Động lực học cát biển - Chương 3: dòng chảy

Dòng chảy trong biển có thể được tạo ra bởi chuyển động thuỷ triều, ứng suất gió, gradien áp suất khí quyển, lực do sóng, dòng chảy sông, độ dốc mặt nước tựa ổn định trên quy mô lớn, và gradien mật độ hướng ngang liên quan đến hoàn lưu đại dương.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Động lực học cát biển - Chương 3: dòng chảy Ch¬ng 3. Dßng ch¶y3.1. Tæng quan Dßng ch¶y trong biÓn cã thÓ ®îc t¹o ra bëi chuyÓn ®éng thuû triÒu, øng suÊtgiã, gradien ¸p suÊt khÝ quyÓn, lùc do sãng, dßng ch¶y s«ng, ®é dèc mÆt níc tùa æn®Þnh trªn quy m« lín, vµ gradien mËt ®é híng ngang liªn quan ®Õn hoµn lu ®¹id¬ng. Trong vïng gÇn bê, dßng ch¶y sãng (däc bê) thêng chiÕm u thÕ, trong khingoµi kh¬i tæng hîp c¸c lùc thuû triÒu vµ khÝ tîng (kÓ c¶ níc d©ng do b·o) lµ uthÕ. Dßng ch¶y khuÊy trÇm tÝch lªn vµ vËn chuyÓn chóng, do ®ã vËn chuyÓn trÇmtÝch chñ yÕu theo híng dßng ch¶y. Tuy vËy, do møc ®é vËn chuyÓn trÇm tÝch phôthuéc phi tuyÕn vµo vËn tèc dßng ch¶y, vµ còng do hiÖu øng khuÊy cña sãng lµ quanträng, híng vËn chuyÓn trÇm tÝch dµi h¹n thùc tÕ cã thÓ rÊt kh¸c víi híng dßngch¶y d.3.2. Ph©n bè vËn tèc dßng ch¶y KiÕn thøc Mét dßng ch¶y ch¶y trªn ®¸y biÓn bÞ ma s¸t víi ®¸y biÓn, h×nh thµnh líp biªn rèi®iÓn h×nh cã ®é dµy vµi mÐt hoÆc vµi chôc mÐt. Trong níc n«ng líp biªn cã thÓchiÕm toµn bé ®é s©u, trong khi trong níc s©u nã chiÕm phÇn díi cïng cña cétníc vµ n»m díi líp níc t¬ng ®èi Ýt bÞ ¶nh hëng bëi ma s¸t. Trong líp biªn, vËntèc dßng ch¶y t¨ng theo ®é cao tõ kh«ng t¹i ®¸y cho ®Õn cùc ®¹i t¹i mÆt níc hoÆcgÇn mÆt níc, víi sù t¨ng nhanh theo ®é cao ë gÇn ®¸y. H×nh thøc trong ®ã dßngch¶y t¨ng theo ®é s©u gäi lµ ph©n bè vËn tèc. Sè ®o thêng sö dông nhÊt cña vËn tèc dßng ch¶y t¹i mét thêi ®iÓm vµ vÞ trÝriªng biÖt lµ vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©u U . VËn tèc nµy liªn hÖ víi ph©n bèvËn tèc U (z) th«ng qua ®Þnh nghÜa: h 1 (21) U   U ( z )dz h0 U = vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh ®é s©utrong ®ã h = ®é s©u níc U(z) = vËn tèc dßng ch¶y t¹i ®é cao z z = ®é cao trªn ®¸y biÓn. CËn díi cña tÝch ph©n thay ®æi tõ 0 ®Õn z0 nÕu ph©n bè vËn tèc tiÕn tíi 0 t¹i ®écao z = z0 (tøc lµ víi ph©n bè vËn tèc logarit, xem môc sau). 