http://www.ebook.edu.vn
9. Vấn đề ô nhiễm vệ dòng mật độ
9.1 Mở đầu
ở vùng ven biển, nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến sự khác nhau giữa nớc ngọt v
nớc mặn. Một nguyên nhân cơ bản của mọi vấn đề l ô nhiễm vấn đề. Chơng ny
thảo luận đến các vấn đề đó.
9.2 Ô nhiễm
9.2.1 Các loại ô nhiễm
Các loại ô nhiễm bao gồm:
1. Chất thải của con ngời.
2. Ô nhiễm dầu
3. Carbon halogen
4. Các vật chất hữu cơ khác
5. Kim loại nặng
6. Nhiệt
7. Các chất phóng xạ
8. Bùn cát mịn
Các chất thải của con ngời đợc xem trớc hết, vì nó liên quan tới vấn đề thẩm mỹ.
Tuy nhiên, nó l các sản phẩm tự nhiên v chất thải do các sinh vật biển cũng rất lớn.
Theo Bascom (1974-1), sáu triệu tấn cá trống ở vùng biển bang California thải ra một
khối lợng chất thải tơng đơng với 90 triệu ngời m những chất thải ny chứa đựng
nhiều vi khuẩn rất nguy hiểm cho con ngời. Nớc biển với hm lợng chất thải hữu cơ
cao l thức ăn cho các động vật cấp thấp trong lòng biển, m những động vật ny lại l
thức ăn cho các loi cao cấp hơn. Tuy nhiên có hai vấn đề cần phải chú ý, đó l nhu
cầu oxy hòa tan trong nớc v vi khuẩn. Nhu cầu o xy có thể lm giảm mức o xy hòa
tan xuống dới mức nhu cầu của các sinh vật biển. Trong khi phần lớn vi khuẩn bị chết
sau một khoảng thời gian ngắn, khi tiếp xúc với môi trờng nớc mặn. Điều ny không
hon ton đúng với tất cả các loi theo đó các vấn đề dịch tễ học có thể xuất hiện.
Dầu v các sản phẩm dầu l những chất ô nhiễm loại bậc nhất. Phản ứng của công
chúng khi hiện tợng dầu trn trên sông, biển rất mạnh mẽ. Tu thuyền không phải l
nguyên nhân duy nhất gây ô nhiễm dầu trn. Một lợng đầu không xác định đang thấm

cũng tích tụ lại. Hình 9-1 biểu diễn lợng chì tích tụ trong các lớp bùn khảo sát đợc ở
Long Beach, California. Việc nồng độ chì tăng đột ngột trong những năm gần đây l do
hoạt động hng không tăng mạnh.
Hình 9-1: Nồng độ chì trong bùn cát (theo Bascom 1974-1)
Phát xạ nhiệt có thể lm nớc ấm hơn hoặc lạnh hơn so với xung quanh. Phần lớn các
sinh vật biển tự thích nghi với sự thay đổi nhiệt khi ở gần những vùng nóng hơn hoặc
lạnh hơn ở trên, nhng chúng sẽ bị tiêu diệt hng loạt khi có sự thay đổi đột ngột chế
213
http://www.ebook.edu.vn
độ nhiệt, áp. Nhiệt đa vo nớc biển chỉ gây hiệu ứng đối với hệ sinh thái trên một
vùng cục bộ.
Các chất thải phóng xạ gây ra các loại ô nhiễm rất nguy hiểm. Các sinh vật biển có thể
chịu đựng đợc lợng phóng xạ lớn hơn nhiều lần sức chịu đựng của con ngời. Con
ngời sẽ bị nhiễm phóng xạ khi ăn phải các loi cá sống trong vùng bị nhiễm độc
phóng xạ. Do vậy, các chất thải phóng xạ không nên thải vo những vùng nuôi cá, hoặc
đánh bắt cá ở những vùng bị nhiễm phóng xạ. Cũng không nên chọn giải pháp chôn
các chất phóng xạ xuống đất vì dù nó thẩm thấu một cách rất chậm chạp thì sau một
thời gian di các chất phóng xạ ny sẽ đến nớc ngầm tầng sâu v gây độc cho nguồn
nớc.
Bùn cát mịn giữ lại sau khi nạo vét cũng nguy hiểm cho các sinh vật biển. Các hạt sét
mịn lơ lửng với nồng độ cao sẽ ngăn cản ánh sáng chiếu sâu vo lòng nớc v điều ny
có thể dẫn tới việc diệt vong một số loi sinh vật biển. Nh vậy bùn cát l mối đe dọa
đối với môi trờng vì nó lm giảm ánh sáng v bản thân chúng chứa đựng nhiều chất ô
nhiễm, kể cả các kim loại nặng đe dọa sự tồn vong của hệ sinh thái.
9.2.2 Các giải pháp kiểm soát ô nhiễm
Việc ban hnh các bộ luật phù hợp v khả thi sẽ tạo một công cụ tốt cho việc kiểm soát
ô nhiễm. Trong hoạt động hng ngy, cũng phải có một hệ thống với các thiết bị
chuyên dùng để đo đạc v kiểm soát ô nhiễm. Các vấn đề chung nhất trong đánh giá
môi trờng bao gồm:
- Tác động nên con ngời, động, thực vật sẽ gây nên các hậu quả trực tiếp

