Nghiên cứu những hệ thống phân tầng một phần

317 Ch­¬ng 10. Nghiªn cøu nh÷ng hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn 10.1 Giíi thiÖu Trong Ch­¬ng 8 nh÷ng kÕt qu¶ kh¶o s¸t thùc nghiÖm trong m«i tr­êng biÓn x¸o trén m¹nh ®· ®­îc th¶o luËn, nh÷ng tr­êng hîp nghiªn cøu ®Æc tr­ng ®­îc dïng ®Ó minh häa tr¹ng th¸i ph¸t t¸n trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh­ vËy. Khi cét n­íc x¸o trén m¹nh, nãi chung do rèi m¹nh ph¸t sinh bëi ma s¸t cña biªn víi dßng ch¶y, mÆc dÇu viÖc khuÊy bëi t¸c ®éng giã vµ sãng t¹i mÆt n­íc còng hç trî qu¸ tr×nh ®ång nhÊt ho¸. Trong nh÷ng hoµn c¶nh nh­ vËy, ®éng l­îng s½n sµng vËn chuyÓn qua cét n­íc, dÉn ®Õn møc ®é tr­ît t­¬ng ®èi thÊp. ThuËt ng÷ 'thÊp' ph¶i ®­îc sö dông víi sù c©n nh¾c, v× n­íc x¸o trén m¹nh liªn quan ®Õn nh÷ng dßng ch¶y m¹nh cã thÓ ph¸t sinh tr­ît ®¸ng kÓ; chÝnh x¸c h¬n cÇn nãi r»ng ®é tr­ît trªn ®¬n vÞ 'dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u' lµ thÊp. Tæng qu¸t, ph¸t t¸n trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®ång nhÊt liªn quan ®Õn x¸o trén m¹nh vµ ®é tr­ît thÊp. Ng­îc l¹i, ph¸t t¸n trong nh÷ng dßng ch¶y ph©n tÇng, nh­ ®· xÐt trong Ch­¬ng 9, phô thuéc ®¸ng kÓ vµo x¸o trén vµ sù tr­ît qua mÆt ph©n c¸ch mËt ®é, ngoµi ra lµ rèi ph¸t sinh bëi ma s¸t biªn. Sù tr­ît mÆt ph©n c¸ch g©y ra nh÷ng bÊt æn ®Þnh ph¸t sinh rèi c­êng ®é cao, th­êng lµ gi¸n ®o¹n, trong khu vùc l©n cËn nªm mËt ®é. H¬n n÷a, viÖc t¹o thµnh nh÷ng bÊt æn ®Þnh nµy ®­îc trî gióp bëi sù tr­ît qua nªm mËt ®é, mµ ®Õn l­ît nã ®­îc t¨ng c­êng bëi ®éng l­îng th¼ng ®øng, ®éng l­îng nµy bÞ gi¶m d­íi nh÷ng ®iÒu kiÖn ph©n tÇng. Nh­ vËy ph¸t t¸n trong dßng ch¶y ph©n tÇng liªn quan ®Õn x¸o trén yÕu vµ tr­ît m¹nh. Ch­¬ng cuèi cïng nµy nh»m môc ®Ých ph¸c ho¹ ®ång thêi nh÷ng kÕt qu¶ kh¶o s¸t, c¶ trong phßng thÝ nghiÖm vµ hiÖn tr­êng, ®Ó thÊy r»ng nh÷ng qu¸ tr×nh ph¸t t¸n cã vÎ bÞ ¶nh h­ëng bëi sù biÕn ®æi æn ®Þnh ®­îc quan tr¾c trong c¸c cöa s«ng vµ n­íc ven bê ra sao. §Ó b¾t ®Çu, chóng ta xÐt mét vµi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y kh¸c nhau g©y ra nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt cña tr­ît vµ rèi. MÆc dÇu mét dßng ch¶y ®Æc tr­ng cã thÓ tõ mét møc ®é æn ®Þnh, vµ do x¸o trén trë thµnh dßng ch¶y kh¸c trong mét chu kú thêi gian ng¾n, sù xuÊt hiÖn ngÉu nhiªn cña nh÷ng sù kiÖn nµy kh«ng ®óng víi møc ®é trËt tù vèn cã. KhÝa c¹nh nµy sÏ ®­îc th¶o luËn trong môc 10.3.1 vÒ nguån muèi cöa s«ng, cã thÓ ph¸t biÓu ®¬n gi¶n lµ ®iÒu kiÖn mµ ®é mÆn trung b×nh trong mét chu kú dµi t¹i mét vÞ trÝ ®· cho trong cöa s«ng kh«ng ®æi. Nguån muèi sÏ sö dông ®Ó chØ ra cã thÓ sö dông ph©n bè ®é mÆn nh­ mét ®¸nh gi¸ ban ®Çu nh÷ng ®Æc tr­ng ph¸t t¸n cña mét hÖ thèng nh­ thÕ nµo. Trong n­íc ven bê nh÷ng kh¸c biÖt ®é mÆn cã thÓ kh«ng ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng gradient khuyÕch t¸n mét c¸ch chÝnh x¸c vµ nh÷ng nghiªn cøu ph¸t t¸n dùa trªn mét chÊt chØ thÞ 318 ®­îc tr×nh bµy. Bëi vËy, môc tiÕp theo kh¶o s¸t viÖc c¸c thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ ®· chØ ra ph¹m vi nh÷ng hÖ sè ph¸t t¸n trong nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nhau