Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công tác dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải tại Việt Nam phần lớn do lực lượng hoa tiêu hàng hải bắt buộc đảm nhiệm. Trong thực tiễn điều động tàu cập cầu cảng để bốc dỡ hàng hóa hoặc di chuyển đến các khu neo đậu, nguyên tắc kỹ thuật cốt lõi là điều động tàu cập ngược dòng chảy (cập ngược nước) nhằm duy trì khả năng kiểm soát tàu an toàn. Do đó, việc tính toán chính xác dòng chảy do thủy triều gây ra (dòng triều) là yếu tố quyết định đến an toàn hàng hải, đặc biệt là tại thời điểm tàu tiếp cận vùng điều động cập cầu hoặc đi qua các đoạn luồng hẹp có khúc cua gấp.

Hiện nay, hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải Việt Nam chủ yếu sử dụng hai nguồn dữ liệu: Bảng thủy triều Việt Nam (gồm 3 tập) do Trung tâm Hải văn thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam ấn hành, hoặc Bảng thủy triều Anh do Văn phòng Thủy đạc Anh (United Kingdom Hydrographic Office) xuất bản hàng năm. Tuy nhiên, việc áp dụng các bảng thủy triều này tồn tại các nhược điểm kỹ thuật rõ rệt:

  • Dữ liệu chỉ cung cấp thời gian và độ cao của nước lớn và nước ròng tại một số thời điểm cố định trong ngày cho từng khu vực địa lý cụ thể, mang tính chất tức thời và rời rạc.
  • Để xác định độ cao và đặc tính thủy triều tại các thời điểm nằm ngoài mốc công bố, người dẫn tàu buộc phải thực hiện các phép tính nội suy gần đúng. Việc nội suy này làm suy giảm độ chính xác, không phản ánh được tính liên tục và thiếu tính trực quan, gây trở ngại lớn cho việc điều động tàu, đặc biệt trong các tình huống dẫn dắt hai tàu hành trình tránh vượt nhau trong luồng hẹp.
  • Trên các bình đồ cảng (Harbour chart), hải đồ giấy cũng như hải đồ điện tử (ENC) hiện hành của khu vực tuyến luồng Hải Phòng (như các bình đồ I-25-022, I-25-031 do Quân chủng Hải quân xuất bản, hoặc các hải đồ điện tử VN4HP003, VN4HP005, VN4HP007 do Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc quản lý), hướng và tốc độ dòng chảy chưa được hiển thị một cách liên tục theo thời gian thực mà chỉ dừng lại ở dạng số liệu tĩnh hoặc đường cong mực nước tức thời.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là sự thiếu vắng một công cụ hiển thị trực quan, liên tục về trường hướng và vận tốc dòng chảy theo từng giờ trong suốt 365 ngày trên toàn tuyến luồng hàng hải Hải Phòng. Để giải quyết khoảng trống này, nghiên cứu kết hợp dữ liệu bảng thủy triều, dữ liệu chuỗi thời gian từ các trạm quan trắc mực nước tự động tại thực địa, số liệu đo đạc trực tiếp và công cụ tính toán động lực học dòng chảy CFD (Computational Fluid Dynamics) với phần mềm Fluent - Ansys nhằm xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tác dẫn tàu an toàn.

Đề tài luận án được phát triển gắn liền với Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2018 (Mã số: DT183035 do PGS. Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm) và Sách chuyên khảo “Ứng dụng CFD xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải” (Nhà xuất bản Hàng hải, 2020, ISBN: 978-604-937-217-9).

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: 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