đến việc bảo tồn v quản lý các sinh vật biển. Bảo vệ môi trờng biển cũng đợc đề cập
trong hiệp định ny.
9.3 Dòng mật độ vùng cửa sông
Điểm đợc xem xét l giới hạn trên cùng của dòng triều khi vo cửa sông. Do nớc
mặn v nớc ngọt có sự xáo trộn ở mức độ khác nhau, tại các vị trí khác nhau l
nguyên nhân sinh ra dòng mật độ, tơng tự nh biến đổi của nhiệt độ. Dòng sinh ra do
sự khác nhau về mật độ gọi l dòng mật độ, trong khi sự thay đổi về độ muối sẽ lm
thay đổi tính chất hóa lý của bùn cát mịn.
9.3.1 Sự thay đổi độ muối theo thủy triều
Trớc hết chúng ta nghiên cứu phân bố mặn trong sông. Đờng đẳng nồng độ muối
biểu diễn sự thay đổi của lợng muối. Nếu đờng đẳng nồng độ phân bố theo phơng
thẳng đứng ta nói rằng nớc mặn v nớc ngọt xáo trộn hon ton, trong khi phân bố
của chúng theo phơng nằm ngang nghĩa l giữa chúng có sự phân tầng: nớc ngọt
nằm trên, nớc mặn nằm dới. Hình 9-1 biểu diễn mặt cắt dọc phân bố nồng độ muối.
Hình 9-2: Phân bố nồng độ muối
()
215
http://www.ebook.edu.vn
Mô hình dòng chảy cơ bản vùng của sông l nớc ngọt phía trên mặt hớng chảy ra
biển, trong khi dòng nớc biển ở đáy chảy vo trong sông. Độ lớn về lu tốc v mức độ
xáo trộn giữa nớc ngọt v nớc mặn thay đổi theo mỗi cửa sông. Chú ý rằng các sông
ở bắc bán cầu, hớng dòng chảy của nớc ngọt ra biển có xu thế lệch phải dới tác
dụng của lực Coriolis. Hớng đối diện của vùng cửa sông chịu ảnh hởng trội của biển.
ở hầu hết các cửa sông, dòng chảy từ biển vo đều nằm ở lớp dới.
Chỉ trong trờng hợp dòng chảy trong sông đủ lớn lấp đầy khối nớc triều ngay cả
trong trờng hợp pha triều lên thì nớc mặn không thể vo đợc của sông. Rất ít con
sông có lu lợng đủ lớn quanh năm để khống chế mặn xâm nhập vo cửa sông.
Độ mặn ttại một điểm bất kỳ trên sông thay đổi trong một con triều, v độ muối đợc
xem l đạt giá trị lớn nhất tại điểm dừng triều. Mối quan hệ ny đối với cảng
Rotterdam đợc biểu diễn ở hình 9-3.

Tiếp cận cơ bản hơn với vấn đề ny l nghiên cứu của Ippen and Harleman (1961) về
quá trình xáo trộn thông qua việc sử dụng hệ số phân tầng không thứ nguyên S. Hệ số
ny biểu diễn nh sau:
lengluongnangsuatCuong
tieuluongnangsuatCuong
S
tan
tan

(9.2)
Năng lợng tiêu tán ở tử số l kết quả của việc giảm sóng triều khi đi vo trong vùng
cửa sông. Mẫu số phản ánh sự tăng lên của năng lợng khi mật độ của nó tăng lên khi
đi ra phía cửa sông gặp nớc mặn.
Harleman v Abraham (1966) đa ra hệ số cửa sông E có ý nghĩa gần nh hệ số phân
tầng S.
D
F
=
T
Q
PF
= E
2
f
2
(9.3)
Với F l số Froude tơng ứng với lu lợng dòng triều lớn nhất tại cửa sông.
ghuF /
Hệ số cửa sông E sử dụng thuận tiện hơn hệ số phân tầng S do việc xác định nó dễ
dng hơn. Ngợc lại với hệ số xáo trộn Iw, mức độ xáo trộn ở cửa sông tăng lên cùng