53 Trong kho¶ng vµi mÐt trªn ®¸y vËn tèc dßng ch¶y U biÕn ®æi theo ®é cao z trªn®¸y øng víi ph©n bè vËn tèc logarit: z  u* U z   ln   SC (22)   z0   trong ®ã u* = vËn tèc ma s¸t z0 = ®é dµi nh¸m ®¸y  = 0,4 h»ng sè Karman. VËn tèc ma s¸t liªn quan ®Õn øng suÊt trît t¹i ®¸y th«ng qua quan hÖ 0 = u*2(xem môc 1.4). CÊp ®é cao mµ ph¬ng tr×nh (22) tho¶ m·n lµ tõ vµi cm trªn ®¸y ®Õn 20-30% ®és©u ®¸y trong níc n«ng (vÝ dô z = 2-3m), hoÆc 20-30% ®é dµy líp biªn trong nícs©u (vÝ dô z = 20-30m). Trong c¸c n¨m gÇn ®©y cã sù tranh luËn vÒ gi¸ trÞ h»ng sè Karman sö dôngtrong biÓn, vµ cã cÇn thay ®æi gi¸ trÞ nµy kh«ng khi trÇm tÝch ë d¹ng l¬ löng. Tuynhiªn suy nghÜ hiÖn nay lµ nªn sö dông gi¸ trÞ phæ biÕn kho¶ng 0,4, vµ hiÖu øng cñatrÇm tÝch lªn ph©n bè dßng ch¶y ph¶i ®îc xö lý t¸ch biÖt. Ph¬ng tr×nh (22) ¸p dông cho dßng ch¶y æn ®Þnh kh«ng cã ph©n tÇng mËt ®étrªn mét ®¸y ph¼ng (nhng cã thÓ cã gîn c¸t), c¸ch xa c¸c c«ng tr×nh, vµ n»m ngoµivïng sãng ®æ. Dßng ch¶y thuû triÒu víi xÊp xØ chÊp nhËn ®îc cã thÓ coi nh tùa æn®Þnh trong líp s¸t ®¸y 2-3m, trõ khi trong kho¶ng 1giê tríc vµ sau níc lÆng,thêng kh«ng quan träng ®èi víi c¸c môc ®Ých vËn chuyÓn trÇm tÝch. Tham kh¶o c¸cph¬ng ph¸p nµy ®îc ®Ò cËp trong c¸c t×nh huèng phøc t¹p h¬n ë c¸c trang sau. §é dµi nh¸m t¹i ®¸y z0 do dßng ch¶y phô thuéc vµo ®é nhít cña níc, vËn tècdßng ch¶y vµ kÝch thíc ®é nh¸m vËt lý cña ®¸y. Mét lo¹t c¸c thÝ nghiÖm kinh ®iÓncña Nikuradse (1933) vÒ sù phô thuéc cña z0 vµo c¸c ®Æc tÝnh nµy vÉn cßn lµ c¬ sëcña dù b¸o z0 trong dßng ch¶y tù nhiªn vµ nh©n t¹o. Sù phï hîp tèt víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm cña Nikuradse ®îc Christoffersen vµJonsson (1985) biÓu thÞ b»ng biÓu thøc : ks    u* k s   (23a) z0  1  exp 27     9u* 30  trong ®ã  lµ ®é nhít ®éng häc cña níc (xem môc 2.1). Ph¬ng tr×nh (23a) hîp lÖ chotÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ cña sè Reinolds h¹t u* k s / . Mét phiªn b¶n ®¬n gi¶n h¬n nhng kÐm chÝnh x¸c h¬n cña ph¬ng tr×nh (23a)®îc Colebrook vµ White (1937) sö dông cho thuËn lîi vÒ to¸n häc: ks  z0   . (23b) 30 9u * §èi víi dßng ch¶y nh¸m vÒ thuû ®éng lùc, ph¬ng tr×nh (23a) ®¬n gi¶n thµnh: 54 ks z0  . (23c) 30 §èi víi dßng ch¶y tr¬n vÒ thuû ®éng lùc, ph¬ng tr×nh (23a) ®¬n gi¶n thµnh:  z0  . (23d) 9u* §èi víi dßng ch¶y qu¸ ®é, ph¶i sö dông ph¬ng tr×nh (23a) ®Çy ®ñ. Nãi chung, bïn vµ c¸t mÞn ph¼ng lµ qu¸ ®é hoÆc tr¬n vÒ thuû ®éng lùc, cßn c¸tth« vµ cuéi sái lµ nh¸m vÒ thuû ®éng lùc. §©y lµ thùc tÕ chung ®Ó xö lý mäi dßngch¶y trªn c¸t nh nh¸m vÒ thuû ®éng lùc, v× ®iÒu nµy ®¬n gi¶n vÒ to¸n häc. Sù xÊp xØ®¬n gi¶n t¹o nªn sai sè kh«ng qu¸ 10% trong tÝnh to¸n u*, cho mäi u* trªn ...