cña dßng ch¶y vµ sù æn ®Þnh ra sao. Nh÷ng ph¸t hiÖn nµy sÏ ®­îc th¶o luËn d­íi ¸nh s¸ng cña hiÓu biÕt hiÖn t¹i vÒ m«i tr­êng biÓn côc bé. T¹i ®iÓm nµy sÏ trë nªn râ rµng ®èi víi ng­êi ®äc lµ sù hiÓu biÕt thËt sù vÒ ph¸t t¸n, nh÷ng nguyªn nh©n vµ nh÷ng hiÖu øng cña nã, lµ mét qu·ng ®­êng dµi ph¶i ®i. Bëi vËy, ch­¬ng nµy kÕt luËn b»ng mét vµi nhËn xÐt vÒ nh÷ng con ®­êng cã thÓ nghiªn cøu, Ýt nhÊt còng xÐt ®Õn tiÒm n¨ng lín sö dông c«ng nghÖ míi. 10.2 qu¸ ®é 10.2.1 Sù thÝch øng cña ph¸t t¸n ®èi víi nh÷ng møc ®é rèi kh¸c nhau Trong nh÷ng ch­¬ng tr­íc ®©y ®· thÓ hiÖn r»ng ph¸t t¸n phô thuéc vµo møc ®é x¸o trén vµ ®é lín cña tr­ît th¼ng ®øng vµ n»m ngang. Trong ch­¬ng nµy sù chó ý tËp trung vµo tr­ît th¼ng ®øng v× ®©y th­êng lµ yÕu tè thèng trÞ ë xa nh÷ng biªn ngang nh­ ®­êng bê hoÆc nh÷ng hßn ®¶o. H¬n n÷a, ph©n tÇng mËt ®é ¶nh h­ëng ®Õn ph©n bè th¼ng ®øng cña x¸o trén vµ tr­ît, vµ ®Æc ®iÓm nµy cã mèi quan t©m ®Æc biÖt lµ nghiªn cøu qu¸ tr×nh ph¸t t¸n trong nh÷ng hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn. Còng ®· chØ ra r»ng rèi sö dông hiÖu øng ph¶n håi lªn ph¸t t¸n ë chç møc ®é t¨ng rèi, vµ do ®ã lµ x¸o trén, t¹o ra sù thay ®æi ph©n bè tr­ît vËn tèc, ¶nh h­ëng lªn sù ph¸t sinh vÒ sau cña chuyÓn ®éng rèi. Møc ®é rèi trong dßng triÒu phô thuéc vµo søc m¹nh cña dßng triÒu, vµ bëi vËy møc ®é ph¸t t¸n chÊt hoµ tan ph¶i biÕn ®æi ®¸ng kÓ trong mét chu kú triÒu. Ngoµi ra, sù t¨ng rèi gi¸n ®o¹n ®· ®­îc quan tr¾c trong nh÷ng dßng triÒu (Heathershaw, 1974). Nh÷ng sù kiÖn 'næ tung' nµy bÒn v÷ng víi kho¶ng tõ 5 ®Õn 10 gi©y vµ cã ®é c¸ch gi·n lµ 100 gi©y. Nh÷ng thùc nghiÖm trong phßng cña Linden vµ Simpson (1988) m« t¶ trong môc 9.4.2 ®­îc sö dông ®Ó suy luËn sù ph¸t t¸n thÝch øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén kh¸c nhau ra sao, chóng ®­îc t¹o ra b»ng c¸ch cho nh÷ng bät kh«ng khÝ khuÊy hai líp trong bÓ chøa. Sù tr­ît vËn tèc cã tr¸ch nhiÖm víi ph¸t t¸n ph¸t sinh bëi sù x©m nhËp cña n­íc mÆn d­íi mét líp n­íc ngät; ®iÒu nµy t¹o nªn dßng ch¶y mËt ®é (tµ ¸p). Hai khÝa c¹nh ®­îc kh¶o s¸t - tr­íc hÕt, sù thÝch øng cña ph¸t t¸n víi kho¶ng thêi gian cña chu kú x¸o trén , b»ng tÇn sè t¹i ®ã dßng kh«ng khÝ ®­îc më vµ ng¾t xen kÏ, vµ thø hai, sù thÝch øng cña ph¸t t¸n ®èi víi søc m¹nh cña lùc ®iÒu khiÓn tµ ¸p. Tham sè nµy cho b»ng ' t 2 xu Hg B    ρ ρ (10.1) trong ®ã H lµ ®é s©u n­íc vµ u’t lµ c­êng ®é rèi rms (root mean square - c¨n bËc hai trung b×nh b×nh ph­¬ng – ND) liªn quan ®Õn bät. HÖ sè ph¸t t¸n däc K(B) x¸c ®Þnh cho nh÷ng gi¸ trÞ kh¸c nhau cña  vµ B, vµ chuÈn hãa b»ng c¸ch sö dông nh÷ng gi¸ trÞ K(0) lµ hÖ sè ph¸t t¸n chØ do bät. H×nh 10.1 cho thÊy h×nh vÏ kÕt qu¶. Nh÷ng ph¸t hiÖn chØ ra r»ng ®èi víi mét gi¸ trÞ ®· cho cña B, tû lÖ K(B)/K(0) t¨ng khi chu kú gi¸n ®o¹n  cña rèi t¨ng. §iÒu nµy ®­îc quy cho sù tr­ît t¨ng c­êng gi÷a hai líp khi nh÷ng bät ®­îc ng¾t, cho phÐp dßng ch¶y mËt ®é t¨ng tèc. Tû lÖ K(B)/K(0) còng 319 t¨ng cïng víi sù t¨ng cña B víi mét gi¸ trÞ cè ®Þnh cña , nh­ thÓ do viÖc c­êng ho¸ hoµn l­u tµ ¸p bëi nh÷ng gradient mËt ®é lín h¬n. MÆc dï dßng ch¶y mËt ®é chØ thÓ hiÖn mét yÕu tè ph¸t sinh tr­ît th¼ng ®øng, nh÷ng