  • Đối tượng nghiên cứu: 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:
    • Thiết lập mô hình nghiên cứu, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng dòng chảy theo từng giờ và từng ngày, từ đó xây dựng thử nghiệm dạng mẫu bản đồ dòng chảy trong 365 ngày cho tuyến luồng hàng hải Hải Phòng.
    • Sử dụng số liệu đầu vào từ Bảng thủy triều Việt Nam, Lịch thủy triều Anh, kết hợp chuỗi dữ liệu đo đạc thực tế ngoài thực địa và dữ liệu quan trắc từ 3 trạm đo mực thủy triều chuyên dụng trên tuyến luồng (Trạm Lạch Huyện, Trạm Arroyo, Trạm Sông Cấm), trong đó tập trung khai thác dữ liệu trạm Lạch Huyện để xây dựng bản đồ cho năm 2020.
    • Giới hạn nghiên cứu: Luận án không xét đến các nguyên lý thuần túy về kỹ thuật biên vẽ bản đồ hàng hải, nguyên nhân thiên văn tổng quát gây ra thủy triều và độ trễ pha thủy triều tổng quát; đồng thời không xét đến các hiện tượng khí tượng thủy văn biến đổi bất thường, cục bộ như lũ lụt, bão lớn, sóng, gió cục bộ, mưa lớn đột biến, công trình ngăn dòng hoặc hạn hán làm thay đổi dị thường chế độ dòng triều.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên bình diện quốc tế, các cơ quan thủy văn và xuất bản hàng hải lớn, tiêu biểu là Cơ quan Thủy văn Vương quốc Anh (Admiralty Charts and Publications), đã phát hành hệ thống hải đồ và ấn phẩm hàng hải được sử dụng rộng rãi toàn cầu. Tuy nhiên, trên các tờ hải đồ giấy (BA chart) bao quát khu vực Hải Phòng (như BA chart № 1965, 3875, 3881 và bình đồ cảng BA chart № 3882), hướng và tốc độ dòng chảy không được thể hiện liên tục mà chỉ có các ký hiệu dòng chảy tức thời hoặc bảng chú giải hằng số thủy triều ở góc hải đồ. Ấn phẩm chỉ dẫn hàng hải BA China Sea Pilot, Vol. 1 (NP 30) cũng dừng lại ở mức mô tả chung về chế độ triều và dòng triều khu vực. Các ấn phẩm bản đồ dòng chảy đại dương do Mỹ, Nga, Úc phát hành chỉ phản ánh hệ thống dòng chảy vĩ mô trên bề mặt các đại dương, phục vụ công tác dẫn tàu hành trình đường dài và hàng hải khí tượng, không có độ phân giải chi tiết cho các luồng hàng hải hẹp ven bờ.

Về phương pháp số mô phỏng dòng triều tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, các công trình tiêu biểu gồm:

  • Manh, D. (1998): A three-dimensional numerical model of tide and tidal current in the Gulf of Tongking (Oceanographic Literature Review, 45(1): 22) và công trình mô phỏng các thành phần sóng triều chính ở Biển Đông, Vịnh Bắc Bộ và Vịnh Thái Lan (Continental Shelf Research, 19(7): 845-869).
  • Manh, D. (2000): A study on residual flow in the Gulf of Tongking (Journal of Oceanography, 56(1): 59-68).
  • Manh, D. và Van Uu: Nghiên cứu đặc trưng thủy triều Vịnh Bắc Bộ (Continental Shelf Research, 91: 37-56).
  • Các nghiên cứu ứng dụng phần mềm CFD Fluent - Ansys trong tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy chất lỏng kỹ thuật của các tác giả quốc tế như được ghi nhận trong các tài liệu tham khảo [56], [57], [59], [61], [71].

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu và sản phẩm bản đồ, tính toán thủy lực được triển khai ở các cơ quan, viện nghiên cứu và trường đại học:

