Chương 9. Nghiên cứu những hệ thống phân tầng
9.2 Những fio và cửa sông nêm mặn
9.2.3 Chuyển động khi triều xuống trong cửa sông nêm mặn
Những điều kiện xáo trộn trong cửa sông nêm mặn khi triều xuống rất khác so với những gì xuất hiện khi triều lên. Khi bắt đầu triều xuống, nêm mặn, được giữ lại vào cuối lúc triều lên, là gần như ổn định và có xu hướng có mặt phân cách rõ rệt với nước phía trên của nó. Mức độ phân tầng này cho phép dòng chảy sông chảy trên vùng xâm nhập mặn, phát sinh sự trượt rõ rệt qua mặt phân cách. Tuy nhiên, mức độ ổn định thường lớn
đến mức trong một hệ thống nêm mặn thì xáo trộn ít xuất hiện, như trường hợp chuyển
động triều xuống sớm trong cửa sông Fraser (Geyer và Farmer, 1989). Sự chảy tràn của nước sông trên nước nhiễm mặn của cửa sông cũng có thể quan trắc trong các nhánh phía trên của một vài cửa sông, có thể phân loại như 'phân tầng một phần'. Một ví dụ là cửa sông Tamar phía Tây Nam nước Anh, trong đó xu hướng phân tầng tăng lên trong thời gian triều xuống do xáo trộn rối bị hạn chế gần giới hạn xâm nhập mặn (West và nnk., 1990). Xa hơn về phía biển, xáo trộn thủy triều trong của sông Tamar làm vỡ cấu trúc nêm mặn khi triều xuống, tạo ra một phân bố muối tiêu biểu cho hệ thống phân tầng một phÇn.
Một khi độ cao thủy triều hạ thấp tại biên phía biển của cửa sông nêm mặn, gradient mặt nước sẽ dốc và áp suất kết quả trở nên đủ mạnh để đẩy nêm mặn về phía biển. Sức cản ma sát tại đáy cản trở chuyển động này của muối và sự trượt đáng kể có thể thiết lập qua mặt phân cách mật độ. Sự trượt này có thể gây ra những bất ổn định K-H, làm cho nêm mật độ dày lên đáng kể vì nước ngọt xáo trộn với nước mặn tại mặt trên của nêm mặn. Tại giai đoạn này lúc giữa kỳ triều xuống, một vài cửa sông dường như trải qua sự xáo trộn nhanh, làm thay đổi cấu trúc mật độ thẳng đứng từ hai lớp trở thành liên tục phân tầng, hoặc xáo trộn hoàn toàn trong một vài thời điểm. Giai đoạn xáo trộn nhanh này được nói đến như chu kỳ tăng cường xáo trộn (IMP) và vẫn còn các tranh luận đối với nguyên nhân của nó.
Vào lúc cuối triều xuống, nêm mặn có thể khó xác định rõ khi nó bị vỡ thành các
đốm loang do xáo trộn không đều và bởi địa hình đáy. Nếu dòng triều chảy xuống và lưu lượng sông đủ mạnh, nước mặn có thể bị ép ra khỏi cửa sông, để lại một gradient mật độ rõ ràng giữa nước ven bờ và cửa sông lúc nước thực tế. Nói cách khác, xâm nhập mặn có thể còn lại trong các cửa sông vào thời gian cuối triều xuống, cho phép nó lần nữa bắt đầu thâm nhập về hướng đất khi gradient mặt nước trở nên nhỏ vì thời gian nước thực tế
đang đến.
Một đặc tính chung của cửa sông nêm mặn khi triều xuống là ở chỗ khi nêm mật
độ dày lên, nó cũng sâu hơn khi độ mặn mặt nước và đáy trở nên tương đối không đổi.
