nước cho trước là lớn hơn phía đất liền thì sự chênh lệch áp suất tạo nên nước lực hướng vào phía thượng lưu vì vậy xuất hiện gia tốc hướng vào trong sông. Lực này được viết như sau:
p 1 p F x ∂ = − ρ ∂ (5.20)
Ởđây Fp : Lực hướng về phía thượng lưu xét trên một đơn vị khối lượng nước sinh ra do sự biến đổi áp suất p theo chiều dài sông x.
Nếu áp suất hướng ra biển xét trên một đơn vị khối lượng nước lớn hơn so với lực hướng vào đất liền và khí đó x được quy ước là dương “+” thì ∂p/∂x là âm. Điều này giải nghĩa cho dấu “-” ở phương trình 5.20 khi cả Fp và x là dương theo hướng về thượng lưu.
Chênh lệch áp suất giữa hai phía của khối lượng nước được xem xét có thể là do hai nguyên nhân: độ dốc mặt nước và chênh lệch mật độ. Trong số hai nguyên nhân trên thì nguyên nhân do độ dốc được coi là phân bốđều theo độ sâu còn nguyên nhân do mật độ thì có sự chênh lệch tăng dần theo độ sâu. Xem hình 5.26 được rút ra từ phương trình 5.19 bằng cách vi phân áp suất theo phương ngang và giữ cho z không đổi (z=const).
Đối với cửa sông xáo trộn mạnh thoả mãn phương trình 5.18 cho ở bất kỳ tời điểm nào. ( ) 1( ) ( ) 1 1 1 1 2 2 b b p b b h h h h F g h h z g g hg h h z g x x x x x ρ ρ ρ ρ ρ ρ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ⎛ ⎞ ∂ = − − + − = − − − ⎜ + − ⎟ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ⎠ ∂ 5.21) (a) (b) (c) Các giá trị tức thời của thành phần (b) và (c) của phương trình 5.21 là khá nhỏ so với giá trị tức thời của thành phần (a). Tỷ số (b) so với (a) chính là bậc của Δρ/ρ. Cũng tương tự như tỷ số của thành phần (c) so với thành phần (a). Vì vậy ảnh hưởng của thành phần (a) đối với
dòng chảy tức thời là chính yếu.
Hình 5.27a cho thấy sự biến đổi của h và ρ dọc theo cửa sông và sự biến thiên của các thành phần (a), (b) and (c) của phương trình 5.21 theo độ sâu. Sự khác biệt được tạo nên giữa điều kiện dòng triều lên và dòng triều xuống.
Thành phần (a) biểu diễn ảnh hưởng của độ dốc mặt nước lên lực hữu hiệu tác động lên một đơn vị khối lượng chất lỏng, không biến đổi theo độ sâu. Điều này giải thích tại sao thủy triều tạo nên độ dốc mặt nước thay đổi, sự gia tăng cân bằng nước theo độ sâu. Khi triều lên ∂h/∂x mang giá trị âm, vì thế thành phần (a) là dương (Fp
hướng về phía đất liền-thượng lưu). Thời gian triều xuống ∂h/∂x mang giá trị dương, và vì vậy thành phần (a) là âm (Fp hướng ra biển).
Thành phần (b) không biến đổi
theo độ sâu. Điều đó thể hiện ảnh hưởng của sự chênh lệch mật độđối với dòng triều trung bình theo độ sâu là tương đối nhỏ. Như đã biết mật độ nước giảm khi tiến vào bờ, ∂ρ/∂x là âm trong toàn bộ chu kỳ triều. Vì thế, thành phần (b) là dương trong suốt một chu kỳ triều (hướng về thượng lưu). Vì thế, ảnh hưởng thuỷ triều bình quân của nó không thể loại bỏ so với thành phần (a), vì nó thay đổi dấu trong chu kỳ triều. Vì vậy, thành phần (b) có ảnh hưởng đến trị sốđộ sâu bình quân của chu kỳ triều.
Bình quân hoá theo độ sâu, thành phần (c) sẽ bằng không (zero), nghĩa là nó không ảnh hưởng đến dòng triều bình quân theo độ sâu. Tuy nhiên, nó biến đổi từ từ theo độ sâu dẫn đến tốc độ dòng chảy cũng biến đổi theo độ sâu.