  • Quân chủng Hải quân: Đơn vị xuất bản hệ thống hải đồ và bình đồ hàng hải chính thức của Việt Nam (tiêu biểu như tờ bình đồ I-25-022 - Lối vào cảng Hải Phòng, tờ I-25-031 - Từ Lạch Huyện đến Hòn Dấu, cập nhật tháng 9/2020). Các bình đồ này không cung cấp trường vận tốc và hướng dòng chảy biến thiên liên tục.
  • Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc: Xây dựng hệ thống hải đồ điện tử khu vực Hải Phòng (VN4HP003, VN4HP005, VN4HP007, VN4HP008 cập nhật 9/2020), song chưa tích hợp trường dữ liệu phân bố dòng chảy liên tục theo thời gian thực.
  • Trường Đại học Hàng hải Việt Nam: Các tác giả như GS. Lương Công Nhớ, PGS. Phạm Kỳ Quang, PGS. Nguyễn Cảnh Sơn, TS. Bùi Văn Cường, TS. Nguyễn Thái Dương, Nguyễn Sỹ Kiêm đã công bố các công trình về khí tượng hải văn, phương pháp tính toán thủy triều hàng hải, động lực học dòng chảy bao quanh tàu, ứng dụng CFD Fluent - Ansys tính toán mô phỏng ổn định tàu, hiện tượng xâm thực bánh lái và dự báo quỹ đạo chuyển động của tàu trên luồng.
  • Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh: PGS. Nguyễn Xuân Phương, PGS. Nguyễn Phùng Hưng, TS. Cổ Tấn Anh Vũ, TS. Nguyễn Thành Nhật Lai công bố các nghiên cứu ứng dụng CFD tính toán mô phỏng hiện tượng xâm thực chân vịt, bánh lái tàu thủy và mô phỏng dòng chảy tại khu vực neo đậu.
  • Trường Đại học Bách khoa Hà Nội: GS. Vũ Duy Quang, GS. Nguyễn Thế Mịch, PGS. Lương Ngọc Lợi, PGS. Lê Quang, PGS. Trương Việt Anh, PGS. Phạm Thị Thanh Hương, PGS. Ngô Văn Hệ nghiên cứu về cơ học thủy khí động lực học, sức cản vỏ tàu và ứng dụng CFD mô phỏng dòng chảy qua máy thủy lực cánh dẫn.
  • Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội: GS. Trần Tân Tiến, GS. Phan Văn Tân, PGS. Phạm Văn Huấn, TS. Nguyễn Thanh Sơn, Phan Văn Vỵ nghiên cứu về động lực học biển, hải dương học vật lý và phương pháp thống kê trong tính toán thủy văn biển.
  • Viện Hải dương học / Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển: Trần Văn Chung và Bùi Hồng Long (2007, 2015) công bố các kết quả tính toán mô hình 3D phi tuyến mô phỏng dòng triều, dòng chảy do gió và dòng chảy tổng hợp trên Vịnh Bắc Bộ bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên lưới tam giác.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu trong nước và quốc tế đã phát triển nhiều mô hình tính toán hải dương quy mô lớn hoặc mô phỏng cục bộ chi tiết vỏ tàu, việc nghiên cứu tính toán mô phỏng dòng triều chi tiết dọc theo từng phân đoạn luồng để xây dựng thành sản phẩm bản đồ dòng chảy chuyên dụng phục vụ trực tiếp cho hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng Hải Phòng chưa từng được đơn vị nào công bố. Luận án giải quyết trực tiếp khoảng trống này bằng cách kết hợp phương pháp thủy lực kênh hở, phân tích điều hòa thủy triều, mô phỏng số CFD và kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm thực địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án tiếp cận tuyến luồng hàng hải Hải Phòng dưới dạng hình học kênh hở đặc thù với dòng chảy không áp có mặt thoáng tiếp xúc với khí quyển. Dòng chảy trong luồng chịu tác động chi phối của hiện tượng nhật triều.

  1. Trạng thái thủy lực dòng chảy:

    • Sử dụng số Reynolds ($Re$) để xác định chế độ chảy trong luồng: $$\text{Khi } Re < 500: \text{ Dòng chảy tầng}$$ $$\text{Khi } 500 < Re < 2320: \text{ Dòng chảy chuyển tiếp}$$ $$\text{Khi } Re > 2320: \text{ Dòng chảy rối}$$ Dòng chảy thực tế trên tuyến luồng Hải Phòng được xác định là dòng chảy rối ($Re > 2320$).
    • Sử dụng số Froude ($Fr$) để phân loại trạng thái mặt thoáng: $$Fr = \frac{V}{\sqrt{gy}}$$ Trong đó: $V$ là vận tốc dòng chảy, $g$ là gia tốc trọng trường, $y$ là chiều sâu dòng chảy. Phân loại gồm: $Fr = 1$ (dòng tới hạn), $Fr < 1$ (dòng dưới hạn), $Fr > 1$ (dòng quá hạn).

  2. Hệ phương trình chủ đạo động lực học chất lỏng:

    • Phương trình liên tục đối với chất lỏng không nén được: $$\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0$$
    • Phương trình Navier-Stokes viết cho chất lỏng thực có độ nhớt: $$\frac{\partial u_i}{\partial t} + u_j \frac{\partial u_i}{\partial x_j} = -\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial x_i} + \nu \frac{\partial^2 u_i}{\partial x_j \partial x_j}$$
    • Phương trình năng lượng Bernoulli cho chất lỏng thực có xét đến tổn thất cột áp $h_{12}$ giữa hai mặt cắt: $$\frac{p_1}{\gamma} + \frac{V_1^2}{2g} + z_1 = \frac{p_2}{\gamma} + \frac{V_2^2}{2g} + z_2 + h_{12}$$
    • Phương trình cường độ xoáy ($\text{rot},\vec{V}$): $$\text{rot},\vec{V} = \left(\frac{\partial w}{\partial y} - \frac{\partial v}{\partial z}\right)\vec{i} + \left(\frac{\partial u}{\partial z} - \frac{\partial w}{\partial x}\right)\vec{j} + \left(\frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}\right)\vec{k}$$