L
w
(9.4)
Với
2121
1
1
)(
8
VVVV
f


U
W
(9.5)
v
ghVF
f
G
/ (9.6)
L
w
: Chiều di nêm mặn (m)
V
f
: Lu tốc dòng chảy từ sông ở phía trên nêm mặn (m/s)
V
1
: Lu tốc nớc ngọt ngay phía trên nêm mặn (m/s)

w
= 2689 m.
Trong thực tế, chúng ta thờng gặp cân bằng động. Sự xáo trộn xảy ra trong khu vực
tiếp xúc giữa 2 khối nớc. Hình đứt nét đứng trên hình 9 - 4 khoảng một nửa của nêm
mặn. Lu lợng thực tại một mặt cách ngang sẽ l:
Q
1
= Q
f
+ Q
w
(9.7)
where: Q
w
= Lu lợng chảy vo thuộc khối nớc mặn
Q
f
= Lu lợng nớc ngọt
Q
1
= Lu lợng tổng hợp tại mặt cắt xác định
218
http://www.ebook.edu.vn
Do tính liên tục của khối nớc ta có:
Q
1
S
1
= Q
w

của thủy triều v lòng sông không phải lăng trụ.
Thông thờng, ảnh hởng của thủy triều l quan trọng nhất. Nó gây nên dao động của
hệ thống dòng chảy 2 lớp trên đáy sông không bằng phẳng. Chuyển động ny lm tăng
khả năng xáo trộn qua lại giữa 2 lớp chất lỏng. Tại những cửa sông ảnh hởng của thủy
triều mạnh, trong khi nớc ngọt chảy từ trong sông ra nhỏ, hiện tợng phân tầng sẽ bị
phá vỡ dẫn đến quá trình xáo trộn hon ton, nghĩa l tại một thời điểm bất kỳ, một
mặt cắt bất kỳ, sự thay đổi độ muối theo phơng thẳng đứng rất nhỏ.
9.3.3 Hiện tợng phân tầng theo phơng ngang
Hiện tợng phân tầng theo phơng ngang có nghĩa l có mặt ngăn cách nằm ngang
ngăn cách giữa 2 khối nớc có mật độ khác nhau. Nếu mật độ tầng trên nhỏ hơn tầng
dới thì mặt ngăn cách sẽ ổn định. Trong thực tế, mặt ngăn cách kiểu ny rất ổn định
thậm chí khi có sự chuyển động của cả 2 khối nớc. Hiện tợng phân tầng do sự khác
nhau về độ muối hoặc nhiệt độ thờng thấy trong đại dơng, nhng ít thấy ở trong các
hồ có độ sâu nớc nhỏ.
Khi bề mặt phân tầng nằm ngang tồn tại trong khối nớc, sóng sẽ hình thnh trong khu
vực mặt ngăn cách, lệch về khối nớc phía trên. Mặt trên của khối nớc l mặt tiếp xúc
giữa nớc v không khí. Tuy nhiên, sóng nội xảy ra tại khu vực ngăn cách giữa 2 khối
nớc m sự sai khác mật độ của chúng không nhiều. Sự khác nhau ny đã tạo nên sóng
nội có khi mạnh bằng sóng do gió tạo ra.
Nớc tĩnh l điều kiện tạo nên hiện tợng phân tầng theo phơng ngang với khối nớc
ngọt nằm trên khối nớc mặn. Sóng nội bộ (hình 9-5) hình thnh giống nh sóng do
tu thuyền, sóng do động đất hoặc hiện tợng lở đất ngầm gây ra. Sóng nội bộ cũng
hình thnh trên bề mặt của 2 khối chất lỏng chuyển động tơng đối so với nhau.
219
http://www.ebook.edu.vn
Hình 9-5: Sóng nội
Tốc độ truyền sóng tại bề mặt ngăn cách tính theo công thức:
2112
2121
)(