Đặc tính này được minh họa bằng ví dụ cửa sông Fraser (hình 9.11 (a)) trong đó sự khác biệt độ mặn tại mặt nước và đáy quan trắc được là 26,0 trong thời gian giữa lúc triều xuống (Geyer và Farmer, 1989). Những bản ghi hồi âm cho thấy những sóng cuộn K - H hiện hữu trong nêm mật độ trong thời gian này, hỗ trợ giả thuyết rằng những bất ổn định
trượt về cơ bản có trách nhiệm với xáo trộn. Trong nêm mặn và với phạm vi độ mặn từ 5,0
đến 25,0, những số Richardson gradient nhỏ hơn 0,25 với một tỉ lệ đáng kể; những tính toán này xem xét sự trượt vận tốc bổ sung bởi sóng nội. Phát hiện này lần nữa giả thiết rằng bất ổn định trượt K - H là cơ chế trội. Phân bố vận tốc trong Fraser phù hợp với những phân bố độ mặn (hình9.11 (b)), cũng tương đối tuyến tính qua nêm mật độ và có gradient tương tự tại mỗi thời gian phân bố. Sự duy trì mối tương tự này trong chu kỳ xáo trộn được xét đến nói lên rằng xáo trộn động lượng và độ mặn được thực hiện với những mức độ tương tự, dẫn đến tỷ lệ Kz/Nz = 1.0 (xem mục 3.5.1).
Hình 9.10 Sự biến đổi của vận tốc, độ mặn và số Richardson gradient với độ sâu trong cửa sông Fraser.
(Theo Geyer và Smith, 1987, được sự đồng ý của Hội Khí tượng Mỹ)
Xáo trộn không xuất hiện đồng đều khắp cửa sông mà có vẻ được thúc đẩy bởi hình dạng của địa hình. Thậm chí một sự co hẹp tương đối nhẹ thường đủ để thay đổi dòng chảy nội từ dưới phân giới đến trên phân giới. Khi điều này xảy ra, một khu vực xáo trộn mở rộng được hình thành ở hạ lưu chỗ co hẹp. Một khi năng lượng được lấy từ dòng chảy trung bình để duy trì quá trình xáo trộn, dòng chảy trở lại dưới phân giới tại khoảng cách nào đó kể từ mặt cắt thúc đẩy sự bất ổn định. Bốn khu vực mở rộng phân biệt rõ rệt đã
được quan trắc bằng máy hồi âm trong thời gian triều xuống tại cửa sông Fraser (hình 9.12). Vào lúc cuối triều xuống những vệt loang này tiếp tục được phát hiện nhưng cấu trúc của nêm mật độ bị phá vỡ mãnh liệt bởi giai đoạn đó của thủy triều.
Hình 9.11 Những phân bố trong các cửa sông Fraser khi triều xuống đối với (a) độ mặn và (b) vận tốc.
(Theo Geyer và Smith, 1987, được sự đồng ý của Hội Khí tượng Mỹ)
Đã lập luận rằng sự khởi đầu của dòng chảy trên phân giới có ảnh hưởng lên bất ổn định trượt qua mặt phân cách mật độ thông qua những thay đổi đối với sức cản đáy (Geyer và Farmer, 1989). Nếu số Richardson tổng hợp nhỏ hơn 1,0 (ứng với số Froude tại mặt phân cách lớn hơn 1,0) thì hướng chuyển động của lớp thấp hơn có xu hướng về phía biển, làm cho sức cản tăng lên đối với dòng triều xuống. Khi dòng triều xuống tăng đến cực đại của nó, sức cản đáy tăng lên và làm tăng sự trượt qua mặt phân cách mật độ. Cần thấy rằng sự trượt này chỉ bị hạn chế bởi sức mạnh của dòng triều xuống. Trạng thái này trái ngược với điều kiện dòng chảy dưới phân giới trong đó sự trượt qua mặt phân cách bị hạn chế bởi gradient tà áp; độ trượt này có giá trị cực đại khi RiB = 1,0 và sẽ có vẻ nhỏ hơn
đáng kể so với độ trượt xuất hiện từ ma sát đáy dưới dòng chảy trên phân giới.