  3. Lý thuyết phân tích điều hòa thủy triều trong hàng hải:

    • Dao động mực nước thực tế được biểu diễn bằng chuỗi sóng điều hòa: $$Z_t = A_0 + \sum_{i=1}^r f_i H_i \cos\left[q_i t + (V_0 + u)_i - g_i\right]$$ Trong đó: $A_0$ là độ cao mực nước biển trung bình (MSL); $H_i, g_i$ là biên độ trung bình và góc vị địa phương (hằng số điều hòa); $f_i, (V_0 + u)_i$ là hệ số suy giảm và đối số thiên văn ban đầu; $q_i$ là vận tốc góc sóng triều.
    • Phương pháp hằng số điều hòa đơn giản (Admiralty Form NP.159) sử dụng 4 sóng thành phần cơ bản: $M_2$ (bán nhật triều mặt trăng), $S_2$ (bán nhật triều mặt trời), $K_1$ (nhật triều hỗn hợp trăng - trời), $O_1$ (nhật triều mặt trời), kết hợp số hiệu chỉnh nước nông $f_4, f_6$ và hiệu chỉnh theo mùa để tính toán độ cao thủy triều tại các thời điểm tùy ý.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      KHUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN                 |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| 1. DỮ LIỆU ĐẦU VÀO:                                                           |
|    - Bảng thủy triều Việt Nam (Tập I) & Lịch thủy triều Anh (NP 205).          |
|    - Số liệu đo thực địa vận tốc dòng chảy ngoài luồng.                       |
|    - Chuỗi số liệu mực nước từ 3 trạm quan trắc: Lạch Huyện, Arroyo, Sông Cấm.|
|                                                                               |
| 2. PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ:                                                        |
|    - Phân chia tuyến luồng Hải Phòng thành 10 đoạn tính toán.                 |
|    - Phân tích hằng số điều hòa xác định mực nước và dao động biên triều.     |
|    - Xác định điều kiện biên vận tốc Vdc qua 2 hệ số hiệu chỉnh klh và kdc.   |
|                                                                               |
| 3. MÔ PHỎNG SỐ CFD:                                                           |
|    - Xây dựng hình học kênh luồng 3D bám sát bình đồ thực tế.                 |
|    - Thiết lập lưới tính toán và giải hệ phương trình Navier-Stokes rối       |
|      bằng phần mềm Fluent - Ansys theo từng giờ trong 365 ngày.               |
|                                                                               |
| 4. XUẤT BẢN SẢN PHẨM:                                                         |
|    - Xây dựng mẫu bản đồ dòng chảy 365 ngày hiển thị trực quan trường         |
|      véc-tơ hướng và tốc độ dòng triều theo giờ trên từng phân đoạn luồng.    |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và nguồn dữ liệu

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp cơ sở thủy khí động lực học kênh hở; nghiên cứu cơ sở phân đoạn luồng hàng hải theo điều kiện biên hình học; xây dựng quy trình ứng dụng CFD Fluent - Ansys để tính toán trường dòng chảy.
  • Nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, đo đạc trực tiếp các thông số dòng chảy thực tế tại thực địa các đoạn luồng Hải Phòng.
  • Hệ thống dữ liệu quan trắc: Khai thác dữ liệu quan trắc mực nước tự động với tần suất 10 phút/lần từ 3 trạm đo do Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc quản lý:
    • Trạm Arroyo: Lắp đặt tại trạm đèn Arroyo trên đoạn luồng Bạch Đằng (tọa độ WGS-84: $20^\circ49'54''\text{N}; 106^\circ49'16''\text{E}$).
    • Trạm Lạch Huyện: Lắp đặt tại tiêu C thuộc chập tiêu CD trên đoạn luồng Lạch Huyện - Hà Nam ($20^\circ49'19''\text{N}; 106^\circ54'28''\text{E}$).
    • Trạm Sông Cấm: Lắp đặt tại đèn Tây Vàng Chấu trên đoạn luồng Sông Cấm ($20^\circ52'43''\text{N}; 106^\circ42'16''\text{E}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Chương 1 tập trung phân tích hiện trạng luồng tàu, chế độ khí tượng thủy văn, tình hình an toàn hàng hải và thiết lập cơ sở phân đoạn tuyến luồng Hải Phòng phục vụ mô phỏng:

  1. Đặc điểm kỹ thuật tuyến luồng Hải Phòng: Tuyến luồng có tổng chiều dài thiết kế 72,1 km, bao gồm các đoạn chính: Lạch Huyện, Kênh Hà Nam, Bạch Đằng, Sông Cấm, Vật Cách, Phà Rừng và Nam Triệu. Tuyến luồng có mật độ giao thông cao (năm 2019 đạt gần 20.000 lượt tàu biển; riêng đoạn Lạch Huyện trung bình đạt 70 lượt tàu/ngày), có giới hạn tốc độ 8 hải lý/giờ, luồng hẹp thiết kế một chiều có ga tránh.
Tên đoạn luồng Chiều dài (km) Chiều rộng (m) Bán kính cong nhỏ nhất (m) Độ sâu thiết kế (m) Mái dốc
Đoạn Lạch Huyện 17,7 100 - -7,2 0/1
Đoạn Kênh Hà Nam 5,9 80 1300 -7,0 1/7
Đoạn Bạch Đằng 8,8 80 1050 -7,0 0/1
Đoạn Sông Cấm 10,6 80 925 -5,5 0/1
Đoạn Vật Cách 9,7 60 555 Tự nhiên (-3,6) -
Đoạn Nam Triệu 19,4 100 1000 -4,5 0/1
Vũng quay trở trước cảng Đình Vũ - $R = 130\text{ m}$ - -7,0 0/1
Vũng quay trở tàu hạ lưu cảng Cấm - $R = 110\text{ m}$ - -5,5 0/1
Vũng quay trở trước cảng Hải Phòng - $R = 110\text{ m}$ - -5,5 0/1

Bảng 1: Thông số thiết kế các đoạn chính của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng.

  1. Hệ thống phao tiêu báo hiệu hàng hải: Toàn tuyến được bố trí hệ thống phao tiêu dày đặc nhằm hướng dẫn tàu hành trình an toàn qua các đoạn luồng:
TT Tên đoạn luồng Chiều dài đoạn luồng (km) Chiều rộng luồng (m) Số lượng phao báo hiệu các loại (chiếc)
1 Lạch Huyện 16,8 100 34
2 Nam Triệu 19,0 100 25
3 Kênh Hà Nam 7,3 80 28
4 Bạch Đằng 8,0 80 29
5 Sông Cấm 10,4 80 27

Bảng 2: Thống kê số lượng phao báo hiệu hàng hải trên các đoạn luồng.

  1. Thống kê tai nạn hàng hải (2015–2019): Phân tích dữ liệu từ Cục Hàng hải Việt Nam và Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng cho thấy nguy cơ đâm va, va chạm và mắc cạn luôn hiện hữu:
Loại tai nạn 2015 2016 2017 2018 2019 Tổng cộng
Đâm va 01 01 0 01 01 04
Va chạm 04 03 02 01 02 12
Mắc cạn 01 02 01 0 0 04
Chìm đắm 01 02 01 01 0 05
Cháy nổ 01 0 01 0 01 03
Khác 03 02 0 03 02 10
Tổng số 11 10 05 06 06 38

Bảng 3: Thống kê số vụ tai nạn hàng hải tại vùng nước cảng biển Hải Phòng.

  1. Đặc điểm chế độ thủy triều: Khu vực Hải Phòng (điển hình tại đảo Hòn Dấu) có chế độ nhật triều tương đối thuần khiết. Trong một tháng có khoảng 25 ngày triều lên xuống 1 lần trong ngày (1 đỉnh triều và 1 chân triều). Biên độ triều lớn nhất Việt Nam, vào kỳ triều cường dao động từ 3,0 m đến 4,0 m; tốc độ biến đổi mực nước khi triều dâng/rút có thể đạt 0,5 m/giờ. Trong kỳ nước kém, tính chất bán nhật triều xuất hiện với 2 lần nước lớn và 2 lần nước ròng trong ngày.