21
TTG
(9 - 10)
với:
G = (U
1
- U
2
) / U
1
h = T
1
+ T
2
Các sóng ny có thể rất cao vì ảnh hởng của trọng lực không lớn. Chúng thờng chịu
ảnh hởng nhỏ của sóng âm tại bề mặt. Sóng nội cũng có thể hấp thụ một cách đáng kể
năng lợng do tu thuyền tạo ra. Ví dụ dới đây giải thích điều ny.
Một con tu có độ sâu mớn nớc l 4 m chạy qua một khối chất lỏng đồng nhất phía
trên có độ dy 3 m với độ muối S = 5() v nhiệt độ T =2
0
C nằm trên khối nớc có
chiều dy 7 v độ muối S = 36(), nhiệt độ T = 4
0
C . Hỏi tốc độ giới hạn của tu l
bao nhiêu để có thể di chuyển qua khu vực ny?
Từ bảng quan hệ giữa độ muối, nhiệt độ (bảng 4.1, chơng 4), ta có
V
t1
= 4.00 : U1 = 1004.0 kg/m
3

bồi lắng sẽ xảy ra ở khu vực ny. ở những cửa sông m ảnh hởng của thủy triều
không lớn v sự tồn tại của nêm ổn định thì bùn cát bồi lắng có thể lm đáy sông nâng
lên đáng kể. Chính l vai trò của nêm mặn m tại đây có sự thay đổi mật độ nớc l
nguyên nhân chính gây ra hiện tợng bồi lắng. Cũng còn phải kể tới sự khác nhau về
nhiệt độ nớc tạo nên sự thay đổi khi gặp nhau v thúc đẩy thêm quá trình bồi. Hiện
tợng xáo trộn ny còn thấy ở những kênh xả nớc sau khi lm lạnh của nh máy nhiệt
điện.
Khi bùn cát lơ lửng m thnh phần của nó gồm các các hạt sét v mật độ của nớc tại
nêm mặn tạo ra sự khác nhau về độ muối thì các quá trình điện hóa có ảnh hởng quyết
định đến hình thức lắng đọng tại cửa sông. Các hạt sét mịn trong nớc ngọt có hình dẹt
hoặc hình mũi kim với kích thớc tối đa khoảng vi micromet.
Khi xáo trộn với nớc biển m thnh phần các ion dơng nh (Na
+
, Mg
2
+, Ca
2
+ v.v )
thì quá trình trung hòa phát triển, các hạt liên kết với nhau thnh hạt có kích thớc lớn
hơn để chìm lắng xuống đáy sông. Độ muối khoảng 3 l giới hạn trong quá trình kết
tủa v lơ lửng hóa. ảnh hởng điện hóa chỉ mạnh mẽ khi sự thay đổi của độ muối nằm
dới giới hạn ny. Quá trình kết tủa xảy ra mạnh khi nồng độ muối tăng lên, nhng
đến khi triều rút, nớc ngọt tăng lên hay độ muối giảm đi thì quá trình phá vỡ các hạt
đã liên kết để trở lại trạng thái lơ lửng lại xảy ra. Quá trình ny thờng lm thay đổi
hm lợng cát lơ lửng trong nớc ở những nơi độ muối nhỏ. Có thể hình dung ảnh
hởng ny bằng việc so sánh tốc độ lắng chìm của hạt cát trong nớc ngọt v tốc độ
lắng chìm của nó trong nớc có độ muối trên 5. Các kết quả nghiên cứu của
Allersma, Hoekstra v Bijker (1967) cho tỉ số ny khoảng 1:50.
Chất lợng của bùn cát đáy sông trong vùng ny không giống với bùn cát nguyên gốc.
Thực tế bùn cát tạo thnh trong quá trình kết tủa thờng có hm lợng nớc khá cao.

