Nghiên cức những hệ thống phân tầng

274 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 275 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. 276 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. 277 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. 278 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 279 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 « 280 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 281 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 282 ®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 283 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. 284 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) 285 §· 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 286 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