Do ∂ρ/∂x mang giá trị âm trong suốt chu kỳ triều thành phần (c) sẽ không đổi dấu trong chu kỳ triều. Vì vậy nó là ảnh hưởng lớn đến sự biến thiên dòng chảy bình quân chu kỳ triều theo độ sâu. Trong suốt chu kỳ triều, từđáy đến nửa độ sâu (0 < z < 1/2h) thành phần (c) là dương, nước chịu tác động của lực hướng về thượng lưu và dòng chảy bình quân chu kỳ triều có hướng về thượng lưu. Đối với phần từ độ sâu trung bình lên mặt nước (1/2h < z < h) trong suốt chu kỳ triều thành phần (c) là âm, lúc này chịu tác động của lực hướng ra phía biển và trong chu kỳ triều dòng chảy hướng ra biển. Như vậy có thể hiểu được sự xuất hiện hoàn lưu trọng lực sinh ra do cơ chế xâm nhập mặn từ biển vào trong sông ở các vùng cửa sông (hình. 5.27b).
Hoàn lưu trọng lực được hình thành là do quá trình xâm nhập mặn vào cửa sông gây nên. Dù việc xáo trộn là toàn phần hay một phần đều phụ thuộc vào cường độ thuỷ triều cung cấp năng lượng cho sự xáo trộn. Sự xáo trộn một phần thì sự chênh lệch mật độ, nguyên do sâu xa là chênh lệch độ muối của lớp nước mặt và dưới đáy phải xem xét. Sự xáo trộn là hoàn toàn thì sự chênh lệch giữa độ muối ở lớp nước mặt và ở sát đáy bị loại bỏ.
Hình 5.28 Ảnh hưởng của độ muối đến sự phân bố vận tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng theo (Harleman and Ippen, 1969)
Hình 5.29 Vai trò quan trọng của điểm ngưng (null point) trong bài toán nước nông.(Harleman and Ippen, 1969)
Sự xâm nhập mặn có thể dẫn đến ô nhiễm nước ngọt do khi lấy nước ngọt ở dọc sông vùng triều. Nước muối có thể xâm nhập xa hơn khi độ sâu lớn hoặc dòng chảy nước sông là nhỏ. Vì thế, loại ô nhiễm này có thể là kết quả từ việc nạo vét sâu luồng tàu ở vùng cửa sông vào mục đích vận tải thuỷ hoặc do sự lấy nước ngọt ở thượng lưu dọc sông để tưới ruộng.
Ở vùng xâm nhập mặn, do hoàn lưu trọng lực mà dòng chảy trung bình theo thời gian ở đáy hướng về thượng lưu (landwards). Đối với nước ngọt ở vùng thượng lưu, dòng chảy trung bình theo thời gian ở đáy có hướng chảy ra biển. Hai vùng nước này được phân tách bằng điểm ngưng triều ("null point") với dòng chảy trung bình theo thời gian trên toàn độ sâu trừ phần sát đáy là bằng không (zero) (hình. 5.28). Hình. 5.29 giải thích ý nghĩa của điểm ngưng triều có liên quan đến quá trình bùn cát
- Dòng sông có thểđưa các vật liệu thô và mịn ra biển.
- Những hạt vật liệu thô tụ tập ở vùng Q,
- Những hạt vật liệu mịn có thểđược chuyển tải bởi phần R,
- Những phần tử mịn này kết bông, ngưng keo rơi qua mặt giao diện S (xem van Leussen (1988) do ảnh hưởng của độ muối đến sự kết bông và tốc độ sa lắng của các hạt keo (floes),
- Các hạt phù sa mịn rơi qua mặt giao diện trên được đưa lên vùng U do dòng chảy hướng vào nội địa bởi thành phần T, - Vùng U là vùng các vật liệu được mang từ biển vào tích tụ Qua thời gian kết quả độ đục lớn nhất
của phù sa lơ lửng tìm được ở đáy gần điểm ngưng triều, ở đây quá trình sa bồi xả ra (Ippen and Harleman (1969), Dyer (1988)).
Hình 5.30 cho thấy ý nghĩa của điểm ngưng triều đối với quá trình sa bồi ở cửa sông Savannah. Hình này cho ta thấy sự phân bố vật liệu sa lắng dọc ở vùng cửa sông .
Sự tích tụ sa bồi xẩy ra ở vùng ngưng triều. Vị trí của điểm ngưng triều có thể tìm thấy từ độ lớn của các tham số u$b so với ufr, ở đây u$b là giá trị trung bình theo thời gian của tốc độởđáy và ufr là dòng chảy trung bình mặt cắt ngang.
5.6.4.4. Các biến độc lập (Independent variables)
Bảng 3.2 là danh sách các biến độc lập, mô tả quá trình xâm nhập mặn và ảnh hưởng của chúng đến xâm nhập mặn. Hình 5.31 cho thấy những thông tin định lượng rút ra từ nghiên cứu trên máng thuỷ lực của Viện nghiên cứu thuỷ lực Delft ở Hà Lan (Rigter, 1973). Hình ảnh này cho thấy ảnh hưởng của các biến độc lập được tách rời đối với độ dài xâm nhập mặn lớn nhất và nhỏ nhất khi triều dâng và khi triều rút.
