Chương 9. Nghiên cứu những hệ thống phân tầng
9.2 Những fio và cửa sông nêm mặn
9.2.2 Chuyển động khi triều lên trong cửa sông nêm mặn
Những khảo sát trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra một nêm mặn có thể hình thành và dịch chuyển dưới một lớp nổi hơn ra sao. Để minh họa những hiệu ứng xuất hiện, có thể thử nghiệm bằng một thực nghiệm đơn giản là đặt một thùng hình chữ nhật với một vách chắn thẳng đứng ngăn nước ngọt với dung dịch muối, độ sâu của chất lỏng là như
nhau ở hai phía của vách ngăn (hình 9.5). Khi rút nhẹ vách ngăn, cột nước có áp suất lớn hơn tại phía mặn của thùng đẩy dung dịch muối xuống dưới nước ngọt, và để duy trì tính liên tục thể tích, một dòng chảy bù mang nước ngọt chảy trên dòng xâm nhập mặn.
Hình 9.4 Hoàn lưu cuốn theo trong một hệ thống nêm mặn. (Theo Bowden, 1967)
Bởi vì một trạng thái tương tự xuất hiện khi mở cửa cống cho phép xáo trộn nước có mật độ khác nhau, những khảo sát được nói đến như vậy gọi là thực nghiệm ‘thông thuỷ’ (Turner, 1973: tr. 70). Mặc dầu sự trao đổi nước muối và nước ngọt chỉ kéo dài một vài giây, thực nghiệm này cho thấy rằng những sóng hình thành trên mặt phân cách mật
độ và phản xạ lại mép thùng khi chúng trở nên bị phát tán bởi ma sát ra sao.
Nhiều thực nghiệm thông thuỷ được kiểm soát đã được thiết lập trong phòng thí nghiệm (Simpson, 1997: tr. 140 -55). Hiệu ứng của ma sát biên lên dạng xâm nhập mặn
được thể hiện bởi một thực nghiệm thiết kế đặc biệt. Trong thực nghiệm này, nước được bơm vào một thùng kính có thành đứng song song ở một mức ổn định. Một phần của đáy thùng có một vành đai băng tải linh hoạt có thể chuyển động với cùng vận tốc như nước đi vào, như vậy loại trừ sức cản ma sát lên dòng chảy (hình 9.6). Một dung dịch muối được liên tục đưa vào tại điểm hạ lưu của thùng tại đáy, như vậy cho phép nước thừa vượt qua
đỉnh. Vận tốc dòng chảy và sàn được điều chỉnh cho đến khi ranh giới chủ đạo của xâm nhập mặn đạt được và dừng ngay lập tức tại hạ lưu của sàn chuyển động. Thực nghiệm này tạo ra nêm mặn như được minh họa trong hình 9.6 (a), cho thấy sự hình thành của những sóng cuộn lên mặt phân cách mật độ. Nếu sàn được cố định theo toàn bộ độ dài của thùng để ma sát ảnh hưởng lên chuyển động của dung dịch muối, thì sự hình thành sóng
cuộn bị chặn lại và nêm mặn cho thấy dấu hiệu nhỏ của bất ổn định (hình 9.6 (b)). Sự khác nhau giữa hai trạng thái thực nghiệm được minh họa bởi phân bố vận tốc trong dòng chảy đang tiếp cận ranh giới chủ đạo của xâm nhập mặn. Với một sàn chuyển động, vận tốc hầu như đồng nhất theo độ sâu và sự trượt phát sinh bởi nước dâng lên trên vùng xâm nhập mặn tạo ra sự hình thành những sóng cuộn đặc trưng. Trong môi trường biển
điều này tương đương với sự chuyển động của dòng chảy mật độ trong nước tương đối ứ
đọng, trong đó ma sát biên không đáng kể. Một ví dụ là sự lan rộng của nước ngọt trên mặt nước biển, như xuất hiện tại những cửa sông nhánh hoặc tại nơi dòng chảy ra biển hở.
Hình 9.5 Thực nghiệm đơn giản để trình bày hiện tượng 'thông thuỷ'
Khi sàn cố định, vận tốc dòng chảy trên vùng xâm nhập bị giảm đáng kể, như vậy làm cho độ trượt quá nhỏ để phát sinh cấu trúc sóng cuộn. Trong môi trường biển, trạng thái này xuất hiện sớm lúc triều lên, khi chuyển động tiếp tục về phía biển của nước mặt ngược với dòng xâm nhập mặn. Trạng thái này cũng xảy ra tại lúc cuối triều lên, khi chuyển động lên thượng lưu của nêm mặn bị 'giữ lại' bởi dòng chảy về phía biển của nước ngọt. Một ví dụ của nó là mặt phân cách mật độ rõ rệt có thể hình thành trong cửa sông Fraser khi chuyển động triều lên ngừng lại (hình 9.7).
