Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ

trường đại học khoa học tự nhiên ROY LEWIS quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo 2 hà nội 2004 3 5 Lời người dịch Khu vực cửa sông ven bờ là nơi tập trung dân cư đông đảo và các hoạt động kinh tế sôi động, có thể kể đến vô số những thành phố lớn, những cảng lớn, những trung tâm văn hoá và thương mại lớn như New York, Amsterdam, Singapore, Saint Peterburg, Marseile...đều nằm trên vùng cửa sông ven bờ. Cửa sông và vùng ven bờ là những khu vực có chế độ thuỷ thạch động lực, nhiệt muối, hoá sinh rất phức tạp vì những khu vực này chịu tác động của cả sông và biển. Do vậy việc nắm bắt các yếu tố thiên nhiên và môi trường nơi đây là việc làm không thể thiếu, thu hút sự đầu tư của các nhà quản lý, hoạch định chính sách và sự quan tâm của các nhà khoa học. Để nghiên cứu vùng cửa sông và ven bờ trước hết cần có những hiểu biết nhất định về Hải dương học và Thuỷ văn học. Ngoài ra cần vận dụng khá nhiều kiến thức về Toán học, Cơ học chất lỏng và Thuỷ lực học và Thuỷ động lực học để bổ sung. Mặc dù tại các nước tiên tiến, việc nghiên cứu vùng này rất được chú trọng nhưng do những đặc thù phức tạp của nó, các kết luận khoa học thường được phát biểu một cách dè dặt. Do những nhu cầu phát triển kinh tế và quốc phòng của nước ta, việc nghiên cứu cửa sông ven bờ càng dần được chú trọng. Quyển sách ‘Quá trình phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ’ của Roy Lewis là một quyển sách trình bày những kiến thức cơ bản về thuỷ động lực và lan truyền chất, có những khảo sát chuyên sâu về một số khía cạnh nào đó, có những minh hoạ bằng thực nghiệm trong phòng cùng những số liệu đo đạc ngoài hiện trường. Đặc biệt cuốn sách phân tích khá sâu sắc các quan điểm khoa học khác nhau về quá trình khếch tán vật chất, cùng những gợi ý nghiên cứu triển khai trong tương lai cho người đọc Các học sinh năm cuối chuyên ngành hải dương, thuỷ văn, môi trường hoặc các lĩnh vực liên quan có thể coi đây là một tài liệu học tập tốt. Cuốn sách cũng bổ ích đối với các nghiên cứu sinh. Trong quá trình dịch, người dịch cố gắng bám sát nội dung một cách triệt để. Tuy vậy, do cách hành văn có dụng ý của tác giả, một số thuật ngữ chuyên môn chưa thông dụng và kiến thức còn hạn chế nên việc dịch không phải dễ dàng và chắc chắn không tránh khỏi sai sót, những chỗ chưa có thuật ngữ tiếng Việt chính xác người đọc có thể vận dụng theo ngôn từ mà một số ngành liên quan đã sử dụng, hoặc suy luận theo ngữ cảnh. Người dịch cám ơn Khoa KT- TV- HDH, Trường Đại học KHTN đã tạo điều kiện thực hiện công việc, cám ơn PGS TS Đinh Văn Ưu đã hiệu đính, cám ơn các đồng nghiệp đã có những góp ý kể cả phê phán và xây dựng. Người dịch Nguyễn Thọ Sáo 6 Mục lục Lời người dịch ............................................................................................................................ 5 Mục lục ...................................................................................................................................... 6 Lời nói đầu............................................................................................................................... 12 Lời cảm ơn ............................................................................................................................... 15 Chú giải.................................................................................................................................... 16 chương 1. Giới thiệu................................................................................................................. 20 1.1 Những trạng thái phát tán tiêu biểu .................................................................................. 20 1.2 Tính tương tự giữa khuyếch tán phân tử và khuyếch tán rối .............................................. 21 1.2.1 Khuyếch tán rối......................................................................................................... 21 1.2.2 Độ nhớt rối................................................................................................................ 23 1.2.3 Những điều kiện để chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối............................... 25 1.2.4 Hiệu ứng của quá độ đối với phân bố vận tốc ............................................................ 28 1.3 Đánh giá hiệu ứng của phát tán lên sự pha loãng.............................................................. 30 Phát tán trượt ..................................................................................................................... 30 ứ ng dụng cho sự pha loãng trong sông............................................................................... 31 ứ ng dụng cho sự pha loãng trong môi trường biển.............................................................. 35 1.4 Cấu trúc của quyển sách .................................................................................................. 36 chương 2. Động lực học chất lỏng - Dòng chảy đồng nhất...................................................... 38 2.1 Giới thiệu ......................................................................................................................... 38 2.2 Dòng chảy ổn định ........................................................................................................... 39 2.2.1 Dòng đều................................................................................................................... 39 2.2.2 Phương trình Bernoulli............................................................................................... 40 2.2.3 Năng lượng đặc trưng của dòng chảy ........................................................................ 43 2.2.4 Nước nhảy thủy lực................................................................................................... 45 2.2.5 Dòng chảy biến đổi dần dần...................................................................................... 48 7 2.2.6 Phương trình của dòng chảy biến đổi dần dần ............................................................ 50 2.3 Các hiệu ứng lớp biên...................................................................................................... 53 2.3.1 Trạng thái của những lớp biên.................................................................................... 53 2.3.2 áp suất động lực ...................................................................................................... 