thùc nghiÖm râ rµng thÓ hiÖn tÇm quan träng cña rèi biÕn ®æi theo thêi gian trong viÖc ®iÒu khiÓn ®é lín ph¸t t¸n däc. H×nh 10.1 HÖ sè ph¸t t¸n däc K(B) ®­îc chuÈn hãa bëi K(0), gi¸ trÞ chØ do nh÷ng bät, vÏ theo tham sè B tµ ¸p. Nh÷ng ch÷ thËp t­¬ng øng víi dßng ch¶y trong ®ã rèi kh«ng thay ®æi theo thêi gian; nh÷ng ®iÓm kh¸c t­¬ng øng víi dßng ch¶y rèi tuÇn hoµn víi ba chu kú dao ®éng kh¸c nhau. (Theo Linden vµ Simpson, 1988, víi sù cho phÐp th©n thiÖn cña Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Kidlington 0X1 1GB, V­¬ng quèc anh) Nh÷ng quan tr¾c trong c¸c cöa s«ng ph©n tÇng mét phÇn ®· chØ ra r»ng cÊu tróc vËn tèc vµ mËt ®é cã thÓ tr¶i qua nh÷ng biÕn ®æi ®¸ng kÓ trong thêi gian mét chu kú thñy triÒu, dÉn ®Õn nh÷ng thay ®æi râ rÖt hÖ sè khuyÕch t¸n däc hiÖu qu¶ Kxe (West vµ Mangat, 1986; West vµ Shiono, 1988). §· thÊy trong nh÷ng môc 9.2.2 vµ 9.2.3 r»ng, nh÷ng thay ®æi ®¸ng kÓ vµ ®«i khi nhanh cña cÊu tróc mËt ®é vµ vËn tèc cã thÓ xuÊt hiÖn trong c¸c cöa s«ng nªm mÆn. Chóng ®­îc gäi lµ nh÷ng chu kú x¸o trén m¹nh (IMP), ®­îc quan tr¾c trong nh÷ng hÖ thèng ph©n tÇng mét phÇn. VÝ dô, nh÷ng quan tr¾c t¹i Blue House Point trong cöa s«ng Tees, phÝa §«ng B¾c n­íc Anh, chØ ra r»ng mét IMP b¾t ®Çu xuÊt hiÖn vµo kho¶ng 11,00 giê, øng víi 1,5 giê sau n­íc lín (h×nh 10.2) (New vµ nnk., 1986 ). T¹i vÞ trÝ nµy sù chuyÓn ®éng m¹nh vÒ phÝa biÓn cña n­íc mÆt ®­îc dù kiÕn g©y ra sù ph©n tÇng t¨ng c­êng trong thêi gian triÒu xuèng, khi n­íc nhiÔm mÆn ®­îc mang vÒ phÝa biÓn trªn líp cã ®é mÆn thÊp h¬n. 320 H×nh 10.2 BiÕn ®æi ®é mÆn trong cöa s«ng Tees khi triÒu xuèng, cho thÊy sù x¸o trén h­íng lªn cña muèi mÆt n­íc s0, muèi t¹i ®¸y sb. (Theo New vµ nnk., 1986, ®­îc sù ®ång ý cña Academic Press) Tuy nhiªn, nh­ thÊy trong h×nh vÏ, viÖc b¾t ®Çu x¸o trén m·nh liÖt lµm cho nªm mÆn sÏ bÞ mßn xuèng d­íi, mang muèi nhiÒu h¬n lªn n­íc gÇn mÆt. Sù x¸o trén m¹nh nµy tiÕp tôc cho ®Õn kho¶ng 5 giê sau n­íc lín, b»ng thêi gian ®ã cét n­íc gÇn nh­ ®ång nhÊt vµ bÊt kú sù x¸o trén tiÕp theo nµo còng cã hiÖu øng kh«ng ®¸ng kÓ lªn ph©n bè ®é mÆn n­íc mÆt. Nh­ ®· thÊy, sù ph¸t triÓn cña rèi m¹nh cã thÓ lµm cho cöa s«ng ph©n tÇng mét phÇn, Ýt nhÊt còng lµ côc bé, ®Ó thay ®æi tr¹ng th¸i x¸o trén m¹nh. Sù th©m nhËp cña muèi khi triÒu lªn, kÌm theo sù x¸o trén Ýt râ rÖt h¬n, sau ®ã cã thÓ tr¶ l¹i hÖ thèng vÒ tr¹ng th¸i ph©n tÇng mét phÇn cña nã; qu¸ tr×nh nµy t­¬ng ®­¬ng víi thùc nghiÖm x©m nhËp mÆn cña Linden vµ Simpson (1988). Ph¶i nhí r»ng x¸o trén m·nh liÖt xuÊt hiÖn ®¸ng chó ý nhÊt khi triÒu xuèng trong c¸c nh¸nh gi÷a cña nh÷ng hÖ thèng nh­ vËy, nh­ng nh­ ®­îc ghi chó trong môc 9.2.3, trong c¸c nh¸nh cao h¬n cña mét vµi cöa s«ng, cã xu h­íng ®ång nhÊt khi triÒu lªn vµ ph©n tÇng khi triÒu xuèng (vÝ dô s«ng Tamar t¹i phÝa T©y Nam n­íc Anh (West vµ nnk., 1990)). Mét chuçi nh÷ng bÊt æn ®Þnh trong dßng ch¶y ph©n tÇng cã thÓ cã nguyªn nh©n kh¸c, vµ nh­ ®­îc ®Ò cËp bëi Thorpe (1987), nh÷ng bÊt æn ®Þnh víi nguyªn nh©n kh¸c nhau thËm chÝ cã thÓ xuÊt hiÖn t¹i cïng mét chç vµ cïng mét thêi gian. Ph©n bè chi tiÕt trong mét nh¸nh s«ng ph©n tÇng mét phÇn cña cöa s«ng Tees cho thÊy mét sè hiÖn t­îng