Cấu trúc bên trong của xâm nhập mặn
Những kết quả thực nghiệm trong phòng cho thấy mũi nước mặn tiến triển dọc theo đáy thùng, phát sinh chuyển động hướng lên tại mép đầu và hình thành những sóng cuộn điển hình trong trạng thái sàn chuyển động (hình 9.8). Nước muối không xáo trộn với chất lỏng bao quanh được mang về phía đuôi xâm nhập. Trong cửa sông Fraser quá
trình này không xuất hiện trong thời gian triều lên vì ma sát đáy làm chậm lại chuyển
động của lớp thấp hơn và phân tầng làm giảm sức cản mặt phân cách lên lớp trên, làm cho nước ở trên nêm mật độ tràn qua lớp thấp hơn (Geyer và Farmer, 1989). Về phía đầu của vùng xâm nhập mặn trong cửa sông Fraser cơ chế này dẫn đến sự vận chuyển đi xuống, thay vì đi lên của nước. Như vậy có hai ô hoàn lưu, một ô tại đầu quay lên và ô kia quay xuống, không như một ô đơn giả thiết trong hình 9.8. Sức mạnh tương đối của hai ô
này phụ thuộc vào độ lớn sức cản đáy lên xâm nhập mặn. Những xuất hiện theo ba chiều của đầu xâm nhập có thể thấy trong thực nghiệm trong phòng gồm các sóng cuộn, mấu và khe (h×nh 9.9).
Hình 9.6 Thực nghiệm thiết lập để khảo sát xâm nhập mặn. (Theo Simpson, 1987, được sự đồng ý của Cambridge University Press)
Hình 9.7 Mặt phân cách mật độ trong cửa sông Fraser vào lúc cuối triều lên. (Theo Geyer và Fanner, 1989,
được sự đồng ý của Hội Khí tượng Mỹ)
Những quan trắc khi triều lên giả thiết rằng sự hình thành sóng cuộn là do những bất ổn định trượt Kelvin - Helmholtz, xuất hiện khi số Richardson gradient nhỏ hơn giá
trị phân giới là 0,25 (mục 3.6.3). Trong cửa sông Fraser thấy rằng Ri gần đến 0,25 cả
trong nước bị trượt mạnh trên nêm mật độ, lẫn trong lớp xáo trộn phía dưới, dù sự phân tầng đáng kể trong khu vực trước và không đáng kể trong khu vực sau. Điều này nói lên
rằng những gradient vận tốc và độ mặn được duy trì bằng những bất ổn định K – H, phát triển khi Ri < 0,25. Sự phân tầng mạnh như vậy làm tăng cường độ trượt, tạo ra rối làm cho Ri nhỏ hơn 0,25; sự phân tầng yếu liên hệ với độ trượt tương đối khiêm tốn, bảo đảm rằng Ri không bao giờ trở nên nhỏ hơn 0,25.
Hình 9.8 Hoàn lưu tại mép đầu của xâm nhập mặn
Hình 9.9 Khu vực front của nêm mặn tiến dọc theo sàn của một thùng nước ngọt. (Được sự đồng ý của J.E.
Simpson, Khoa Toán ứng dụng và Vật lý Lý thuyết, Đại học Tổng hợp Cambridge)
Dựa trên những phân bố trong cửa sông Fraser theo những thời gian khác nhau trong chu kỳ thủy triều, hiển nhiên tần số xuất hiện những giá trị Ri dưới 0,25 là lớn hơn trong thời kỳ giữa và cuối lúc triều xuống chứ không phải vào thời kỳ nào khác (Geyer và Smith, 1987). Bởi vậy sự duy trì những gradient vận tốc và độ mặn được thấy một cách khái niệm, là do những bất ổn định trượt gián đoạn, mà thường xuyên hơn ở trên và ở dưới nêm mật độ. Cần thấy rằng giá trị cao nhất của Ri đã cho trong phân bố (hình 9.10) là hơi tuỳ tiện vì nó phụ thuộc vào quy trình lấy trung bình được sử dụng để giữ cho Ri hữu hạn ở vận tốc lớn nhất. Điều này nảy sinh bởi vì có điểm yếu trong định nghĩa Ri. Tại
độ sâu mà du/dz = 0, như thường có thể xuất hiện trong những dòng chảy tự nhiên, Ri có xu hướng tiến đến vô hạn; xu hướng cực trị này thường được kiểm soát bằng việc lấy một giá trị tuỳ chọn nhỏ nhất cho phép đối với sự trượt thẳng đứng khi tính toán Ri.