Chương 8. Nghiên cứu những hệ thống xáo trộn mạnh
8.2 Kỹ thuật phân loại cửa sông
Không khác thường để nhận ra rằng những hệ thống đại dương nằm giữa những cực trị của xáo trộn mạnh và phân tầng. Trong một vài trường hợp, sự phân tầng tại một vị trí đặc trưng có thể biến đổi giữa những giới hạn này trong một chu kỳ đã cho, cho nên, ví dụ cột nước tương đối đồng nhất tại một thời gian trong chu kỳ thủy triều và hoàn toàn phân tầng tại thời gian khác. Tính biến thiên như vậy không bị hạn chế đối với những thay đổi theo thời gian chu kỳ thủy triều. Tại một vị trí đã cho, những biến đổi tính ổn
định có thể xuất hiện từ những thay đổi do sự nóng lên hàng ngày bởi bức xạ mặt trời, những thay đổi cường độ dòng chảy trong kỳ triều cường/yếu, hoặc thậm chí những thay
đổi hàng ngày/từng mùa của nguồn nước ngọt nhập vào cửa sông hoặc vùng ven bờ.
Những hệ thống, về trung bình, nằm giữa những cực trị của ổn định được mô tả như
'phân tầng một phần'; chúng quan trọng theo quan điểm phát tán bởi vì chúng tương đối tổng quát.
Có mối quan tâm từ lâu trong việc phân loại cửa sông theo các kiểu đặc trưng, dựa vào việc mô tả những quá trình vật lý, hóa học hoặc sinh học đi cùng chúng. Bằng cách này có thể nói, liệu có phải những quá trình trong một cửa sông là tương đồng với những quá trình tương đương trong một cửa sông cùng kiểu hay không. Trong khi thiếu một số biện pháp để phân loại cửa sông, việc so sánh những hệ thống trở nên tuỳ tiện hơn. Thoạt tiên, sự phân biệt những loại cửa sông khác nhau là thuần túy mô tả, quy về địa mạo (tức là hình dạng đáy) và những đặc trưng của cột nước (Pritchard, 1952). Tuy nhiên, để so sánh những quá trình vật lý trong những loại cửa sông khác nhau, đã có những nỗ lực để sắp đặt một phương pháp phân loại mang tính định lượng hơn. Một cách tiếp cận là xác
định cửa sông dưới dạng một số phi thứ nguyên - ví dụ số cửa sông EN (Turner, 1973: tr.
158) xác định như
RT F E p
2 t
N (8.1)
trong đó Pt là thể tích lăng trụ thủy triều (tức là thể tích của nước biển đi vào cửa sông khi triều lên), F = u0/ (gd)1/2 là số Froude bình thường, u0 là vận tốc thủy triều trung bình và d là độ sâu thủy triều trung bình, R là lưu lượng thể tích nhập vào của sông và T là chu kỳ thủy triều. Đã đánh giá rằng sự phân chia giữa điều kiện phân tầng và điều kiện xáo trộn mạnh xuất hiện khi EN nằm từ 0,03 đến 0,3, những giá trị lớn hơn của EN tương ứng với tình huống sau.
Vì cấu trúc mật độ của một cửa sông có thể thay đổi đáng kể trong thời gian một chu kỳ thủy triều, những nỗ lực sớm nhất để định lượng sự khác nhau giữa các cửa sông
đã sử dụng vận tốc trung bình thủy triều liên quan đến nguồn nước ngọt nhập vào hệ thống và hoàn lưu dư thẳng đứng (Hansen và Rattray, 1966). Những yếu tố này được thể
hiện bằng việc lấy tỷ số của vận tốc mặt nước trung bình thủy triều u0v, là số đo cường độ của hoàn lưu thẳng đứng, trên vận tốc u0 trung bình mặt cắt do dòng chảy sông. Sự ổn
định của hệ thống được xét đến bằng việc sử dụng tỷ lệ khác biệt về độ mặn giữa mặt nước và đáy s0 trên độ mặn trung bình mặt cắt s0. Hình 8.1 minh họa sự phân loại tiêu biểu của cửa sông bằng cách sử dụng tiếp cận Hansen và Rattray. Sơ đồ chia thành những khu vực ứng với những điều kiện khác nhau của dòng chảy và khuyếch tán. Trong khu vực 1 dòng dư hướng về phía biển tại tất cả các độ sâu và dòng muối hướng vào phía
đất là hoàn toàn do khuyếch tán. Trong khu vực 2 của sơ đồ dòng dư đảo ngược hướng tại
độ sâu trung gian nào đó và dòng lên thượng lưu là do cả khuyếch tán lẫn hoàn lưu thực tế. Trong cả hai khu vực này của hình vẽ, loại a và b tham chiếu đến những điều kiện xáo trộn mạnh và phân tầng, tương ứng. Khu vực 3 ứng với cửa sông, phụ thuộc vào sự cuốn theo đối với vận chuyển thẳng đứng của muối, như những fio, ở đó rất ít dòng khuếch tán.