x¸o trén, cã lÏ do c¸c nguyªn nh©n kh¸c nhau (h×nh 10.3) (Lewis, 1996). Kho¶ng mét nöa chÆng triÒu xuèng (tøc lµ 12,30 giê), cÊu tróc ®é mÆn tr¶i qua mét thay ®æi ®¸ng kÓ; sù ph©n kú cña ®­êng ®¼ng mÆn t¹i kho¶ng 2,0 m ®é s©u gi¶ thiÕt r»ng nã xuÊt hiÖn tõ sù bÊt æn ®Þnh mÆt ph©n c¸ch. Dùa vµo nh÷ng sè Richardson gradient vµ tæng hîp ®· quan tr¾c, cã vÎ sù kiÖn x¸o trén ®­îc thóc ®Èy bëi nh÷ng bÊt æn ®Þnh Kelvin - Helmholtz ph¸t triÓn t¹i ®¸y cña nªm mËt ®é khi sè Richardson gradient trë nªn nhá h¬n 0,25. Nh÷ng 321 bÊt æn ®Þnh mÆt ph©n c¸ch cã thÓ ®­îc trî gióp bëi sù tr­ît dßng ch¶y ph¸t sinh bëi nh÷ng sãng néi h×nh thµnh trong cöa s«ng Tees. Sau ®ã cét n­íc trë nªn ®ång nhÊt vµ ®­îc quy cho rèi ph¸t sinh t¹i ®¸y, cã kh¶ n¨ng x¸o trén muèi vµ n­íc ngät trªn toµn bé ®é s©u, khi nh÷ng bÊt æn ®Þnh mÆt ph©n c¸ch ®· ph¸ vì rµo ch¾n h×nh thµnh bëi nªm mÆn. H×nh 10.3 Sù biÕn ®æi theo thêi gian trong ph©n bè ®é mÆn t¹i mét vÞ trÝ trong cöa s«ng Tees. (Theo Lewis vµ Lewis trong HiÖu øng næi trong §éng lùc häc Ven bê, 1997, b¶n quyÒn cña HiÖp héi §Þa vËt lý Mü) Sù ®ång nhÊt bëi nh÷ng bÊt æn ®Þnh chØ do nh÷ng sãng cuén K - H cã vÎ kh«ng ch¾c bëi v× n¨ng l­îng trong nh÷ng ®Æc tÝnh nh­ vËy lµ kh«ng ®Çy ®ñ. MÆc dÇu h×nh 10.3 chØ thÓ hiÖn sù thay ®æi theo thêi gian trong cÊu tróc t¹i mét ®iÓm x¸c ®Þnh, nh÷ng quan tr¾c b»ng håi ©m chØ ra r»ng nh÷ng thay ®æi lín h¬n trong ph©n bè ®é mÆn ®· xuÊt hiÖn t¹i nh÷ng thêi ®iÓm t­¬ng tù däc theo toµn bé nh¸nh s«ng 2 km, nãi lªn r»ng b×nh l­u ®¬n gi¶n cña n­íc x¸o trén ®i qua ®iÓm ®o kh«ng ph¶i lµ lý do c¬ b¶n cña nh÷ng biÕn ®æi trong cÊu tróc ®é mÆn quan tr¾c ®­îc. Khi triÒu lªn, nh÷ng sãng cuén K - H xuÊt hiÖn ®Ó ph¸t triÓn trªn mÆt phÝa trªn cña nªm mÆn ®ang ®Õn (h×nh 10.3). T¹i xÊp xØ mét nöa pha triÒu lªn mét vµi bÊt æn ®Þnh rÊt lín ph¸t triÓn, lµm t¨ng nhanh ®é mÆn mÆt n­íc; nguyªn nh©n cña nh÷ng ®Æc ®iÓm chÝnh nµy, ®· ®­îc quan tr¾c trong nh÷ng tr­êng hîp kh¸c, vÉn ch­a ®­îc biÕt nh­ng cã thÓ t­¬ng tù nh­ nh÷ng sãng cuén lín ®­îc quan tr¾c ®Ó h×nh thµnh t¹i mÆt trªn cña vïng x©m nhËp mÆn trong thùc nghiÖm ë phßng thÝ nghiÖm (Simpson, 1997). Mét sè nghiªn cøu sím nhÊt vÒ sù bÊt æn ®Þnh néi trong biÓn lµ nh÷ng thùc nghiÖm ®­îc thùc hiÖn trong §Þa Trung H¶i bëi Woods (1968). Trong c¸c nghiªn cøu nµy, mét chÊt chØ thÞ mµu ph¸t quang ®­îc sö dông ®Ó b¸m theo mét khu vùc máng cña nªm nhiÖt, vµ nh÷ng thay ®æi kÕ tiÕp ®èi víi líp mµu ®­îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch sö dông chôp ¶nh d­íi n­íc. Nh÷ng thùc nghiÖm chØ ra r»ng nh÷ng sãng néi lan truyÒn däc theo nªm nhiÖt thØnh tho¶ng t¹o ra nh÷ng bÊt æn ®Þnh tr­ît, ®ôc thµnh c¸c lç trong líp ®ã mét c¸ch hiÖu qu¶. Nh÷ng ®o ®¹c kü l­ìng nhiÖt ®é vµ dßng ch¶y chØ ra r»ng nh÷ng bÊt æn ®Þnh 322 nµy thuéc kiÓu Kelvin - Helmholtz. Tuy nhiªn, ®Ó dù ®o¸n chÝnh x¸c ë ®©u vµ khi nµo sù ®¶o ng­îc xuÊt hiÖn trong toµn bé líp máng ®ßi hái ph¶i cã chi tiÕt hiÖn t­îng cña cÊu tróc mËt ®é vµ tr­êng sãng néi. C¸c nguyªn nh©n cã thÓ cã cña nh÷ng chu kú x¸o trén m¹nh ®· ®­îc th¶o luËn trong môc 9.2.3. MÆc dÇu vÉn cßn ph¶i x¸c lËp nh÷ng lý do cã thÓ kh¸c nhau tõ tr¹ng th¸i biÓn nµy