Luận án xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Tính cấp thiết của luận án Công tác dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải của nước ta, hầu hết được thực hiện bởi hoa tiêu bắt buộc. Việc tính toán thời gian dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải để cập cầu cảng phục vụ công tác xếp, dỡ hàng hóa hay dẫn tàu đến khu neo đậu phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong thực tiễn hàng hải để đảm bảo điều động tàu cập cầu hay neo đậu an toàn, nguyên tắc chung là cập ngược nước (cập cầu ngược với chiều dòng chảy). Vì vậy, một trong những yếu tố quan trọng là tính toán thuỷ triều hay còn gọi dòng triều (dòng chảy do thủy triều gây ra và có tính chất tuần hoàn), bởi vì thuỷ triều lên hay rút sẽ tạo ra dòng chảy ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải, đặc biệt thời điểm tàu đến khu vực điều động cập cầu.

Hiện nay, hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải của Việt Nam đều dùng bảng thuỷ triều (gồm 3 tập) [47] do Trung tâm Hải văn thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam (Bộ Tài nguyên và Môi trường) ấn hành hoặc dùng bảng thủy triều Anh do Văn phòng thủy đạc Anh xuất bản [62], mỗi năm một bộ và hàng năm đều thay đổi. Như vậy, số liệu công bố trong bảng thủy triều đều được biết trước. Tuy nhiên, việc dùng bảng thuỷ triều xuất hiện những nhược điểm là: Bảng thuỷ triều chỉ cho biết thời gian và độ cao nước lớn và nước ròng trong một ngày tại một khu vực địa lý, nghĩa là mang tính tức thời. Mặt khác, ngay cả một số tuyến luồng hàng hải đã trang bị phần mềm có chức năng hiển thị mực thủy triều, nhưng cũng mang tính chất tức thời và hiển thị tại một khu vực địa lý nhất định.

Vì vậy, việc dự đoán thuỷ triều tại các thời điểm khác (không được ghi trong bảng thuỷ triều) cần phải tính toán nội suy. Việc này ít nhiều dẫn đến suy giảm độ chính xác, không có tính liên tục và không trực quan, gây khó khăn cho hoa tiêu và thuyền trưởng trong quá trình dẫn tàu, đặc biệt khi dẫn 2 tàu hành trình trong tuyến luồng hàng hải, và đây chính là điểm hạn chế lớn nhất. Trên các bình đồ hay còn gọi hải đồ cảng (Habour chart), kể cả hải đồ điện tử của khu vực hàng hải, đặc biệt là tuyến luồng hàng hải chưa thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy mang tính liên tục [29], [42], [46], [75]. Nếu có thể hiện được hướng và tốc độ dòng chảy thì chỉ một số cảng đóng, bởi vì ở đó không có sự lên xuống của thủy triều, việc thể hiện này suy cho cùng cũng không có ý nghĩa gì trong việc dẫn tàu ra vào luồng đến cảng nơi đó.

Hải đồ điện tử của một số khu vực tuyến luồng hàng hải có thể tích hợp chức năng dòng triều khu vực, nhưng cũng dừng ở mức độ hiển thị dưới dạng số liệu theo bảng thủy triều hay dạng đường cong thủy triều. Như vậy, nếu tồn tại thì trường hợp này cũng phải nội suy gần đúng hướng và tốc độ dòng triều. Xuất phát từ cơ sở lý luận trên, nhằm từng bước khắc phục nhược điểm này, góp phần dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu sinh (NCS) một mặt kế thừa số liệu của bảng thủy triều [47] và số liệu của các trạm quan trắc mực thủy triều trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [45], mặt khác, với số liệu khảo sát, đo đạc thực tế tại thực địa của khu vực nghiên cứu [34], kết hợp ứng dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) với Fluent - Ansys, để tính toán mô phỏng và sử dụng kỹ thuật xây dựng bản đồ khu vực, để đưa ra bản đồ dòng chảy (dòng triều). Trên bản đồ dòng chảy hiển thị tường minh và liên tục hướng, tốc độ dòng chảy tại từng thời điểm của mỗi ngày và các ngày trong năm của khu vực khảo sát nghiên cứu, cụ thể là khu vực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng.

