Luận án: Xác định đáy chạy tàu hợp lý trên bùn loãng ở luồng hàng hải Việt Nam

Nautical bottom là độ sâu quy ước mà tại đó đáy tàu vẫn vận hành an toàn mà không bị hư hại. Khái niệm này được Hiệp hội Quốc tế về Hạ tầng Giao thông Đường thủy (PIANC) chuẩn hóa và áp dụng rộng rãi. Đáy chạy tàu phân định ranh giới giữa nước lợ và tầng bùn đặc chắc. Phía trên nautical bottom là tầng fluid mud có độ nhớt thấp và tỷ trọng nhỏ. Lớp fluid mud hình thành từ hỗn hợp nước và các hạt trầm tích sét mịn lơ lửng. Tỷ trọng của lớp bùn này thường biến thiên trong khoảng từ 1.05 đến 1.20 g/cm3. Tàu thuyền hoàn toàn có thể di chuyển an toàn qua lớp bùn này mà không bị suy giảm khả năng bẻ lái nghiêm trọng. Khi sống tàu đi vào tầng fluid mud, lực cản vỏ tàu có tăng nhẹ. Tuy nhiên, tàu không bị mắc cạn hay hư hỏng hệ thống chân vịt bánh lái. Việc định vị chuẩn xác ranh giới nautical bottom giúp khai thác tối đa độ sâu luồng tự nhiên.

Hệ thống luồng hàng hải Việt Nam phần lớn nằm tại các cửa sông chịu tác động mạnh của chế độ thủy triều và dòng chảy bùn cát. Luồng Nam Triệu tại Hải Phòng thường xuyên bồi lắng tầng bùn mịn dày sau mỗi mùa lũ lớn. Tuyến luồng Soài Rạp tại khu vực phía Nam ghi nhận các lớp bùn loãng luồng hàng hải dày từ 1 đến 2 mét. Luồng tàu vào trung tâm nhiệt điện Duyên Hải và luồng Sông Hậu cũng chịu hiện tượng sa bồi tương tự. Bùn loãng gây cản trở lớn cho công tác đo đạc độ sâu luồng chuẩn xác. Phương pháp đo sâu truyền thống thường nhầm lẫn mặt trên lớp bùn lỏng là đáy luồng cứng. Cách đánh giá này làm giảm đáng kể mớn nước khả dụng của các tàu biển lớn. Hoạt động nạo vét bùn loãng tiêu tốn nhiều kinh phí nhưng thời gian duy trì độ sâu rất ngắn. Bùn lỏng nhanh chóng chảy ngược trở lại lòng rãnh nạo vét sau mỗi đợt nạo vét duy tu.

Nhiều thử nghiệm mô hình và quan trắc thực tế khẳng định tàu có thể hành thủy xuyên qua lớp bùn loãng. Khi sống tàu tiếp xúc với tầng fluid mud, hiện tượng sóng nội xuất hiện ở mặt phân cách giữa nước và bùn. Hiện tượng thủy động lực này làm thay đổi nhẹ lực cản tiến và hiệu suất quay trở của bánh lái. Tàu vẫn giữ được hướng đi ổn định nếu tỷ trọng và độ nhớt bùn nằm trong ngưỡng an toàn cho phép. Kinh nghiệm hàng hải quốc tế áp dụng ngưỡng tỷ trọng bùn loãng giới hạn từ 1.15 đến 1.20 g/cm3. Dưới ngưỡng giới hạn này, tàu biển vận hành bình thường mà không phát sinh nguy cơ mất an toàn thân tàu. Thủy thủ đoàn chỉ cần điều chỉnh công suất máy tàu phù hợp để bù đắp lực cản tăng thêm. Việc cho phép tàu đi xuyên lớp bùn loãng giúp giải phóng đáng kể năng lực thông qua của các cụm cảng biển nước sâu.