sang tr¹ng th¸i biÓn kh¸c (New vµ nnk., 1986), hiÖu øng cña mét IMP lªn ph¸t t¸n cã tÇm quan träng hµng ®Çu. Kho¶ng thêi gian cña mét IMP cã thÓ biÕn ®æi tõ mét vµi phót ®Õn vµi giê, nh­ thÊy trong cöa s«ng Tees. HiÓn nhiªn r»ng trong nh÷ng khu vùc ®ã cña cöa s«ng hoÆc n­íc ven bê thÝch hîp víi x¸o trén m¹nh nh­ ®· thÊy t¹i nh÷ng chç co hÑp trong cöa s«ng Fraser, mét IMP cã thÓ lµ mét phÇn ®¸ng kÓ cña chu kú thñy triÒu. Tuy nhiªn, trong nh÷ng khu vùc thÝch hîp víi nh÷ng ®iÒu kiÖn ph©n tÇng, kho¶ng thêi gian cña bÊt kú IMP nµo cã thÓ t­¬ng ®èi ng¾n. Nh­ vËy ®iÒu quan träng lµ nhËn ®­îc sù hiÓu biÕt cã thÓ ®óng nµo ®ã vµ kho¶ng thêi gian cña nh÷ng sù kiÖn x¸o trén m¹nh nh­ vËy nÕu ®Þnh l­îng ®­îc hiÖu øng toµn bé lªn ph¸t t¸n. 10.2.2 HiÖn t­îng qu¸ ®é vµ sù ph¸t triÓn cña rèi Mét vµi thay ®æi vÒ tr­ît vµ cÊu tróc mËt ®é liªn quan ®Õn nh÷ng tr¹ng th¸i ®­îc t¹o ra bëi mét ¶nh h­ëng bªn ngoµi lªn dßng ch¶y - tøc lµ vÒ nguyªn t¾c chóng liªn quan ®Õn tr¹ng th¸i nµo ®ã cña thñy triÒu hoÆc ®Þa h×nh cöa s«ng, mµ cã nghÜa lµ mét viÔn c¶nh nµo ®ã cã thÓ ®o¸n tr­íc. Tuy nhiªn, nh÷ng thay ®æi kh¸c cña tr­ît vµ cÊu tróc mËt ®é xuÊt hiÖn tõ nh÷ng bÊt æn ®Þnh mÆt ph©n c¸ch. T¹i mét vÞ trÝ ®Æc tr­ng däc theo ®é dµi cöa s«ng, møc ®é tr­ît cã thÓ bÞ ¶nh h­ëng bëi sù cã mÆt hoÆc v¾ng mÆt cña nh÷ng sãng néi. Nh÷ng sãng nµy cã thÓ ph¸t sinh t¹i vÞ trÝ tõ xa nµo ®ã vµ sù ®i ®Õn cña chóng t¹i ®iÓm quan t©m phô thuéc vµo mét tËp hîp nh÷ng yÕu tè kh«ng ®o¸n tr­íc ®­îc nh­ møc ®é tiªu t¸n cña sãng, sù ph¸ vì t¹i nh÷ng vÞ trÝ kh¸c vµ liÖu cã ph¶i nh÷ng ®iÒu kiÖn lµ ®óng ®Ó cho chóng ph¸t triÓn t¹i chç ban ®Çu! §iÒu nµy lµm cho 'nh÷ng bÊt æn ®Þnh ph¸t sinh néi t¹i‘ kh«ng thÓ dù ®o¸n ®­îc mét c¸ch hiÖu qu¶. Mét tæng quan tuyÖt vêi vÒ sù phøc t¹p cña vÊn ®Ò ®· ®­îc viÕt bëi Thorpe (1987). MÆc dÇu viÖc t¹o thµnh mét tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh cã thÓ do mét hoÆc vµi hiÖn t­îng, kÕt qu¶ cã thÓ kh«ng ph¶i mét tr¹ng th¸i ph¸t triÓn hoµn toµn cña rèi. ThuËt ng÷ 'qu¸ ®é' ®­îc sö dông ®Ó thay ®æi tõ tr¹ng th¸i dßng ch¶y tÇng thµnh mét c¸i g× ®ã kh¸c rÊt khã x¸c ®Þnh, nh­ng kÐo theo møc ®é lín h¬n ®¸ng kÓ cña chuyÓn ®éng kh«ng ®Òu 't­¬ng tù rèi' (Thorpe, 1987). Trong biÓn hë, sù ph¸t triÓn cña mét tr¹ng th¸i hçn ®én lµ hiÕm cã, mÆc dÇu sù qu¸ ®é tõ tÇng ®Õn dßng ch¶y rèi cã thÓ th­êng xuyªn xuÊt hiÖn. Thorpe gi¶ thiÕt r»ng nh÷ng thay ®æi cÊu tróc mËt ®é mÞn cã thÓ kh«ng ph¶i do rèi m¹nh, nh­ng vÉn cßn h¬n lµ do sù ph©n r· ch­a ®Çy ®ñ cña mét cÊu tróc bÞ biÕn ®æi, bëi n¨ng l­îng lÊy tõ bÊt æn ®Þnh tr­íc khi ®¹t ®­îc mét tr¹ng th¸i rèi ph¸t triÓn hoµn toµn. Kh«ng may lµ viÖc hiÓu biÕt c¸i g× x¶y ra ®èi víi sù thay ®æi n¨ng l­îng vµ dßng khèi l­îng trong thêi gian qu¸ ®é thËm chÝ cßn Ýt h¬n ®èi víi nh÷ng tr¹ng th¸i trong ®ã sù qu¸ ®é lµ hoµn toµn. VÊn ®Ò ®Þnh l­îng nh÷ng thay ®æi xuÊt hiÖn trong dßng ch¶y ph©n tÇng ®­îc hîp nhÊt b»ng viÖc cïng mét lo¹i bÊt æn ®Þnh cã thÓ ®i qua mét sè giai ®o¹n qu¸ ®é, mçi trong sè ®ã cã thÓ t­¬ng øng víi nh÷ng hiÖu qu¶ kh¸c nhau cña chuyÓn ®æi n¨ng 323 l­îng. §èi víi viÖc gi¶i quyÕt mét vÊn ®Ò thùc tiÔn vÒ vËn chuyÓn th¼ng ®øng vµ ph©n