54 2.3.3 Hệ số cản .................................................................................................................. 56 2.3.4 Phân bố lôgarít của vận tốc........................................................................................ 57 2.3.5 Gradient áp suất thuận và nghịch ............................................................................... 59 2.3.6 Vết xoáy................................................................................................................... 62 2.3.7 Các hoàn lưu thứ cấp ................................................................................................ 64 2.4 Dòng chảy biến đổi theo thời gian ................................................................................... 65 2.4.1 Thay đổi độ sâu và dòng chảy theo thủy triều............................................................. 65 2.4.2 Những phương trình chuyển động tổng quát.............................................................. 66 2.4.3 Sóng tiến .................................................................................................................. 66 2.4.4 Cân bằng năng lượng sóng........................................................................................ 68 2.4.5 Biến dạng sóng......................................................................................................... 69 2.4.6 Dòng dư ................................................................................................................... 71 2.4.7 Năng lượng rối phát sinh từ đáy ................................................................................ 74 2.4.8 Tiêu tán năng lượng thủy triều .................................................................................. 74 2.4.9 ứng suất trượt biến đổi theo thời gian....................................................................... 77 2.5 Tóm tắt ............................................................................................................................ 80 Vận tốc tuyệt đối................................................................................................................ 80 Trượt vận tốc...................................................................................................................... 80 Xáo trộn do rối................................................................................................................... 80 Chương 3. Động lực học chất lỏng - Dòng chảy phân tầng..................................................... 82 3.1 Giới thiệu ......................................................................................................................... 82 3.2 Các nguyên nhân ổn định ................................................................................................. 83 3.2.1 ổn định do sự đốt nóng mặt nước .............................................................................. 83 3.2.2 Sự phát triển tính ổn định trong dòng chảy hai lớp...................................................... 85 3.2.3 Sự ổn định trong một dòng chảy liên tục phân tầng .................................................... 86 3.2.4 Công thức đối với hoàn lưu thẳng đứng ổn định.......................................................... 89 3.3 Những nguyên nhân bất ổn định....................................................................................... 92 3.3.1 Sóng nội ................................................................................................................... 92 3.3.2 Dòng chảy hai lớp ..................................................................................................... 95 3.3.3 Nước nhảy thuỷ lực nội............................................................................................. 97 3.3.4 Rối sóng cuộn .......................................................................................................... 99 3.3.5 Sóng Holmboe........................................................................................................ 100 3.4 Phát sinh và tiêu tán cục bộ năng lượng rối ................................................................... 100 3.4.1 Khái niệm về phát sinh và tiêu tán cục bộ ................................................................ 100 3.4.2 Mức độ phát sinh năng lượng rối............................................................................. 101 8 3.4.3 Thay đổi phân tầng do xáo trộn................................................................................ 102 3.4.4 Tiêu chuẩn duy trì của rối........................................................................................ 103 3.5 Giới hạn đối với phát sinh năng lượng rối ....................................................................... 105 3.5.1 Tắt dần do phân tầng ............................................................................................... 105 3.5.2 Lý thuyết trượt không đổi ...................................................................................... 107 3.5.3 Lý thuyết trượt biến đổi ......................................................................................... 110 3.6 Năng lượng rối phát sinh từ xa ...................................................................................... 112 3.6.1 Số Richardson tổng hợp........................................................................................... 112 3.6.2 Điều kiện đối với sự bất ổn định mặt phân cách....................................................... 113 3.6.3 Điều kiện đối với xáo trộn trong dòng chảy phân tầng.............................................. 114 3.6.4 Những đóng góp tương đối của đáy và mặt phân cách ............................................. 116 3.7 Tóm tắt .......................................................................................................................... 118 Chương 4. Khuyếch tán rối ................................................................................................... 120 4.1 Trạng thái chuyển động rối ............................................................................................ 120 4.2 Các thuộc tính trung bình của trường rối........................................................................ 121 4.2.1 Phân tách rối và những điều kiện trung bình............................................................. 121 4.2.2 Khái niệm quãng đường xáo trộn ............................................................................ 122 4.2.3 Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát ........................................................... 