Trầm tích bùn mịn vùng cửa sông vận động theo các quy luật thủy động lực học phức tạp. Quá trình keo tụ hạt sét tạo ra các bông bùn xốp có tốc độ lắng thay đổi theo độ mặn của nước. Dòng chảy triều và tác động của sóng liên tục xáo trộn, tái phân bố các khối fluid mud dọc theo rãnh luồng tàu. Khi vận tốc dòng chảy suy giảm dưới ngưỡng giới hạn, các hạt bùn bắt đầu lắng đọng tạo thành tầng bùn loãng. Tầng bùn này duy trì trạng thái lỏng sệt trong nhiều tuần trước khi cố kết nén chặt thành đáy cứng. Chuyển động của lớp fluid mud chịu ảnh hưởng lớn từ gradient áp suất đáy và ứng suất cắt của dòng nước. Việc hiểu rõ động lực học bùn cát giúp dự báo chính xác diễn biến sa bồi luồng tàu qua từng mùa trong năm.

Công nghệ đo sâu hồi âm hai tần số sử dụng đồng thời tần số cao 210 kHz và tần số thấp 33 kHz. Chùm sóng âm tần số 210 kHz phản xạ ngay tại bề mặt trên cùng của lớp bùn loãng. Tín hiệu này xác định ranh giới tiếp xúc giữa khối nước lợ và tầng fluid mud. Ngược lại, chùm sóng âm tần số 33 kHz có khả năng xuyên thấu qua lớp bùn lỏng. Sóng hạ tần này phản xạ từ bề mặt lớp bùn nén chặt phía dưới đáy luồng. Khoảng cách thẳng đứng giữa hai mặt phản xạ 210 kHz và 33 kHz chính là chiều dày lớp bùn loãng. Băng ghi đo sâu hồi âm hai tần số cung cấp hình ảnh trực quan về cấu trúc phân tầng đáy. Đây là công cụ đo đạc cốt lõi để xác định độ sâu chạy tàu an toàn và định vị nautical bottom trên hải đồ.

Tỷ trọng bùn loãng và độ nhớt bùn trầm tích là hai chỉ tiêu cơ lý quyết định độ an toàn khi chạy tàu. Tỷ trọng bùn được xác định trực tiếp bằng thiết bị đo mật độ chuyên dụng hoặc phân tích mẫu bùn trong phòng thí nghiệm. Ngưỡng tỷ trọng tiêu chuẩn cho nautical bottom thường được chọn ở mức 1.20 g/cm3. Độ nhớt bùn trầm tích phản ánh khả năng chống lại lực biến dạng cắt khi vỏ tàu di chuyển qua lớp bùn. Khi lớp bùn có độ nhớt thấp, lực cản tác động lên chân vịt và thân tàu không đáng kể. Ngược lại, khi bùn bị nén chặt và độ nhớt vượt ngưỡng tới hạn, tàu sẽ chịu lực cản lớn gây nguy cơ mất kiểm soát lái. Việc quan trắc lưu biến bùn định kỳ bảo đảm duy trì điều kiện chạy tàu an toàn tuyệt đối.

Phép phân tích Fourier chuyển đổi chuỗi dữ liệu cao trình đáy luồng từ miền thời gian sang miền tần số dao động. Thuật toán phân tách chuỗi số liệu thành tổng các hàm điều hòa với tần số và biên độ xác định. Qua đó, các chu kỳ sa bồi chiếm ưu thế được bộc lộ rõ ràng và chuẩn xác. Kết quả phân tích cho thấy luồng tàu chịu ảnh hưởng của chu kỳ sa bồi ngắn nửa tháng theo tuần trăng và chu kỳ năm theo mùa gió mùa. Tại các luồng hàng hải miền Bắc, bùn loãng bồi lắng mạnh nhất trong mùa mưa lũ từ tháng 7 đến tháng 10. Tại khu vực phía Nam, chế độ bán nhật triều không đều thúc đẩy quá trình bồi tụ trầm tích diễn ra liên tục quanh năm. Việc làm rõ chu kỳ sa bồi giúp cơ quan quản lý hàng hải chủ động lập kế hoạch điều tiết luồng tàu.