có thể hạn chế đợc quá trình xâm nhập của nêm mặn nếu giảm độ sâu nớc mặn hoặc
tăng lợng nớc ngọt từ trong sông chảy ra. Ngời ta có thể lm đập ngầm bằng cuội
sỏi ngăn chặn nêm mặn tiến vo do lm giảm độ sâu nớc khu vực tạo đập. Các giải
pháp ny đợc ứng dụng rộng rãi ở khu vực luồng vo cảng ở cac cảng lớn trên thế giới
nh cảng Rotterdam (H Lan), trên sông Mississippi để kiểm soát mặn cho cửa lấy
nớc ở New Orleans.
Dòng mật độ do nhiệt gây ra có thể kiểm soát đợc bằng việc đẩy nhanh quá trình xáo
trộn giữa 2 khối nớc hoặc tăng quá trình truyền nhiệt giữa các lớp nớc hoặc với khí
quyển. Chẳng hạn biện pháp thúc đẩy quá trình xáo trộn giữa các lớp bằng cách tạo ra
quá trình không ổn định của dòng có nhiệt độ cao hoặc tạo ra hiện tợng không ổn
định trong các tầng nớc. Giải pháp xây dựng các mố trụ hoặc đê ngầm tại cửa ra kênh
nớc nóng sau khi đi qua nh máy nhiệt điện sẽ đẩy nhanh quá trình rối v đẩy nhanh
quá trình xáo trộn giữa các lớp nớc. Cũng có thể sử dụng các bơm khí đặt dới n
ớc
để tạo ra hiệu ứng tơng tự. Hiện tợng rối tự nhiên xảy ra khi nêm nớc thải nóng hơn
nhng có độ muối nhỏ hơn đợc bố trí cho chảy ra biển ở gần đáy. Khi đó hiện tợng
nớc có mật độ thấp hơn, nóng hơn có xu thế nổi lên trên v tạo nên quá trình xáo trộn.
222
http://www.ebook.edu.vn
Một giải pháp khác để kiểm soát ô nhiễm dạng nhiệt l lm lạnh nớc thải nóng trớc
khi xả chúng trở lại nguồn. Giải pháp ny có thể kết hợp với việc đổ tạm chúng ra
những hồ nông hoặc cho chảy tuần hon qua các tháp lạnh. Cũng có thể lm lạnh một
cách đơn giản bằng việc sử dụng một kênh dẫn nớc ra khá rộng v di.
Tất cả các giải pháp trên l truyền nhiệt trong các lớp nớc khác nhau hoặc ra khí
quyển. Khi xây dựng các tháp lm lạnh cần quan tâm đến việc bảo vệ khu vực giữa của
lấy nớc v cửa tháo nớc.
Ví dụ: Ngỡng trn ngầm chống nêm mặn xâm nhập trên sông Mississippi
Hiệp hội kỹ s quân đội Hoa Kỳ đã xây dựng một ngỡng trần ngầm với chiều cao 9 m
ở đáy sông Mississippi để chống xâm nhập của nêm mặn khi các hộ dùng nớc lấy
nớc trong sông khá lớn. Chiều di của đập ngầm l 518 m cắt ngang qua sông. Việc

số hạng quán tính không lớn. Điều đó có nghĩa l nếu nh không có vai trò khác nhau
của mật độ thì tại khu vực đỉnh triều v chân triều lu tốc dòng chảy coi nh bằng
không. Tuy nhiên, do thủy triều, dòng mật độ bao giờ cũng tồn tại. Nếu ảnh hởng ny
tồn tại thì mặt phân cách nằm ngang sẽ đợc thay thế bằng mặt ngăn cách thẳng đứng.
Hình 9.6: Phân bố áp lực thủy tĩnh tại 2 phía của cửa ngăn triều.
Hiện tợng ny có thể hình dung khi nớc mặn v nớc ngọt tồn tại ở 2 phía của cống
ngăn triều m phân bố áp lực thủy tĩnh đợc biểu diễn trên hình 9-6. Ta chỉ có thể mở
cống khi mực nớc ở 2 phía ngang bằng nhau. Trong trờng hợp ny vẫn tồn tại một
lực tổng hợp nằm ngang nhỏ tác dụng lên cửa cản trở việc mở cống. Lực ny sẽ triệt
tiêu khi:
2
22
2
11
2
1
2
1
ghgh
UU
(9.12)
với:
U
1,
U
2
= mật độ của nớc ngọt v nớc mặn
g = gia tốc trọng trờng
h = độ sâu
vì U

G
(9.14)
Với: G = (U
D
- U) / U
h = Chiều sâu nớc
Hệ số không thứ nguyên 0.45 phụ thuộc vo ma sát đáy v do Simpson (1987) đề nghị.
Trong thực tế giá trị ny có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn chút ít.
Với các cảng vùng ảnh hởng triều v cho cả âu tu dòng chảy vo cảng l tổng hợp
của dòng trn vo v dòng do mật độ tạo ra. Vì thế phân bố lu tốc l tổng hợp của 2
thnh phần, trong khi phân bố bùn cát không cùng kiểu trừ trờng hợp hm lợng bùn
cát nh nhau theo phơng thẳng đứng (trờng hợp ny rất ít khi xảy ra)
Điều kiện thực tại cảng Rotterdam ở vùng lân cận cảng dầu số 2 cũng đợc đa ra nh
một ví dụ. ở ví dụ trớc, chúng ta đã biết tác dụng quá tính tồn tại trong dòng chảy lũ
trong sông sau đỉnh lũ. Tuy nhiên trong cảng, thnh phần quán tính ảnh hởng ít hơn
nhiều v dòng chảy ở vùng cửa sông sẽ dừng hẳn ngay sau thời điểm đỉnh triều hoặc
chân triều. Điều ny đúng khi không có ảnh hởng của mật độ. Bảng 9-1 đa ra bảng
ti liệu đợc sử dụng để vẽ hình 9-8 biểu diễn trạng thái triều trên đờng vo cảng
225
http://www.ebook.edu.vn
Rotterdam, phía trớc của cảng dầu số 2 nh đã nói ở trên. ảnh hởng của dòng mật
độ không đợc xem xét trong bảng số liệu trên. Vì lu tốc dòng chảy tại cửa vo của
cảng rất nhỏ, khoảng cm/s. Các hình ny về cơ bản giống với các số liệu đã cho trong
bảng 9-1.
Thời gian (hrs) Mực nớc triều
(m MSL)
Dòng chảy trong
sông (m/s)
Dòng chảy trn
vo cảng cm/s)