Năng lượng chảy rối cần thiết để tạo nên sự xáo trộn theo phương thẳng đứng. Năng lượng này tăng lên khi độ sâu dòng nước tăng, lưu lượng nước sông đổ ra tăng, kéo theo sự gia tăng chênh lệch mật độ, nghĩa là chênh lệch giữa nước sông và nước biển. Năng lượng này biến thiên theo độ xáo trộn tăng theo độ nhám lòng.
Năng lượng hữu hiệu xáo trộn cho quá trình xáo trộn tăng lên theo tăng độ nhám và tăng độ lớn thuỷ triều. Những quan trắc này giải thích ảnh hưởng của các biến độc lập đến sự phân tầng.
Hình 5.30 Điểm ngừng triều và sa bồi quan trắc được ở cửa sông Savannah (Harleman and Ippen, 1969)
Bảng 5.2 Ảnh hưởng của các biến độc lập chính
Ảnh hưởng tăng lên của các biến độc lập đến:
Biến độc lập Phân tầng Xâm nhập mặn
Độ sâu nước + +
Lưu lượng nước sông +
Kéo theo sự chênh lệch mật độ nước + +
Độ nhám đáy
Biên độ triều (a) - khi (a) nhỏ
+ khi (a) lớn + : Sự phân tầng hay xâm nhập mặn tăng theo sự tăng giá trị của biến độc lập - : Sự phân tầng hay xâm nhập mặn giảm theo sự giảm giá trị của biến độc lập Tốc độ dòng nước ngọt, chính là tỷ số lưu lượng nước sông với diện tích mặt cắt ngang của đoạn cửa sông giảm theo độ sâu và tăng khi lưu lượng nước sông tăng. Vì thế, nước muối xâm nhập tăng khi độ sâu tăng (hình. 5.31e) giảm khi lưu lượng nước sông giảm (hình 5.31d). Sự tăng cường hoàn lưu trọng lực làm cho sự xâm nhập mặn tăng do sự gia tăng của chênh lệch mật độ (hình 5.31f).
Quá trình xáo trộn theo phương thẳng đứng là nhân tố làm hạn chế sự xâm nhập mặn, đó là lý do sự xâm nhập mặn giảm khi độ nhám lòng tăng, nghĩa là khi hệ số Chezy giảm (hình 5.31b).
Ảnh hưởng của độ lớn thuỷ triều được khẳng định bởi hai yếu tố ngược nhau:
Biên độ thuỷ triều lớn ở ngoài cửa sông ứng với khi triều mạnh, kết quả làm cho quá trình xáo trộn được tăng cường và giảm sự phân tầng. Quá trình rối càng mạnh thì sự xâm nhập mặn càng yếu. Vì thế ảnh hưởng của xâm nhập mặn càng trở nên nhỏ hơn khi biên độ thuỷ triều tăng, cửa song là phân tầng.
Biên độ thuỷ triều lớn ở ngoài cửa sông là ứng với hướng truyền triều càng rộng. Hướng truyền triều càng rộng thì sự xâm nhập mặn càng sâu khi nước triều dừng (water slack). Do ảnh hưởng này mà sự xâm nhập mặn có xu hướng rộng hơn khi biên độ triều tăng, cửa sông là xáo trộn mạnh.
Với cơ chế tương phản trên chiếm ưu thế với sự phân tầng khi triều mạnh. Rigter (1973) đã nghiên cứu trong máng thí nghiệm đã làm sáng tỏ thực tế là sự xâm nhập mặn khi triều đổi hướng ở mực nước đỉnh triều giảm khi tăng biên độ thuỷ triều và chậm hơn một chút, khi xâm nhập mặn khi triều đổi hướng ở mực nước đỉnh triều tăng khi tăng biên độ thuỷ triều và chậm hơn một cách đáng kể. Với biên độ thuỷ triều trung bình xâm nhập mặn khi triều đổi hướng (slack) ở mực nước đỉnh triều tìm được biên độ nhỏ nhất (Hình 5.31a).
Nhân tố tiếp theo được xem xét là sự khuyếch đại của chuyển động triều trong lngf dẫn cửa sông. Sự khuyếch đại lớn nhất của chuyển động triều xảy ra khi chiều dài lòng dẫn ứng với một phần tư chiều dài sóng triều. Sự khuếch đại nhỏ nhất của chuyển động triều khi chiều dài kênh ứng với một nửa chiều dài sóng triều (Pugh, 1987).