Mô hình hồi quy đa biến xây dựng mối tương quan định lượng giữa chiều dày bùn loãng và các yếu tố động lực tự nhiên. Các tham số đầu vào bao gồm lưu lượng nước sông, biên độ dao động triều, độ mặn và nồng độ bùn cát lơ lửng. Mô hình tối ưu hóa các hệ số hồi quy dựa trên tập dữ liệu khảo sát thực địa nhiều năm. Phương trình hồi quy thiết lập cho phép tính toán nhanh chiều dày lớp fluid mud tại từng lý trình luồng tàu. Sai số dự báo của mô hình nằm trong giới hạn kiểm soát kỹ thuật cho phép. Kỹ sư hàng hải có thể dự báo trước sự hình thành lớp bùn mà không cần đo đạc hiện trường liên tục. Đây là cơ sở khoa học quan trọng để công bố độ sâu chạy tàu an toàn trong mọi thời điểm vận hành luồng.

Mô hình sa bồi được áp dụng tính toán thực tế cho tuyến luồng hàng hải Bạch Đằng thuộc khu vực cảng biển Hải Phòng. Nguồn dữ liệu đầu vào gồm chuỗi quan trắc khí tượng, thủy văn và bình đồ độ sâu qua nhiều giai đoạn. Phần mềm tự động hóa tính toán và xuất kết quả biến động lớp bùn loãng theo từng tháng trong năm. Biểu đồ mô phỏng chỉ ra lớp bùn loãng đạt chiều dày cực đại vào các tháng cuối mùa mưa lũ hàng năm. Chiều dày tầng fluid mud tại luồng Bạch Đằng có thể đạt mức từ 0.8 đến 1.2 mét. Vào mùa khô, lớp bùn này dần cố kết hoặc bị dòng triều cuốn trôi một phần ra biển. Kết quả tính toán mô phỏng phản ánh sát thực tế biến động đáy luồng, hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý mớn nước chạy tàu.

Độ sâu chạy tàu an toàn là khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt nước đến giới hạn cho phép của đáy tàu khi hành hải. Trong luồng có bùn loãng, độ sâu này không còn bị giới hạn bởi mặt trên lớp bùn 210 kHz. Giới hạn chạy tàu được hạ thấp xuống mặt đẳng tỷ trọng 1.20 g/cm3 của lớp bùn đáy. Tiêu chuẩn an toàn yêu cầu tàu phải duy trì tốc độ tối thiểu và khả năng bẻ lái linh hoạt trong luồng hẹp. Hệ thống hoa tiêu và trợ dẫn hàng hải phải nắm rõ thông số lớp bùn trước khi dẫn dắt tàu vào luồng. Khi mớn nước tàu đi vào vùng fluid mud, lực cản và tương tác đáy phải nằm trong giới hạn cho phép của hệ động lực. Tiêu chuẩn này bảo đảm tàu lưu thông thuận lợi và không gây xói lở cục bộ đáy luồng.

Dự trữ mớn nước dưới sống tàu under-keel clearance (UKC) là khoảng cách đệm an toàn giữa đáy tàu và mặt đáy luồng. Khi tàu hành hải trên đáy cứng, UKC tiêu chuẩn thường yêu cầu từ 10% đến 15% mớn nước của tàu. Đối với luồng có fluid mud, giá trị UKC được tính toán tương đối so với mặt chuẩn nautical bottom. Khái niệm UKC âm (negative UKC) được áp dụng an toàn khi sống tàu chìm một phần vào trong lớp bùn loãng luồng hàng hải. Sống tàu có thể lún sâu từ 0.2 đến 0.5 mét vào lớp bùn có tỷ trọng dưới 1.15 g/cm3 mà không phát sinh sự cố. Công thức xác định UKC mới tính toán thêm độ nhớt bùn trầm tích và hiệu ứng ngồi đáy của tàu khi tăng tốc. Hiệu chỉnh UKC chuẩn xác giúp tàu chở đủ tải cập cảng an toàn.