V
D
tại mặt
0 2.38 3.96 1.149 x 10
-3
3.0
1 2.47 3.30 5.952 x 10
-4
4.0
2 2.83 3.04 1.619 x 10
-4
1.2
3 3.64 2.63 7.830 x 10
-4
-5.0
4 5.08 3.01 1.600 x 10
-3
-8.0
5 7.25 3.91 2.567 x 10
-3
-10.7
6 8.06 5.23 2.180 x 10
-3
-10.3
7 7.16 6.56 4.616 x 10
-4
-1.4
8 6.08 6.69 4.679 x 10
-4
2.1

Ví dụ:
Để phân tách các điều kiện ny, giả thiết rằng tại thời điểm ban đầu nớc trong cảng v
sông lân cận có mật độ nh nhau v bằng 1005 kg/m
3
. Tại một thời điểm no đó, mật
độ trong sông tăng lên 1015 kg/m
3
, v đây l điều kiện xuất hiện lực do chênh lệch mật
độ, mặc dù không có thủy triều. Giả sử mặt cắt khu vực cảng l chữ nhật với độ sâu h =
7m v chiều di L = 2500 m nh hình 9-11.
229
http://www.ebook.edu.vn
Sử dụng phơng trình (9-14) với việc sử dụng hệ số 0.35 thay cho 0.45, ta tìm đợc
dòng mật độ có vận tốc 1042 m/h. Với lu tốc ny, nêm mặn tiến vo điểm cuối cùng
của cảng trong thời gian 2giờ 24 phút nếu nh không có bất kỳ cản trở no. v sóng
tiến sẽ bị phản xạ tại phía cuối của cảng trở ra phía cảng với tốc độ truyền sóng tơng
tự v sau 4 giờ 48 phút thì hon thnh một chu kỳ của nó. Vị trí của nêm mặn sau mỗi
khoảng thời gian nửa giờ đợc thể hiện bằng hình đứt nét trên hình 9-11. Khi nêm mặn
trở lại phía cửa vo thì quá trình chuyển động cũng dừng lại vì không có sự khác nhau
về mật độ trên mặt cắt cửa vo.
Điều gì xảy ra khi nớc trong cảng có mật độ thấp? Loại nớc ny chiếm phần lớn khu
vực sông phía ngoi cảng với một lớp mỏng, nơi sóng sẽ lm tăng thêm quá trình xáo
trộn xuống lớp dới sâu hơn. thời gian cần thiết để dòng mật độ vo cảng v xáo trộn
với nớc trong cảng chính l thời gian lệch pha giữa thời điểm có độ muối lớn nhất ở
trong sông v trong cảng. Nớc trong sông v cảng sẽ pha trộn với nhau khi xuất hiện
lực mật độ v khi sự pha trộn hon ton xảy ra thì lực đó cũng triệt tiêu.
ở khía cạnh khác thì phức tạp hơn khi không đủ thời gian để quá trình xáo trộn hon
ton. Vấn đề ny đợc trình by trong ví dụ dới đây.
230
http://www.ebook.edu.vn

