Xem mẫu
- CH NG 4. H I D NG H C
4.1 M u
H i d ng h c là m t khoa h c v bi n. Con ng i ã nghiên c u v bi n nhi u th k
nay. Count L.F. Marsigli ã vi t nh ng cu n sách u tiên v bi n xu t b n n m 1725.
M.F. Maury, m t nhà hàng h i ng i M vi t quy n sách h i d ng hi n i vào n m
1855 trong khi ông làm qu n lý t i c quan th y v n h i quân. R t nhi u ghi chép c a
ông là r t có giá tr . T t c nh ng i u ó c gi i thích khá h p d n m c dù ông
không ph i là nhà a v t lý.
Nghiên c u mang tính h th ng u tiên c th c hi n do H.M.S. Challenger. Chi c
tàu i t c ng Portsmouth, n c Anh vào ngày 21 tháng 12 n m và trong qu ng th i
gian 3.5 n m ã i qua h n 100, 000 km và l i 50 t p nh t ký. ây c ng là nh ng
báo cáo u tiên chia h i d ng h c thành 4 l nh v c. ó là V t lý bi n, sinh h c, hóa
h c và a ch t bi n.
Vn gì v H i d ng h c là quan tr ng i v i các k s k thu t b bi n. Câu h i
này s c th o lu n m t cách chi ti t d i ây.
4.1.1 Sinh h c bi n
Sinh h c bi n là môn h c nghiên c u các i s ng trong lòng bi n. Các nhà chuyên
môn v k thu t b bi n không th ng xuyên làm vi c v i i t ng này, nh ng các
c tr ng sinh h c bi n óng m t vai trò quan tr ng m t cách gián ti p. Ch ng h n
nghiên c u nh h ng c a v t ch t chìm l ng d i áy i d ng t i h sinh thái hay
ánh giá tác ng môi tr ng bi n.
4.1.2 Hóa h c bi n
Tính ch t hóa h c c a n c bi n rõ ràng có t m quan tr ng l n n các sinh v t bi n
và các nhà sinh h c, nh ng nó c ng r t quan tr ng i v i các nhà chuyên môn v k
thu t b bi n khi xây d ng các công trình trên bi n. V t li u xây d ng trên bi n s làm
vi c nh th nào trong i u ki n n c r t sâu, có khi t i vài tr m mét, k thu t bê tông
c ng r t khó kh n khi làm vi c trong môi tr ng n c m n, bi t là v n n mòn
và t gãy x y ra i v i kim lo i nh ng sâu l n.
4.1.3 a c h t bi n
Các nhà a ch t tìm ki m khoáng s n áy bi n và các l p t phía d i c ng có m i
quan h , m c dù không tr c ti p v i các k s b bi n. Ch ng h n t các s li u a
ch t, các k s xây d ng vùng ven b có nh ng c s v a ch t công trình có c n
c xây d ng nh ng công trình ven b , trên th m l c a và ngoài kh i.
88 http://www.ebook.edu.vn
- 4.1.4 V t lý bi n
Các nhà v t lý h i d ng c ng nh các nhà chuyên môn v k thu t b bi n, h cùng
có i u lo l ng chung v sóng, th y tri u và các v n ng l c bi n. V n sóng là
iu c quan tâm nh t. Các nhà h i d ng h c luôn xem sóng là m t v n ph c
t p và phi n toái, trong khi các k s b bi n l i xem sóng là m t th thách l n nh t
mà h ph i ph n u v t qua. Khi xây d ng các công trình ngoài kh i, nh ng
sâu l n, h ph i ngh t i các v n v v t lý bi n ch ng h n nh v trí và c ng
c a các dòng bi n.
4.2 H th ng gió
Tr c khi th o lu n m t cách chi ti t v i d ng, chúng ta c n ph i bi t v tr ng
gió hình thành và phát tri n trên b m t trái t. Tr ng c b n nh t là vành ai nóng
xung quanh xích o t o nên các dòng th ng th ng ng. Và bù l p dòng không khí
th ng lên, dòng không khí chuy n ng ngang t hai phía n vùng xích o. D i tác
d ng c a l c Coriolis dòng không khí này không thæi theo ph ng kinh tuy n t b c
xu ng nam (xét bán c u b c) mà h ng c a nó b tr ch i.