Có thể còn một nguyên nhân khác của xáo trộn mạnh quan trắc trong cửa sông nêm mặn khi triều xuống là sự tạo thành nước nhảy thuỷ lực nội (mục 3.3.3). Cơ chế này
được đề xướng để giải thích xáo trộn đã quan trắc trong cửa sông Duwamish (Partch và Smith, 1978). Những thay đổi tiêu biểu trong cấu trúc trước đây, trong và sau IMP được cho thấy trong hình 9.13. Thoạt tiên, nêm mật độ nằm trên một lớp sâu đồng nhất (hình 9.13 (a)) và trong thời gian xáo trộn nêm mật độ sâu hơn và một lớp xáo trộn không đồng nhất hình thành gần mặt nước (hình 9.13 (b)). Vào khoảng cuối chu kỳ xáo trộn, lớp nước mặt xáo trộn bị chìm sâu hơn đáng kể, và có hai trường hợp khi dòng chảy triều xuống mạnh, gradient mật độ được thấy gần đáy (hình 9.13 (c)). Có thể thấy rằng những phân bố điển hình này mang đến một sự tương tự với những gì quan trắc được trong cửa sông Fraser (hình 9.11). Tuy nhiên, giải thích IMP đề xướng bởi Partch và Smith rõ ràng khác với cơ chế được giả thiết cho sông Fraser.
Partch và Smith nhận thấy rằng xáo trộn khi triều xuống trong Duwamish bắt
đầu khi Fr khoảng 0,3 ứng với giá trị thực nghiệm và lý thuyết là 1/ cho dòng chảy liên tục phân tầng (Long, 1955); điều này tương đương với giá trị 10 đối với số Richardson tổng hợp. Sự xáo trộn này xuất hiện khi cấu trúc thẳng đứng giống như cấu trúc minh họa trong hình 9.13 (a) và được lấy để nói lên rằng xáo trộn là do độ dốc và sự phá vỡ các sóng nội với hình thức thấp nhất (tức là bước sóng dài nhất). Sự hình thành tiếp theo của lớp xáo trộn phía trên như trong hình 9.13 (b) có nghĩa là dòng chảy gần giống một hệ thống hai lớp, trong đó những bước sóng dài nhất có thể lan truyền nhanh hơn, do đó có nhiều động năng tiềm tàng sẵn sàng hơn để biến đổi thành rối. Những giá trị của RiB gần
đến 1 khi cấu trúc hai lớp trải qua sự biến đổi nhanh do sự phát triển của xáo trộn mạnh.
Partch và Smith quy hiện tượng này cho nước nhảy thủy lực nội bởi vì IMP bắt đầu trong một dòng chảy thực chất là hai lớp. Vì những điều kiện dòng chảy phân giới đòi hỏi để thúc đẩy xáo trộn mạnh lại phụ thuộc vào sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang dọc theo cửa sông, Partch và Smith đánh giá rằng ít hơn một nửa độ dài toàn bộ của nêm mặn trong Duwamish bị ảnh hưởng bởi xáo trộn mạnh, và khoảng một phần tư dòng muối thẳng đứng phải do một nước nhảy thuỷ lực.
Nhiều cửa sông có dạng hình phễu nên diện tích mặt cắt ngang tăng lên và vận tốc trung bình giảm về phía biển. Như vậy, vì dòng chảy tăng khi triều xuống, dòng chảy chảy nhanh hơn và do đó những điều kiện phân giới có vẻ xuất hiện sớm hơn tại biên thượng lưu và việc bắt đầu xáo trộn mạnh được thấy liên tục sau đó tại những mặt cắt hạ
lưu. Trạng thái này được quan trắc trong cửa sông Tees, một hệ thống phân tầng một phần (Lewis, 1985). Mặc dù hiện tượng cũng có thể xuất hiện do bình lưu của nước xáo trộn xuống hạ lưu, sự trượt vận tốc mạnh trong Tees phải có xu hướng làm phân tầng một
đốm loang xáo trộn và bình lưu đơn giản có vẻ không phải là một giải thích (New và nnk., 1986).
Hình 9.12 Bản ghi hồi âm của những khu vực xáo trộn trong cửa sông Fraser. Những bất ổn định dường như tăng lên từ chỗ co hẹp ngang tại 11,5, 14, 16 (và) 18 km. (Theo Smith và Greyer, 1987, được sự đồng ý
của Hội Khí tượng Mỹ)
Hình 9.13 Những thay đổi cấu trúc liên quan đến chu kỳ xáo trộn mãnh liệt trong cửa sông Duwamish.