Sự thay đổi độ muối l nguyên nhân liên kết của các hạt mịn để hình thnh hạt có kích
thớc lớn hơn v tăng nhanh quá trình bồi lắng. Quá trình ny thậm chí xảy ra nhanh
hơn ở trong cảng so với ngoi sông do nớc trong cảng tĩnh lặng hơn ở ngoi sông. Tất
cả các nguyên nhân nêu trên l điều kiện để quá trình bồi lắng trong cảng xảy ra.
Với việc nạo vét thì tổng lợng bùn cát bồi lắng l thông tin quan trọng. Lợng bùn cát
ny, tính toán sơ bộ bằng lợng nớc trao đổi trong một chu kỳ triều nhân với chênh
lệch nồng độ bùn cát của dòng mang vo v chảy ra. Kết quả tính toán có thể kiểm
nghiệm bằng các số liệu đo đạc thực tế v sẽ đợc trình by ở phần sau.
9.4.2 Bi toán thực tế
Vấn đề thảo luận trên đây chỉ đúng khi giả thiết thỏa mãn. Tuy nhiên, giả thiết mật độ
nớc sông thay đổi đột ngột l không đúng trong thực tế. Hơn nữa phần lớn mặt cắt
ngang của cảng không phải l chữ nhật. Đa ra một tính toán lý thuyết có thể chấp
nhận đợc cho mặt cắt tùy ý l rất phức tạp. Vì lý do đó, nghiên cứu trên các mô hình
vật lý bao giờ cũng l một lựa chọn đợc các nh nghiên cứu quan tâm.
Hớng thứ 2 cũng đợc quan tâm, đó l xây dựng những công thức kinh nghiệm hay
bán kinh nghiệm về sự trao đổi nớc cũng nh các hệ số kinh nghiệm, dựa trên các số
liệu quan trắc ở những cảng cụ thể. Các công thức loại ny đợc dùng để dự báo cho
các cảng có điều kiện gần tơng tự nhau. Vì thể tích có thể tính bằng tích tốc độ với
mặt cắt ớt v thời gian nên có thể thấy rằng căn bậc 2 của chênh lệch mật độ nhân với
độ sâu sẽ bằng tốc độ nhân với diện tích mặt cắt ớt tại cửa vo A
e
. Kết quả khảo sát
thực địa ở khu vực cảng Rotterdam đã đa đến biểu thức kinh nghiệm dới đây:
hAGV
ed
'
G
(9.15)
Trong đó:
V

= Mật độ lớn nhất trong sông
U
= Mật độ trung bình trong sông trong một chu kỳ triều.
Phơng pháp tính toán ở trên ứng dụng đối với các cảng sông chịu ảnh hởng của thủy
triều. Hơn nữa, kích thớc v hình dạng cảng dự kiến xây dựng thờng khác với các
đặc trng của những cảng đã có sẵn. trong những trờng hợp ny, các sơ đồ đã trình
by trên không thể áp dụng trực tiếp đợc v không thể lấy trực tiếp hệ số G. Chính vì
vậy hớng sử dụng mô hình toán cũng đợc quan tâm. Tuy nhiên khi sử dụng mô hình
cần chú ý nó cho phép mô phỏng thnh lớp v thông thờng mô hình 1 chiều không đủ
mạnh để tính toán.
Dòng mật độ thực sự quan trọng trong quá trình lắng đọng của bùn cát, vì nó liên quan
đến giá cả nạo vét. Vì vậy, ớc tính độ lớn dòng mật độ l rất quan trọng trong giai
đoạn nghiên cứu khả thi, thậm chí các ớc lợng cũng rất có ý nghĩa. Kỹ thuật tính
toán đợc thể hiện trong ví dụ dới đây.
Một cảng đợc bố trí trong sông chịu ảnh hởng triều có hm lợng bùn cát l 77mg/l.
Cảng có chiều di 2000m v mặt cắt hình thang với độ dốc mái m = 4, độ lớn thủy
triều l 1.7 m v chiều sâu tại mực nớc triều thấp nhất l 13.5 m
Hình 9-13 thể hiện cảng dự kiến nh vậy với chiều rộng đáy l 400 m. Sông có độ
muối tối đa l 8.06 () v tối thiểu l 2.47 (). Với nhiệt độ nớc T = 16
0
C mật độ
nớc sông đạt giá trị lớn nhất l 1005.18 kg/m
3
v nhỏ nhất l 1000.85 kg/m
3
, kết quả
l:
3'
1032.4
02.1003