Tuy nhiên, ph n l n ph n lãnh th khu v c ng xích o là bi n, trong khi phía b c
và phía nam c a xích o là l c a (Trung qu c, Sahara, Úc v.v...). Vì dòng không khí
i xu ng nh ng khu v c này là dòng không khí khô. i u ó có ngh a là không khí
r t khô vào mùa hè, làm thay i hoàn l u chung. Hi u ng chung là mùa hè bán c u
b c h ng gió là h ng b c, ng c l i mùa ông h ng gió là h ng nam. K t qu là
có m t n a n m là mùa m a và n a n m còn l i là mùa khô.
i v i k thu t b bi n, i u quan tr ng h n là tác d ng c a gió t o sóng. Trong
nh ng vùng ch u nh h ng th ng xuyên c a gió tín phong, thì sóng n có cùng
h ng v i gió, ph thu c vào mùa.
4.2.1 Gió mùa m t c tính tr i tác ng n b bi n Vi t Nam
Khí h u toàn Vi t Nam ch u nh h ng c a ch gió mùa ông b c, trong ó gió
ông b c thæi n t h ng b c mang theo dòng không khí l nh l c a v i m
th p t l c a Trung Hoa vào u mùa ông (t tháng 11 n tháng 1 n m sau), k t
qu là nhi t gi m xu ng, không khí khô trong th i k này. N a sau c a mùa ông
(t tháng 2 n u tháng 4, dòng không khí l nh chuy n ng vào n c qua theo
h ng ông b c i qua bi n, d n t i m a phùn vùng duyên h i B c B . Sóng g n b
sinh ra do gió mùa ông b c có l n lên n 1m. Trong mùa hè (tháng 5 n tháng
10), gió mùa Tây Nam chi m u th trên toàn lãnh thæ Vi t Nam. S k t h p gi a gió
mùa Tây nam v i nhi u ng c a khí quy n ch ng h n nh áp th p nhi t i, bão gây
m a l n và các th m h a t nhiên Vi t Nam
89 http://www.ebook.edu.vn
- 4.2.2 Bão Vi t Nam
Trung bình có kho ng 6 con bão b vào b bi n Vi t Nam hàng n m, ph n l n các
con bão i theo h ng ông Nam - Tây B c. Các con bão này di chuy n trên m t
quãng ng dài trên bi n ông và n b bi n Vi t Nam mang theo m t l ng m a
r t l n và t c gió r t l n kèm theo nó là sóng l n và n c dâng. ó là nguyên nhân
gây v các con ê v n ã y u B c b , các n cát ph i mình tr c bi n và h th ng
m phá mi n Trung. Các t nh mi n b c ph i i phó v i các tr n bão (4 con trong
m t n m t mi n b c n b c t nh Th a Thiên - Hu . Trong khi ng b ng sông Mê
Kông h u nh r t ít ch u nh h ng c a bão. ng i c a bão vào b bi n Vi t Nam
c bi u di n trong hình 4-1a.
Theo các s li u th ng kê dài h n, mùa bão Vi t Nam ch m d n t b c vào nam.
phía b c bão x y ra r t s m t tháng 5 n tháng 8 và ch m d n vào mi n Trung.
mi n Nam t tháng 9 n tháng 12. Bão và áp th p nhi t i khi i vào l c a v i s c
gió r t m nh và l ng m a l n trong m t th i gian dài, là nguyên nhân c a l l t, c
bi t mi n B c và mi n Trung. Bão gây ra n c dâng áng k . Theo s li u th ng kê
c a trên 100 con bão, thì trên 50% s con bão gây ra n c dâng t 1 n 2m, th m chí
l n h n 2m.
4.3 Vài nét v id ng
Nghiên c u các c tính v t lý c a id ng s giúp chúng ta hi u h n các quá trình
ng l c x y ra trong lòng bi n.