Ranh giới đáy chạy tàu hợp lý được xác lập dựa trên đường đẳng tỷ trọng hoặc đường đẳng độ nhớt giới hạn của bùn. Nghiên cứu đề xuất chọn mặt tỷ trọng bùn loãng 1.20 g/cm3 làm đáy chạy tàu chuẩn cho các luồng hàng hải Việt Nam. Mức chuẩn này tương đồng với quy chuẩn khai thác tại các cảng biển tiên tiến như Rotterdam và Zeebrugge. Tại mặt phân giới tỷ trọng này, bùn bắt đầu chuyển hóa từ trạng thái chảy dẻo sang trạng thái cố kết đặc chắc. Việc thiết lập ranh giới nautical bottom tại mức 1.20 g/cm3 giúp tăng chiều sâu khai thác luồng thêm từ 0.5 đến 1.5 mét. Đáy chạy tàu mới được công bố chính thức trong thông báo hàng hải để hoa tiêu và các hãng tàu áp dụng đồng bộ trong công tác điều độ.

Luồng Soài Rạp - Hiệp Phước là tuyến hàng hải huyết mạch phục vụ khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam. Tuyến luồng này thường xuyên tích tụ các lớp bùn loãng luồng hàng hải dày tại các đoạn cong và cửa vịnh. Luận án đã áp dụng công thức đặc trưng để tính toán chiều dày bùn và xác định ranh giới nautical bottom. Kết quả cho thấy cao trình đáy chạy tàu thực tế sâu hơn mặt đáy đo bằng sóng cao tần 210 kHz từ 0.7 đến 1.2 mét. Nhờ đó, cảng Hiệp Phước có thể đón nhận các tàu container và tàu hàng rời có mớn nước lớn hơn vào làm hàng an toàn. Giải pháp này giúp cảng biển khai thác tối đa công suất luồng tàu hiện hữu, giảm thời gian neo chờ và thúc đẩy lưu thông hàng hóa xuất nhập khẩu.

Hoạch định nạo vét luồng theo phương pháp truyền thống thường phụ thuộc vào kế hoạch định kỳ cố định hàng năm. Cách tiếp cận này gây lãng phí lớn do khối lượng nạo vét chủ yếu là lớp fluid mud chưa đặc chắc. Mô hình dự báo sa bồi cho phép xác định chính xác thời điểm lớp bùn bị nén chặt vượt ngưỡng tỷ trọng 1.20 g/cm3. Khi đáy chạy tàu dâng cao vượt quá giới hạn thiết kế, công tác nạo vét nạo vét mới được kích hoạt. Lịch trình nạo vét duy tu chuyển đổi từ bảo trì theo chu kỳ cố định sang bảo trì theo trạng thái kỹ thuật thực tế. Giải pháp này giúp kéo dài khoảng cách giữa các đợt nạo vét luồng từ 12 tháng lên 18 đến 24 tháng, tiết kiệm hàng chục tỷ đồng ngân sách mỗi năm.

Áp dụng công nghệ chạy tàu trên bùn loãng mang lại lợi ích kép về mặt kinh tế khai thác và an toàn kỹ thuật. Về kinh tế, chi phí nạo vét duy tu luồng hàng hải hàng năm giảm từ 30% đến 50%. Các doanh nghiệp vận tải biển nâng cao hệ số chở tải của phương tiện, giảm chi phí chuyển tải và phí lưu bến. Về an toàn hàng hải, việc đo sâu hồi âm hai tần số kết hợp kiểm soát under-keel clearance (UKC) loại trừ rủi ro va chạm đáy cứng. Thủy thủ và hoa tiêu kiểm soát hoàn toàn tính năng cơ động của tàu trong suốt quá trình hành hải qua lớp fluid mud. Đây là giải pháp khoa học bền vững, tối ưu hóa hạ tầng giao thông đường thủy tại Việt Nam.