(Theo Partch và Smith, 1978, được sự đồng ý của Academic Press )
Xáo trộn mãnh liệt khi triều xuống trong các cửa sông Fraser và Duwamish tạo ra thay đổi cấu trúc tương tự, liên quan đến dòng chảy đạt đến điều kiện phân giới, trong đó RiB = Fi = 1,0. Trong cửa sông Fraser, cơ chế đề xướng là dòng chảy trên phân giới làm tăng sức cản đáy và tạo ra bất ổn định trượt K - H. Trong cửa sông Duwamish, đề xuất rằng dòng chảy trên phân giới chặn năng lượng sóng nội lại nhiều hơn, nên chúng phát sinh một nước nhảy thuỷ lực với rối liên quan đến nó. Một yếu điểm trong lý luận này là những sóng nội phải có mặt để một IMP xuất hiện, và mặc dù điều này giống như những
điều kiện phân tầng của cửa sông nêm mặn, điều ngạc nhiên là thấy những sóng hiện hữu dưới những điều kiện dòng chảy khác nhau, theo đó những IMP đã được quan trắc.
Một yếu điểm thứ hai trong lý luận nước nhảy thuỷ lực là sự tăng thế năng phát sinh bởi xáo trộn mạnh là quá lớn để quy hoàn toàn cho sóng nội. Ví dụ, đã đánh giá rằng khoảng 65 % năng lượng sóng trên đơn vị độ dài cần có để xét những thay đổi thế năng do xáo trộn trong cửa sông Tees (thừa nhận hệ thống phân tầng một phần), trong khi năng lượng xáo trộn cực đại sẵn có từ sóng vỡ chỉ khoảng 15-20 % (Dyer và New, 1988). Chắc là sai
lầm khi kết luận rằng nước nhảy thuỷ lực không đóng góp cho quá trình xáo trộn hoặc thậm chí chúng không xuất hiện. Kết quả đo hồi âm trong Thủy đạo Rotterdam đã để lộ ra những đặc tính như vậy (Pietzrak và nnk., 1991) và hoàn toàn có thể rằng, những nước nhảy như vậy dẫn đến sự vỡ ban đầu của mặt phân cách mật độ, như vậy cho phép rối phát sinh từ đáy để hoàn tất quá trình xáo trộn.
Sự có mặt của những sóng nội trong cửa sông phân tầng đã được coi như một bằng chứng về sự hình thành dòng chảy hai lớp (hình 9.13 (b)), được trợ giúp bởi việc thải năng lượng từ sóng, do vậy trợ giúp sự đổ nhào bởi những sóng cuộn K-H. Sự giảm phân tầng kế tiếp sẽ tạo một cơ hội cho động năng rối bởi ứng suất đáy thâm nhập vào nêm mật độ và có lẽ tạo nên sự đồng nhất hoàn toàn. Tuy nhiên, sự phát triển của phân bố mật độ dốc gần đáy, như trong hình 9.13 (c), không phải biểu thị của rối đáy mạnh. Nếu giai đoạn này xuất hiện, thì sự xáo trộn kế tiếp sẽ có vẻ phần nhiều là do cơ chế bất ổn định trượt, theo đề xuất của Geyer và Farmer, hơn là cơ chế nước nhảy thuỷ lực nội, theo đề xuất của Partch và Smith.
Những biến đổi mức độ xáo trộn trong các cửa sông nêm mặn đã được quan trắc để lập tương quan với những thay đổi độ lớn thủy triều (ví dụ sông James, York và Rappahannock (Haas, 1977); sông Columbia (Jay và Smith, 1990); Puget Sound (Geyer và Cannon, 1982); sông Duwamish (Partch và Smith, 1978)). Điều này quy cho sự phụ thuộc của dòng chảy trên phân giới vào vận tốc thủy triều đối với một độ lớn thủy triều
đặc trưng.