Hình 4.1: Phân b sâu c a id ng
sâu trung bình kho ng 3800m và tæng l ng n c bi n kho ng 1370 x 1015 m3.
sâu trung bình 94 m và tæng l ng n c kho ng 0.054 x 1015 m3. Bi n
Bi n B c có
có sâu < 200 m chi m kho ng 7.6% tæng di n tích m t bi n c g i là th m l c
a. Các k s k thu t b bi n g n ây ã kh o sát vùng th m l c a hi u ít nhi u
v i d ng. Vùng th m r ng nh t lên t i 1200 km. Th m l c a r ng nh t là bi n
b c c c, phía b c c a Siberia và h p nh t d c theo phía tây n c M (b ông c a
Thái Bình D ng).
90 http://www.ebook.edu.vn
- Hình 4.1a: ng i trung bình c a bão d c theo b bi n Vi t nam
V VI VII VIII
IX X XI XII
91 http://www.ebook.edu.vn
- Các i d ng c phân chia thành m t chu i các bi n nh c n i v i nhau mà các
ho t ng v t lý i d ng thú v x y ra. Các bi n nh này sâu t 3 - 5 km, nh ng có
nh ng vùng sâu h n và nh ng vùng nông h n.
Ph n l n các ho t ng áng quan tâm di n ra trong lòng bi n sâu l n nh t n
2km. nh ng l p n c sâu h n, bi n có n ng mu i g n nh không i (35o/oo) và
0 0
nhi t (3 - 4 C). ng th i nh ng sâu ó, dòng ch y r t y u, có v n t c x p x
b ng không.
4.4 Dòng ch y do gió
ng l c chính hình thành dòng bi n là ho t ng c a các h th ng gió trên m t i
d ng. Gió tín phong và hoàn l u h ng tây là k t qu hình thành dòng bi n ch y v
h ng tây v th p và ch y v h ng ông v cao. i u này t nó ã ch ng
minh r ng b c Atlantic hình thành các dòng bi n sau ây:
Hình 4.2: Dòng bi n (theo Pirie et al, 1973)
Dòng bi n phía b c xích o ch y v h ng tây t m i o Verde n bi n Caribbean.
i m i vào bi n này và i m qu t h ng tây b c phía b c c a bi n Caribbean và
n i v i dòng Florida. Dòng ch y ra kh i v nh Caribbean gi a Florida và Cuba. Dòng
Florida (th ng c g i là dòng v nh) ti p t c ch y lên phía b c d c theo b c M
0N
nv 45 , n i nó qu t v h ng ông và kéo dài ra hình thành dòng b c bi n
Atlantic. M t nhánh c a dòng này qu t xu ng phía nam d c theo b bi n B ào Nha
hình thành dòng Canary k t thúc vòng tu n hoàn.
M t dòng t ng t có th th y phía nam bi n Atlantic và các dòng bi n khác. Nh ng
dòng ông tây ch y u này nh ng v có nh ng h th ng gió chi m u th . Các
dòng b c nam ch c ch n v n ti p t c và b o toàn v t ch t.
92 http://www.ebook.edu.vn
- 4.5 ng l c c a dòng bi n
Cân b ng tr ng l c và l c ma sát d n n ph ng trình Chezy n i ti ng c s d ng
mô ph ng dòng ch y sông ngòi, nh ng l i không th ng d ng cho các vùng n c
d i sâu c a i d ng. Vì các i d ng r t sâu và v n t c l i r t nh (
- 6.4 x 10 -5
x 80 x 10 3 = 52. x 10 - 2 m (4.4)
z=
9.81
Giá tr này x p x giá tr nh n c t s li u o c là 45 cm.
Dòng bi n c nghiên c u và trình bày trên g i là dòng h i l u. M t v n khác,
tuy kém quan tr ng h n khi nghiên c u h i d ng, khi dòng ch y i h ng và l c
h ng ngang b ng 0. Trong tr ng h p này, l c Coriolis cân b ng v i l c h ng tâm.
2
V
(4.5)
=2 V sin
r
V
(4.6)
= 2 sin
r
Trong ó r là bán kính cong.