bè l¹i chÊt hoµ tan trong dßng ch¶y ph©n tÇng, nh÷ng xem xÐt nh­ vËy ®ßi hái gi¸ trÞ ®o ®¹c rèi rÊt chi tiÕt theo kh«ng gian vµ thêi gian. H×nh 10.4 lµ mét s¬ ®å kh¸i niÖm quy m« minh häa vai trß cña nh÷ng bÊt æn ®Þnh Kelvin - Helmholtz theo nh÷ng sè Reynolds vµ Froude kh¸c nhau, dùa vµo thùc nghiÖm trong phßng vµ hiÖn tr­êng. H×nh 10.4 Ph¸c häa sù thÝch øng cña hiÖn t­îng qu¸ ®é liªn quan ®Õn bÊt æn ®Þnh K - H ®èi víi nh÷ng biÕn ®æi cña sè Reynolds vµ Froude mÆt ph©n c¸ch. (Theo Thorpe, T¹p chÝ Nghiªn cøu §Þa vËt lý, 92(C5), 5231- 5248, 1987, b¶n quyÒn cña HiÖp héi §Þa vËt lý Mü) Nh÷ng kÕt qu¶ kh¶o s¸t trong phßng thÝ nghiÖm chøng tá rÊt h÷u Ých trong viÖc cho thÊy nh÷ng lo¹i hiÖn t­îng cã thÓ xuÊt hiÖn trong c¸c cöa s«ng hoÆc nh÷ng vïng ven bê (Simpson, 1997). Tuy nhiªn, sö dông nh÷ng kÕt qu¶ tõ nh÷ng nghiªn cøu nh­ vËy ®Ó suy luËn sù x¸o trén xuÊt hiÖn trong thÕ giíi thùc tÕ nhiÒu ®Õn ®©u, cÇn thÊy r»ng, ngoµi viÖc biÕt ®é lín cña hiÖu øng ph¸t sinh, ph¶i biÕt tÇn sè xuÊt hiÖn cña hiÖn t­îng. §iÒu kh¸c th­êng nhÊt ë ®©y lµ bÊt kú ®¸nh gi¸ thùc tÕ nµo vÒ tÇn sè xuÊt hiÖn cña mét kiÓu sù kiÖn x¸o trén ®Æc tr­ng, ®Æc biÖt do viÖc h×nh thµnh nh÷ng ®iÒu kiÖn thóc ®Èy sù bÊt æn ®Þnh, phô thuéc vµo lÞch sö ®· qua cña nh÷ng sù kiÖn x¸o trén trong dßng ch¶y. Nh­ vËy, viÖc sö dông trùc tiÕp nh÷ng nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm vµ lý thuyÕt nh÷ng qu¸ tr×nh rèi ®Ó ®Þnh l­îng hiÖn t­îng t­¬ng ®­¬ng trong nh÷ng tr¹ng th¸i biÓn lµ ®Æc biÖt khã, bëi v× tÇn sè xuÊt hiÖn cña hiÖn t­îng ®ã nãi chung lµ kh«ng biÕt, ®Æc biÖt khi nh÷ng sù kiÖn x¸o trén ®ã cã thÓ hiÕm. 324 10.2.3 ChÊt chØ thÞ nh­ mét biÖn ph¸p lÊy trung b×nh ViÖc sö dông chÊt chØ thÞ ®· chøng tá lµ con ®­êng h÷u Ých ®Ó ®¹t ®­îc sù thÊu hiÓu nµo ®ã vÒ hiÖu øng toµn bé cña hiÖn t­îng qu¸ ®é lªn qu¸ tr×nh ph¸t t¸n mét chÊt hoµ tan. MÆc dÇu kü thuËt ®­îc th¶o luËn trong Ch­¬ng 7 vµ ®­îc minh häa bëi mét vµi kÕt qu¶ trong Ch­¬ng 8 kh«ng chØ ra nh÷ng chi tiÕt vÒ tÇn sè vµ ®é lín cña nh÷ng bÊt æn ®Þnh, nã cung cÊp mét ph­¬ng tiÖn lÊy trung b×nh ¶nh h­ëng kÕt hîp cña tr­ît vËn tèc vµ x¸o trén rèi. Tr¹ng th¸i cña chÊt chØ thÞ vµ c¸ch tiÕp cËn thùc nghiÖm cã thÓ cã hiÖu qu¶ ®¸ng kÓ vÒ th«ng tin ph¸t sinh. VÝ dô, nÕu nh÷ng kh¸c biÖt ®é mÆn ®­îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é ph¸t t¸n, th× ph©n bè muèi sÏ lµ kÕt qu¶ cña nh÷ng qu¸ tr×nh ph¸t t¸n qua mét sè chu kú thñy triÒu mét c¸ch b×nh th­êng. Nh÷ng sù kiÖn x¸o trén ®Æc tr­ng nh­ vËy, vÝ nh­ sù xuÊt hiÖn cña ph¸t t¸n ®Æc biÖt thÊp vµo mét ngµy ®Æc tr­ng, cã thÓ kh«ng hiÓn nhiªn khi ph©n bè toµn bé cña muèi ®­îc ®o mét vµi ngµy vÒ sau. Tuy nhiªn, nÕu mét sù kiÖn quan träng xuÊt hiÖn trong chu kú ®o ®¹c, th× cÊu tróc ®ang thay ®æi cña ph©n bè ®é mÆn trë nªn hiÓn nhiªn vµ cã thÓ sö dông ®Ó biÕt mét Ýt vÒ qu¸ tr×nh x¸o trén, nh­ ®­îc minh häa bëi h×nh 10.3. KÕt luËn nµy phô thuéc vµo nh÷ng quy m« thêi gian vµ kh«ng gian ®­îc chi tiÕt ho¸ mét c¸nh ®Çy ®ñ ®Ó cho phÐp hiÖu øng cña sù kiÖn sÏ ®­îc ph¸t hiÖn vµ ®Þnh l­îng. VÝ dô, nh÷ng ®o ®¹c ph©n bè ®é mÆn t¹i nh÷ng kho¶ng mét giê trong mét chu kú thñy triÒu kh«ng thÝch hîp cho viÖc