http://www.ebook.edu.vn
Hình 9.13: Sơ đồ hóa cảng tính toán
Mỗi m
3
nớc mang theo 77 g bùn cát. Tuy nhiên không phải ton bộ số bùn cát ny sẽ
lắng đọng trong cảng trong chu kỳ triều tính toán m một phần vẫn tồn tại dới dạng
bùn cát lơ lửng chảy theo dong nớc ra vo cảng. Lợng bùn cát do dòng chảy mang
theo l bao nhiêu thì hoặc xác định bằng số liệu đo đạc hoặc bằng các thí nghiệm trong
phòng. Trong ví dụ, giả thiết rằng lợng ny l 10 mg/l hay 10 g/m
3
, thì lợng bồi lắng
trong cảng l 67 g/m
3
.
Tổng lợng bùn cát lắng đọng sẽ l:
S
f
= (1.75 x10
6
)(67)(10
-3
) = 1.17x10
5
kg/chu kỳ triều (9.22)
ảnh hởng của dòng mật độ đợc tính bằng công thức (9-15). Thể tích nớc trao đổi do
dòng mật độ trong chu kỳ triều với giả thiết G = 8000 mg/chu kỳ triều sẽ l:
tidemxxxxV
d
/1031.1)35.14)(1032.4(65658000
373

= (6.53x10
6
)(0.2x77-10)(10
-3
) = 3.53x10
4
kg/chu kỳ triều (9.25)
Các thnh phần bùn cát khác nhau lắng đọng trong cảng đợc thống kê ở bảng dới
đây. Ta có thể thấy rằng trên 80% lợng bùn cát lắng đọng l do dòng mật độ gây ra.
Bảng 9.3: Các thnh phần bùn cát lắng đọng trong cảng
Thnh phần Số lợng(kg/chu kỳ triều) % so với tổng số
Dòng trn 1.17 x 10
5
19.8
Nớc mặn đi vo 4.38 x 10
5
74.2
Nớc mặn đi ra 3.53 x 10
4
06.0
Tổng do dòng mật độ 4.73 x 10
5
80.2
Tổng cộng 5.90 x 10
5
100.0
Một câu hỏi thờng trực cho việc bảo dỡng thờng xuyên cảng l sau một năm cảng
bị bồi lấp bao nhiêu? vấn đề ny sẽ đợc lm rõ rng nếu dung trọng khô v dung trọng
tự nhiên của bùn cát đợc xác định. Thông thờng, dung trong khô của bùn cát l
2650 kg/m

(1855) (706) = 1.31x10
6
m
3
/year (9.30)
235
http://www.ebook.edu.vn
giả thiết rằng thể tích bùn cát lắng đọng đều trong cảng thì độ dy lớp lắng đọng sẽ l:
(1.31 x 10
6
) / (2000)(400) = 1.64 m (9.31)
Kinh nghiệm cho thấy nếu nạo vét lớp bùn cát có chiều dy nhỏ hơn 2.5 m l không
kinh tế. Trong trờng hợp ny nên nạo vét với chu kỳ 18 tháng
Rõ rng rằng dòng mật độ có vai trò rất quan trọng, nếu bằng cách no đó loại bỏ đợc
vai trò của dòng mật độ thì chu kỳ phải nạo vét có thể tăng lên khoảng 5 lần (xem bảng
9-1) tơng ứng với khoảng thời gian khoảng 7 năm, nh vậy ý nghĩa kinh tế sẽ rất cao.
Các tính toán sơ bộ thờng không cho kết quả đáng tin cậy do dòng chảy tại cửa vo
cảng rất phức tạp. Tính phức tạp thể hiện ở hình trạng thái chảy vòng v chảy xoáy ở
cửa vo. Sự tơng tác giữa dòng chảy vo v dòng chảy vòng ở phía trên mặt v dới
đáy sẽ lm thay đổi lợng bùn cát mang vo trong cảng. Nếu cảng nhỏ, lợng nớc
trao đổi xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn v lợng bùn cát lắng đọng do quá
trình ny cũng kết thúc cùng với quá trình trao đổi, tuy nhiên dòng xoáy vẫn tiếp tục
tác dụng v có sự trao đổi bùn cát từ sông vo cảng. Vai trò của dòng xoáy khá trội đối
với các cảng nhỏ.
Dòng xoáy cũng ảnh hởng đối với những cảng lớn. Tuy nhiên, quá trình ny có xu thế
bị kích thích bởi các thnh phần dòng chảy khác ở cửa cảng nhiều hơn các thnh phần
dòng chảy trong sông. Nh vậy, chúng cung cấp lợng bùn cát nhỏ vo trong cảng.
Hãy tởng tợng rằng vùng cửa sông sẽ có sự cạnh tranh của các loại dòng xoáy, dòng
trn, dòng mật độ v dòng chảy sông ngòi v dòng chảy tổng hợp sẽ rất phức tạp.
Các tu nhỏ với mớn nớc nông thờng chịu ảnh hởng của dòng mặt, trong khi các