123 4.3 Các thuộc tính thống kê của trường rối........................................................................... 125 4.3.1 Những cách tiếp cận Euler và Lagrange ................................................................... 125 4.3.2 Khuyếch tán từ một nguồn liên tục ......................................................................... 126 4.3.3 Khuyếch tán đốm loang rời rạc ................................................................................ 129 4.3.4 Lý thuyết cân bằng vạn năng ................................................................................... 132 4.3.5 Sự tách ra của hạt trong rối đồng nhất ...................................................................... 134 4.3.6 Phổ năng lượng........................................................................................................ 136 4.4 Tóm tắt .......................................................................................................................... 138 Chương 5. Quá trình phát tán trượt...................................................................................... 139 5.1 Khái niệm cơ bản ........................................................................................................... 139 5.2 Phát tán trạng thái ổn định............................................................................................ 144 5.2.1 Trượt thẳng đứng dọc theo dòng chảy trung bình...................................................... 144 5.2.2 Trượt thẳng đứng vuông góc với dòng chảy trung bình............................................. 151 5.2.3 Trượt theo hướng vuông góc với dòng chảy trung bình............................................. 153 5.3 Dòng chảy trượt không ổn định....................................................................................... 154 5.3.1 Phát tán trong dòng chảy nhiễu động ....................................................................... 154 5.3.2 Xáo trộn thẳng đứng chậm...................................................................................... 156 5.3.3 Xáo trộn thẳng đứng nhanh...................................................................................... 157 9 5.3.4 Hiệu ứng của thay đổi vận tốc xáo trộn .................................................................... 158 5.4 Những ví dụ phân bố vận tốc tiêu biểu............................................................................ 159 5.4.1 ứng dụng của lý thuyết phát tán trượt...................................................................... 159 5.4.2 ứng dụng đối với phân bố vận tốc tuyến tính........................................................... 159 5.4.3 Phân bố theo quy luật số mũ.................................................................................... 161 5.4.4 ứng dụng đối với những phân bố trong môi trường biển .......................................... 162 5.5 Tóm tắt .......................................................................................................................... 164 Chương 6. Mô hình hóa quá trình phát tán .......................................................................... 166 6.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 166 6.2 Pha loãng và cuốn theo bằng tia.................................................................................... 167 6.3 Phát tán đốm loang........................................................................................................ 169 6.3.1 Phương pháp thể hiện Gauss .................................................................................... 169 6.3.2 Nguồn có chiều rộng hữu hạn .................................................................................. 171 6.4 Phát tán những vệt loang................................................................................................ 172 6.4.1 Vệt loang Gauss ...................................................................................................... 172 6.4.2 Cho phép đối với giới hạn biên................................................................................. 173 6.4.3 Nguồn có chiều rộng hữu hạn .................................................................................. 176 6.5 Những mô hình ngẫu hành ............................................................................................. 176 6.6 Những mô hình cửa sông một chiều ................................................................................ 180 6.6.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 180 6.6.2 Mô hình lăng trụ thủy triều...................................................................................... 182 6.6.3 Mô hình so sánh độ mặn.......................................................................................... 186 6.6.4 Những mô hình trạng thái ổn định........................................................................... 188 6.6.5 Những mô hình biến đổi theo thời gian .................................................................... 193 6.7 Những mô hình cửa sông hai chiều -trung bình hướng ngang .......................................... 194 6.7.1 Thiết lập mô hình .................................................................................................... 194 6.7.2 Các phương trình cơ bản ......................................................................................... 195 6.7.3 Phương pháp giải..................................................................................................... 196 6.8 Những mô hình cửa sông hai chiều - trung bình độ sâu.................................................. 198 6.9 Những mô hình ba chiều ................................................................................................ 199 6.10 Tóm tắt ........................................................................................................................ 200 Chương 7. Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc................................................... 202 7.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 202 7.2 Những chất chỉ thị được giới thiệu.................................................................................. 203 7.2.1 Kỹ thuật thực nghiệm .............................................................................................. 203 10 7.2.2 Các ví dụ ứng dụng.................................................................................................. 208 7.3 Nh