suy xÐt hiÖn t­îng x¸o trén ph¸t triÓn vµ hoµn tÊt trong 15 phót. Nh÷ng hiÖu øng trung b×nh cña c¸c qu¸ tr×nh lªn quy m« thêi gian vµ kh«ng gian nhá h¬n th­êng x¸c ®Þnh râ rµng h¬n b»ng c¸ch sö dông mét chÊt chØ thÞ, nh­ chÊt chØ thÞ mµu ph¸t quang. Quy m« ban ®Çu cña ph©n bè mµu th¼ng ®øng cã thÓ nhá h¬n 1,0 m ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng thay ®æi do x¸o trén t¹i nªm mËt ®é, nh­ thÓ hiÖn bëi Woods (1968) trong nªm nhiÖt §Þa Trung H¶i. Khã kh¨n ®èi víi nh÷ng thùc nghiÖm trªn quy m« nhá lµ rèi cã vÎ cã mÆt ë nh÷ng quy m« lín h¬n quy m« thùc nghiÖm, vµ c¸c xo¸y liªn quan lµm cho chÊt chØ thÞ bÞ dÞch chuyÓn hoÆc thËm chÝ ph¸ huû trong mét tr¹ng th¸i kh«ng thÓ ®o¸n tr­íc. §iÒu nµy hÇu nh­ ch¾c ch¾n lµ mét trong nh÷ng lý do biÕn ®éng trong nh÷ng kÕt qu¶ nhËn ®­îc tõ thùc nghiÖm mµu. Mét qu¸ tr×nh ®Æc tr­ng lµm biÕn d¹ng nh÷ng ®èm loang hoÆc vÖt loang chÊt chØ thÞ lµ t¸c ®éng cña tr­ît dßng ch¶y vµ nh÷ng ph­¬ng ph¸p ®Ó lo¹i bá hiÖu øng nµy khái d÷ liÖu thùc nghiÖm ®­îc th¶o luËn trong Ch­¬ng 8. ThËm chÝ víi 'viÖc lµm s¹ch' b¶n ghi d÷ liÖu nµy, th­êng cã sù ph©n t¸n râ rÖt cña møc ®é x¸o trén ®· ®¸nh gi¸, nãi chung ®­îc biÓu thÞ b»ng nh÷ng hÖ sè khuyÕch t¸n hoÆc nh÷ng vËn tèc khuyÕch t¸n. Dï cã thõa nh÷ng ®iÒu kh«ng ch¾c ch¾n liªn quan ®Õn nh÷ng thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ, mét vµi bøc tranh tæng qu¸t næi bËt cã gi¸ trÞ trong viÖc ®Þnh l­îng ®é lín ph¸t t¸n trong n­íc biÓn. Tr­íc hÕt, nh÷ng ®o ®¹c ®é mÆn cho thÊy mét vµi cöa s«ng cã thÓ cã nguån muèi cã thÓ chøng tá ®­îc vµ ph¸t hiÖn nµy cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ nh÷ng hÖ sè ph¸t t¸n trung b×nh thñy triÒu. Thø hai, khi lÊy trªn nhiÒu khu vùc thuû v¨n kh¸c nhau, cã vÎ xuÊt hiÖn sù bÒn v÷ng nhÊt ®Þnh vÒ ®é lín cña hÖ sè ph¸t t¸n h­íng ngang, khi chØ xÐt nh÷ng gi¸ trÞ nhá nhÊt ®Ó gi¶m ¶nh h­ëng kh«ng ®Òu cña tr­ît ngang do giã. Hai môc sau lÇn l­ît kh¶o s¸t kÕt qu¶ tõ nh÷ng thùc nghiÖm ®é mÆn vµ chÊt chØ thÞ mµu. 325 10.3 thùc nghiÖm Nguån muèi 10.3.1 Nguån muèi Nguyªn lý tæng qu¸t cña nguån muèi lµ, khi lÊy trung b×nh qua nhiÒu chu kú thñy triÒu, nh÷ng biÕn ®æi trong dßng ch¶y s«ng cã thÓ bá qua, ®é mÆn t¹i bÊt kú vÞ trÝ ®Æc tr­ng nµo däc theo cöa s«ng cßn l¹i lµ h»ng sè. §iÒu hîp lý lµ dßng ch¶y n­íc ngät qua cöa s«ng liªn tôc vËn chuyÓn muèi vÒ phÝa biÓn vµ bëi vËy, cã thÓ nghÜ r»ng cöa s«ng trë nªn ngät h¬n vµ ngät h¬n. Sù thùc ®iÒu nµy kh«ng x¶y ra, cho thÊy r»ng muèi ph¶i ®­îc mang vÒ phÝa ®Êt bëi mét c¬ chÕ nµo ®ã, vµ tiªu chuÈn ®é mÆn kh«ng ®æi cã nghÜa lµ møc ®é mµ ®iÒu nµy x¶y ra ph¶i phï hîp chÝnh x¸c víi møc ®é vËn chuyÓn ra biÓn bëi dßng ch¶y s«ng. Bëi v× chØ cã chuyÓn ®éng b×nh l­u qua hÖ thèng lµ do s«ng, c¬ chÕ mang muèi vÒ phÝa ®Êt ph¶i kh«ng liªn quan ®Õn bÊt kú chuyÓn ®éng thùc tÕ nµo cña n­íc, tøc lµ nã ph¶i ®­îc khuÕch t¸n. §Ó kh¶o s¸t nh÷ng c¬ chÕ céng t¸c víi dßng muèi h­íng vµo phÝa ®Êt, nhiÒu nghiªn cøu ®· ®¸nh gi¸ ®é lín cña nh÷ng thµnh phÇn vËn chuyÓn do sù t­¬ng quan cña vËn tèc, ®é mÆn vµ ®é s©u t¹i nh÷ng vÞ trÝ ®Æc tr­ng. Møc vËn chuyÓn, hoÆc dßng muèi do dßng ch¶y u b»ng tÝch sè , trong ®ã nh÷ng dÊu mãc