Khu vực 4 là đặc trưng của điều kiện nêm mặn cố định. Cách tiếp cận Hansen và Rattray
được Dyer (1977) sử dụng để xét những hiệu ứng hoàn lưu hướng ngang trong việc phân loại những cửa sông.
Hình 8.1. Sơ đồ phân loại cửa sông Hansen - Rattray. (Mã trạm: M, Cửa sông Mississippi ; C, Cửa sông Columbia; J, Cửa sông Sông James ; NM, Khúc hẹp của cửa sông Mersey; JF, Eo biển Juan de Fuca; S, Vịnh Silver - những chỉ số dưới h và l tham chiếu đến lưu lượng sông thấp và cao; những chữ số cạnh chữ
J là khoảng cách tính bằng dặm kể từ miệng cửa sông James). (Theo Hansen và Rattray, 1966, được sự
đồng ý của American Society for Limnology and Oceanography Inc)
Mặc dù kỹ thuật đã chứng tỏ là hữu ích, có một vài nghi ngờ về lý thuyết đã đưa ra được Hansen và Rattray áp dụng để giải thích ý nghĩa của những tham số lựa chọn (Officer, 1976: tr. 127). Giờ đây đã hiểu rõ rằng một phần của dòng dư xuất hiện từ những biến đổi vận tốc phụ thuộc vào thời gian trong một cửa sông, và không thật sự có lý để tách hoàn lưu trạng thái ổn định ra khỏi những quá trình thủy triều phát sinh ra nó. Để
có sự phân biệt này, Jay và Smith (1988) đề xuất một phương pháp phân loại dựa vào số Froude kết hợp FT, mô tả dòng triều (chính áp), và số Froude nội FB, mô tả những khác biệt mật độ hướng ngang và thẳng đứng điều khiển dòng chảy mật độ (tà áp). Hình 8.2 cho thấy hình vẽ phân loại sử dụng hai tham số này cho một số cửa sông. FT xác định bằng FT = / h, trong đó là biên độ trung bình thủy triều và h là độ sâu trung bình thủy triều trên độ dài cửa sông. Tham số FB xác định bằng FB = (d/D)(/x)1/ 2, trong đó d là biên độ chuyển động thẳng đứng của mặt phân cách mật độ trong thời gian một chu kỳ thủy triều, D là độ sâu trung bình thủy triều của mặt phân cách, là chênh lệch mật độ giữa lớp trên và lớp thấp hơn, đo tại nửa chừng dọc theo cửa sông, và x là khác biệt mật
độ nằm ngang giữa hai đầu cửa sông. Tuy vậy tính khả dụng của cách tiếp cận Jay và Smith còn phải được chứng minh, nhưng về nguyên lý nó đề ra những biện pháp phân biệt khá rộng những hệ thống, đảm bảo được sự đánh giá hiện tại những cơ chế cửa sông.
Hình 8.2 Sơ đồ phân loại cửa sông Jay-Smith đối với cửa sông nông; dựa vào hai tham số FB là số Froude tà áp, và FT là số Froude chính áp. (Mã trạm: Au, Cửa sông Aulne; Bfu, Vịnh Fundee; CB, Vịnh Chesapeake; CR, Cửa sông Columbia; Du, Cửa sông Duwamish; Fr, Cửa sông Sông Fraser; GB, Vịnh Lớn;
US, Long Island Sound ; Mi, Sông Mississippi; NM, Khúc hẹp của cửa sông Mersey; NS, Phía Bắc Santee;
RW, Thủy đạo Rotterdam; SW, Southampton Water; SS, Phía Nam Santee; Ve, Cửa sông Vellar - hf và lf tham chiếu đối với lưu lượng sông thấp và cao).
(Theo Jay và Smith, 1988, được sự đồng ý của Springer-Verlag )
Tại những nơi mà mức độ phân tầng liên quan đến sự nóng lên của mặt nước bởi bức xạ mặt trời trong những biển nông vào mùa hè và mùa xuân, sự phân biệt những hệ
thống có thể dựa vào một tham số quá độ, như PL= h / Ulb3, trong đó Ulb là biên độ của dòng triều gần đáy (mục 9.4.2). Những chế độ phân tầng một phần tương ứng với những khu vực, trong đó PL lớn hơn 70 nhưng nhỏ hơn 1000 trong vĩ độ ôn đới. Tại những vĩ độ cao hơn, hệ số dãn nở nhiệt thấp hơn và phân tầng phải bị phá vỡ tại những giá trị PL lớn hơn 70 rất nhiều. Ví dụ, trong biển Bering, tại đó sự ổn định chủ yếu là do bổ sung nước ngọt vào lớp nước mặt, giá trị phân giới của PL được đánh giá xấp xỉ là 3000. Bằng việc cho phép những hạn chế này và những vấn đề khác được làm rõ trong mục 9.4.2, việc sử dụng độ sâu và biên độ thủy triều để xác định sự ổn định nước ven bờ dựa vào một tham số như PL , đã chứng tỏ có ứng dụng tổng quát và rộng rãi.