Đây chính là lý do để NCS lựa chọn, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn”. Việc nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện khảo sát, đo đạc trực tiếp tại thực địa trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [34], kết hợp khảo sát thu thập bộ dữ liệu đo đạc của các trạm đo mực thủy triều ở trên đoạn luồng của 3 tuyến luồng hàng hải Hải Phòng (gồm các trạm: Arroyo, Sông Cấm và Lạch Huyện) do Tổng Công ty Bảo đảm An toàn hàng hải Miền Bắc quản lý [45]. Đây chính là hệ thống quan trắc và cung cấp thông tin mực thủy triều theo thời gian thực mang tính tức thời tại tuyến luồng Hải Phòng, nhằm bảo đảm an toàn hàng hải và hoa tiêu hàng hải. Điều quan trọng là NCS đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đề tài luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu của đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải, mà NCS là thành viên thực hiện chính đề tài, là đồng tác giả viết các chương của sách chuyên khảo (là một dạng sản phẩm khoa học của đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải), cụ thể: - Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2018 38: “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tác dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải - Thực hiện thí điểm trên tuyến luồng Hải Phòng”, mã số: DT183035 do PGS.

Phạm Kỳ Quang - Chủ nhiệm đề tài, NCS là thành viên thực hiện chính, cùng một số thành viên khác tham gia; - Sách chuyên khảo 10: “Ứng dụng CFD xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải”. Nhà xuất bản Hàng hải, ISBN: 978-604-937-217-9, 02/2020, PGS. Phạm Kỳ Quang, TS. Vũ Văn Duy (Chủ biên), NCS là tác giả thực hiện chính, cùng một số tác giả khác tham gia.

Mặt khác, NCS là thành viên tham gia một số đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải khác [25], [37], [39]. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: 4 Sự thay đổi vận tốc và hướng của dòng chảy do hiện tượng thủy triều gây ra (dòng triều) trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng theo thời gian thực. - Phạm vi nghiên cứu: Đưa ra dạng mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, trên cơ sở thiết lập mô hình nghiên cứu, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng dòng chảy theo giờ và theo ngày.

Từ đó nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy trong 365 ngày. Việc nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với khảo sát, đo đạc thực tế ngoài thực địa tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng và sử dụng số liệu theo bảng thủy triều Việt Nam kết hợp số liệu tổng hợp tại các trạm đo mực thủy triều, sẽ đưa ra số liệu đầu vào là vận tốc dòng chảy (Vdc) chính xác, tin cậy và bám sát điều kiện biên, phục vụ xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng sát với thực tế. Giới hạn không xét đến các vấn đề: Nguyên lý xây dựng bản đồ hàng hải, nguyên nhân gây ra thủy triều và độ trễ thủy triều, các yếu tố ảnh hưởng đến thủy triều, hiện tượng biến đổi bất thường và cục bộ của điều kiện khí tượng thủy văn trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, như: Lũ lụt, sóng, gió, mưa cục bộ, ngăn dòng, hạn hán,… làm thay đổi cục bộ dòng triều. Phương pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, cụ thể: - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, về tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, nghiên cứu cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy trong tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu tính toán thủy triều trong hàng hải, cơ sở khoa học chia các đoạn luồng trên tuyến luồng Hải Phòng để tính toán mô phỏng, xây dựng mô hình nghiên cứu bám sát thực tế, mô hình toán, lựa chọn và ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng Hải Phòng theo thời gian thực.

5 Nghiên cứu đề xuất mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện khảo sát, đo đạc dòng chảy thực tế ngoài thực địa tại các đoạn của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng. Đây là dòng chảy thực tế đã tính đến các điều kiện ảnh hưởng khác, đồng thời kết hợp số liệu từ bảng thủy triều và số liệu đo đạc của các trạm đo mực thủy triều trên các đoạn luồng, để đưa ra dữ liệu đầu vào là vận tốc dòng chảy (Vdc) chính xác và tin cậy, phục vụ xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng sát thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: - Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học trong tuyến luồng hàng hải và bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, để xây dựng mô hình nghiên cứu bám sát thực tiễn, phục vụ tính toán mô phỏng bằng CFD với Fluent - Ansys.

Kết quả đạt được đã góp phần hoàn thiện một bước cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và có đóng góp nhất định cho khoa học chuyên ngành hàng hải; - Thiết lập cơ sở khoa học và các bước cơ bản xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, ứng dụng thử nghiệm tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng. Từ cơ sở lý luận này có thể mở rộng áp dụng cho các tuyến luồng hàng hải khác phục vụ công tác dẫn tàu an toàn. Ý nghĩa thực tiễn: - Đã kết hợp chặt chẽ cơ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành hàng hải với thực tiễn hàng hải. Xây dựng bộ dữ liệu về dòng chảy trên các đoạn luồng của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, kết hợp với đo đạc thực địa tại từng khu vực khảo sát, phục vụ xây dựng bản đồ dòng chảy và tính đến từng bước hoàn thiện công nghệ tính khả thi trong tích hợp với hải đồ điện tử tại khu vực khảo sát.