Dòng ch y lo i này gây nh h ng ít h n so v i các nhi u lo n khác trong o c h i
v n. Tuy nhiên, nó l i gây ra m i phi n toái cho các ho t ng khác. Ch ng h n nó
gây ra nhi u lo n r t l n trong các mô hình th y l c có nh y cao trong các phòng
thí nghi m mà M ã th c hi n m t s n m tr c ây. M t bình n c æ y và t
vào v trí hoàn toàn t nh l ng, sau m t êm các nhà nghiên c u v n o c dòng ch y
0
có v n t c 0.2 m/s vì thí nghi m c th c hi n t i v 45 N.
Các dòng h i l u không ph thu c vào sâu, ngh a là nó là h ng s trên toàn b
chi u sâu do s c c n b ng 0. i u này mâu thu n v i các tài li u quan tr c tr c ây
các sâu trên 1 km. Th c t , không h t n t i mâu thu n vì chúng ta không nghiên
c u n tác ng c a dòng h i l u, c a gió lên b m t các i d ng.
Các tr m tích do gió Eckman
Nansen (1902) ã a ra các s li u quan tr c v các tr m tích bi n b ng tìm th y
bi n B c c c. Ông th y r ng b ng tích t không n m trên h ng gió mà t o v i h ng
gió m t góc t 200 n 400. Ông gi i thích i u này nh k t qu c a l c Coriolis và
h n n a suy oán r ng dòng ch y nh ng l p n c d i sâu h n, c t o ra do l c
c t các l p phía trên và có xu th l ch ph i.
Eckman ã kh o sát i u này b ng mô hình toán trên c s ngh c a Nansen. K t
qu nghiên c u c a ông xu t b n vào n m 1902, nh ng không trình bày trong ph n
này.
Gi thi t c t i d ng thành các l p n m ngang không ma sát, m t l p b y lên phía
b c, m t l p b y xu ng phía nam t xích o thì k t qu là s có chuy n ng xo n
do l c Coriolis. Nh ng th c t ma sát nh h ng lên các kh i n c. M i kh i c
xem là t p h p c a nhi u l p, c xét xu ng sâu 50m. Gió s y l p trên và k t
qu là nó b ch ch h ng sang bên ph i do l c Coriolis. L p d i nó ti p t c l ch
94 http://www.ebook.edu.vn
- thêm m t chút n a. Quá trình ó ti p t c n l p áy và h ng dòng ch y d ng nh
ng c h n h ng gió, nh ng v i l c ít h n r t nhi u.
K t qu là chuy n ng trung bình s n m bên ph i c a h ng gió. Chuy n ng này
c bi t nh là k t qu c a gió Eckman. phía b c Atlantic, gió tây các v
trung bình và h ng ông v th p y kh i n c sang phía ph i c a nó hình thành
các tr m tích Eckman. Dòng ch y s h i t Sargasso Seam y i d ng có b c
nh y hàng tr m km và t ng lên hàng mét.
Vì tr ng l ng b n thân, kh i này s b ép xu ng và m r ng ra nh là m t cái g i b
bè ra khi có ng i ng i trên ó. M c dù các l c k t h p v i nhau r t ph c t p, nh ng
kh i n c b ép b d ch chuy n v phía xích o. Vì v y, ây ph i là dòng ch y vòng
lên phía b c thay th l ng n c chuy n ng xu ng phía nam. S chuy n h ng c a
dòng ch y lên phía b c có th m r ng và ch m ch p vì nó là kh i n c thay th nh
ã c xem xét. Trong th c t , dòng ch y vòng b gi l i gi a b bi n B c M và
Sargasso Sea. Vì chi u r ng c a dòng ch y không l n, nên t i h t l ng n c, l u
t c dòng ch y ph i l n. ó là tr ng h p dòng n c m ch y t v nh Mexico qua i
tây d ng n châu âu. Dòng ch y b l ch ph i khá nhi u do l c Coriolis và c t ng
c ng v i d ng dòng ch y vòng theo theo chi u kim ng h . Tæng l ng dòng ch y
x p x 5 l n tæng l ng n c c a t t c các con sông trên th gi i.