biÓu thÞ lÊy trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian (môc 4.2.1) vµ s lµ ®é mÆn ®o cïng thêi gian vµ cïng vÞ trÝ nh­ víi dßng ch¶y. Toµn bé dßng muèi trªn chiÒu réng ®¬n vÞ qua mét mÆt c¾t th¼ng ®øng cã thÓ lÊy trung b×nh trong mét chu kú thñy triÒu ®Ó cho ta dßng thùc tÕ FT b»ng c¸ch sö dông biÓu thøc   T h T usdzdt T F 0 0 1 . (10.2) B»ng viÖc biÓu thÞ u vµ s d­íi d¹ng nh÷ng gi¸ trÞ trung b×nh vµ ®é lÖch tõ gi¸ trÞ trung b×nh ®ã, cã thÓ tÝnh to¸n ®é lín cña FT tõ nh÷ng quan tr¾c chi tiÕt cña ®é mÆn vµ dßng ch¶y trong mét chu kú thñy triÒu. C¸c c«ng tr×nh tr­íc ®©y xÐt sù vËn chuyÓn cña muèi do nh÷ng biÕn ®æi th¼ng ®øng trong trung b×nh thñy triÒu vµ nh÷ng dao ®éng thñy triÒu chu kú ng¾n (kho¶ng nöa giê), cïng víi biÕn ®æi thñy triÒu trung b×nh ®é s©u (Bowden, 1963). Nh÷ng nghiªn cøu sau nµy cho phÐp nh÷ng biÕn ®æi thñy triÒu theo ®é s©u, hoÆc diÖn tÝch mÆt c¾t ngang (Dyer, 1973), vµ nh÷ng ng­êi kh¸c xÐt sù ®ãng gãp ®èi víi dßng muèi tõ nh÷ng biÕn ®æi ngang cña dßng ch¶y vµ ®é mÆn (Fischer, 1972). Râ rµng cöa s«ng kh¸c biÖt vÒ thñy ®éng lùc cña chóng vµ do ®ã vÒ ý nghÜa cña nh÷ng qu¸ tr×nh ®Æc tr­ng tham gia vµo c¬ chÕ khuÕch t¸n vÒ phÝa bê. Phô thuéc vµo chÊt l­îng cña d÷ liÖu quan tr¾c, nh÷ng nghiªn cøu nµy kh«ng ph¶i lu«n lu«n t¹o ra mét nguån muèi cã thÓ chøng tá ®­îc; gi¸ trÞ cña chóng th­êng ®­îc dù phßng nh÷ng ®é lín t­¬ng ®èi cho mét vµi sè h¹ng. Mét nghiªn cøu cã tËp hîp d÷ liÖu t­¬ng ®èi lín cho cöa s«ng Tees (h×nh 10.5) chØ ra r»ng nguån muèi ®· ®¹t ®­îc vµ cho thÊy r»ng, trong hÖ thèng hÑp nµy, cã nh÷ng sè h¹ng nhÊt ®Þnh thèng trÞ c¬ chÕ c©n b»ng (Lewis vµ Lewis, 1983). Nh÷ng kÕt qu¶ kh¶o s¸t nµy ®­îc cho trong h×nh 10.6. Trong s¬ ®å, h­íng d­¬ng ®­îc lÊy vÒ phÝa biÓn ®Ó nh÷ng gi¸ trÞ ©m trªn h×nh vÏ thÓ hiÖn nh÷ng thµnh phÇn cña dßng h­íng vÒ phÝa ®Êt. 326 T¹i mçi trong sè t¸m vÞ trÝ lÊy mÉu däc theo cöa s«ng, dßng kÕt hîp thùc tÕ do nh÷ng thµnh phÇn riªng biÖt ®­îc chØ ra bëi mét mòi tªn. VËn chuyÓn thùc tÕ vÒ phÝa biÓn bëi dßng ch¶y s«ng ®­îc chØ ra b»ng ®­êng liÒn; tÊt nhiªn ®©y lµ dßng d­¬ng vµ nã ®­îc ph¶n chiÕu trong trôc x ®Ó so s¸nh cã thÓ thùc hiÖn víi nh÷ng sè h¹ng khuÕch t¸n. Cã thÓ thÊy r»ng nh÷ng mòi tªn nãi chung tu©n theo xu h­íng cña ®­êng liÒn - chªnh lÖch ®é lín lµ do nh÷ng quan tr¾c ®· ®­îc lÊy t¹i t©m cña lßng dÉn chÝnh cña cöa s«ng, trong ®ã dßng ch¶y m¹nh h¬n, trong khi dßng muèi cña s«ng dùa vµo vËn tèc trung b×nh mÆt c¾t. H×nh 10.5 C¶nh quan mÆt b»ng cña cöa s«ng Tees, phÝa §«ng B¾c N­íc Anh. (Theo Lewis vµ Lewis, 1983, ®­îc sù ®ång ý cña Academic PrPress) VËn chuyÓn thùc tÕ cña muèi vÒ phÝa biÓn do dßng ch¶y s«ng ®­îc ®¸nh gi¸ b»ng viÖc lµm khíp mét hµm ®èi víi ph©n bè däc trung b×nh thñy triÒu cña ®é mÆn. §©y lµ mét hµm hyperbolic cã d¹ng  ))(tanh(1 2 1 0 M M QxxH s s  (10.3) trong ®ã 0s lµ ®é mÆn trung b×nh thñy triÒu lÊy trung b×nh mÆt c¾t ngang t¹i kho¶ng c¸ch x tõ biªn phÝa ®Êt cña cöa s«ng, sm lµ ®é mÆn t¹i biªn phÝa biÓn cña cöa s«ng, xM lµ ®é dµi cöa s«ng, H lµ ®é dèc cña gradient ®é mÆn vµ Q lµ hÖ sè dÞch chuyÓn däc ®èi víi ph©n bè ®é mÆn. Nãi chung, ph©n bè däc cña muèi t­¬ng øng víi H = 0,00