4.6 Tính ch t c a n c bi n
Tính ch t quan tr ng nh t c a n c bi n mà các nhà chuyên môn k thu t b bi n
quan tâm là m t n c. m t c a nó là hàm s c a mu i, nhi t và áp su t,
trong ó nh h ng c a áp su t là ít nh t mà ta có th b qua tr khi các nghiên c u
r t sâu (>500m).
Trái v i n c ng t, ph n l n n c bi n u t ng m t khi b l nh cho n nhi t
ông l nh. Ph n l n n c bi n có mu i thay i t 34 ‰ and 36 ‰. M t s bi n
nh cô l p c ng có s thay i m t và mu i r t l n. Ch ng h n bi n Baltic, th nh
tho ng mu i xu ng t i 7 ‰, trong khi bi n (châu Phi) lên n 41‰. Tuy nhiên,
s ph thu c c a m t vào mu i và nhi t r t ph c t p.
n c bi n l n h n 1000 kg /m3, các nhà h i d ng h c th ng s d ng i
Vì m t
l ng hi u s c a n c bi n v i 1000 và ký hi u là sigma. N u có xét t i áp su t khí
quy n thì s d ng thêm ch s t trong bi u th c.
= - 1000 (4.7)
t
Trong ó: là n ng n c bi n áp su t khí quy n.
t là hàm s c a mu i và nhi t và c th hi n trong b ng 4-1.
K t qu tính toán b ng ng v i áp su t khí quy n 1.033 bars = 1 atmosphere.
95 http://www.ebook.edu.vn
- B ng 4.1: Giá tr là hàm s c a m n và nhi t
t
96 http://www.ebook.edu.vn
- Vì các ph ng trình và các b ng tính toán t ng i c ng k nh V, nên m t quan h
n gi n h n th nh tho ng c s d ng
= 0.75 S (4.8)
t
Ph ng trình này b qua nh h ng c a nhi t và áp su t và vì v y chính xác
không cao, ít c s d ng. Trong th c hành, các k s th ng s d ng ph ng trình
này cho các bài toán mà s khác nhau v m t khi xét và không xét n nh h ng
c a nhi t là không l n.
V i các thông tin v n ng , chúng ta tr l i xem xét vi c mô t i d ng. Thông
th ng, mu i và nhi t gi m v i s t ng lên c a sâu. B c h i x y ra l p trên
m t làm cho mu i ây cao h n. Nh ng c ch trao i mu i theo sâu ra sao?
S khác nhau v nhi t ln duy trì phân b m t m b o cho nó t ng theo
sâu.
S thay i m t do s khác nhau v mu i và nhi t c s d ng tìm dòng
n c mu i nh ví d d i ây.
tm t ng ng có chi u dài 1 km b t u t cao trình m t bi n xu ng sâu. Ti p
theo s d ng b m l y n c t t ng sâu. Chúng ta làm vi c này m t cách t t nc
b m lên trong ng có th m lên do môi tr ng bi n xung quanh. Sau khi n c lên
n m t t, chúng ta t t b m và th y r ng n c v n ti p t c ch y ra. T i sao i u này
x y ra? nó không ph i là d ng chuy n ng v nh c u và quá trình này s k t thúc khi
phía trên l p 1 km c a i d ng b tr n l n hoàn toàn.
4.7 Dòng m t
Gradient m t n m ngang có th d n n s không cân b ng c a áp su t và s sinh
ra dòng ch y. C ch c a lo i dòng ch y nh v y c ng gi ng nh dòng ch y xu t hi n
các c ng sông ti p giáp v i bi n (c ng c a sông). Bi u th c toán h c mô ph ng hi n
t ng này s trình bày trong các ph n sau, ây ch xin a ra m t ví d x y ra các
i d ng.
Bi n a Trung H i m n h n các bi n khác vì v y n ng c ng cao h n bi n
Atlantic. M t dòng ch y th ng xuyên v i v n t c 0.5m/s ch y ra kh i v nh Gibraltar
d i sâu. Trên m t, dòng ch y vào v nh th m chí có v n t c l n h n. S khác nhau
v mt duy trì dòng ch y ki u này do hi n t ng b c h i làm cho m t l p trên
khác v i các l p d i.
97 http://www.ebook.edu.vn
nguon tai.lieu . vn