  2. Phân chia tuyến luồng thành 10 phân đoạn phục vụ mô phỏng: Dựa trên các bình đồ VN4HP003, VN4HP005, VN4HP007, VN4HP008 và điều kiện biên thực địa, tuyến luồng được chia thành 10 đoạn tính toán từ cảng chính ra phao số 0:

TT Vị trí giới hạn phân đoạn (km) Chiều dài (km) Chiều rộng mặt thoáng / luồng (m) Độ sâu trung bình (m)
1 km 44+400 đến km 43+200 1,2 310 / 60 7,5
2 km 43+200 đến km 40+200 3,0 315 / 80 8,0 (trừ Phà Bính 13,3)
3 km 40+200 đến km 38+800 1,4 300 / 120 8,1
4 km 38+800 đến km 33+800 5,0 300 / 80 7,4
5 km 33+800 đến km 30+200 3,6 315 / 80 9,1
6 km 30+200 đến km 26+600 3,6 600 / 80 6,5
7 km 26+600 đến km 24+600 2,0 1200 / 140 7,1
8 km 24+600 đến km 20+200 4,4 242 / 80 6,9
9 km 20+200 đến km 15+800 4,4 1500 / 100 8,5
10 km 15+800 đến km 14+000 1,8 1500 / 100 11,0

Bảng 4: Phân chia thông số 10 đoạn luồng Hải Phòng phục vụ tính toán mô phỏng.

Chương 1 nhận diện 4 phân đoạn có nguy cơ mất an toàn cao:

  • Đoạn luồng số 3: Nơi giao nhau giữa sông Cấm và sông Ruột Lợn, luồng hẹp, nhiều bãi bồi, mật độ tàu nhỏ cắt ngang cao, có trạm đo Sông Cấm.
  • Đoạn luồng số 5: Nơi giao nhau giữa sông Cấm và sông Bạch Đằng, nhiều bãi bồi, dòng chảy đạt từ 2 đến gần 3 knots, triều dâng có xu hướng đẩy bạt tàu về phía Thủy Nguyên, có trạm đo Arroyo.
  • Đoạn luồng số 8: Nơi giao nhau của các luồng sông Cấm, Nam Triệu, Cái Tráp và kênh Hà Nam, dòng chảy xiết, phức tạp, nhiều phương tiện cắt ngang luồng vào kênh Cái Tráp (phao 30–32), có trạm đo Lạch Huyện.
  • Đoạn luồng số 9: Giao giữa kênh Hà Nam, kênh Cái Tráp và luồng thủy nội địa đi Quảng Ninh (qua Cái Bầu), dòng chảy mạnh gần 3 knots, mật độ tàu biển trọng tải lớn đan xen phương tiện thủy nội địa dày đặc tại khu vực các phao 19 - 21 - 23.

Chương 2. Cơ sở lý luận động lực học dòng chảy, ảnh hưởng của dòng chảy đến sự chuyển động của tàu và ứng dụng CFD tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết thủy khí động lực học dòng chảy kênh hở, cấu trúc trường vận tốc và các phương pháp tính toán thủy triều chuyên ngành hàng hải:

  1. Động lực học dòng chảy kênh hở:

    • Thiết lập mô hình phân bố ứng suất tiếp $\tau$ và gradien vận tốc $dV/dy$ từ đáy luồng lên mặt thoáng (vận tốc nhỏ nhất ở sát đáy và cực đại tại vùng mặt thoáng).
    • Phân tích nguyên nhân suy giảm năng lượng do ma sát đáy tự nhiên, hiện tượng xoáy cục bộ và sự thay đổi hình học mặt cắt ướt dọc luồng.

  2. Cấu trúc tài liệu thủy triều hàng hải:

    • Lịch thủy triều Anh (ATT): Bao gồm 8 tập, chia làm 3 phần chính (Phần I: Giờ và độ cao nước lớn/nước ròng cảng chính; Phần II: Lượng hiệu chỉnh cảng phụ; Phần III/IIIa: Hằng số điều hòa tính độ cao và dòng triều).
    • Bảng thủy triều Việt Nam: Gồm 3 tập (Tập I bao quát dải cảng phía Bắc từ Hòn Dấu đến Cửa Việt; Tập II từ Đà Nẵng đến Trường Sa, Hà Tiên; Tập III các cảng quốc tế khu vực).

  3. Thực hành tính toán thủy triều bằng phương pháp hằng số điều hòa đơn giản (NP.159): Luận án dẫn chứng quy trình tính toán thủy triều cho cảng Hải Phòng (Hòn Dấu) vào lúc 09 giờ 00 phút ngày 12/3/2019 theo biểu mẫu Admiralty Form NP.159 với các bảng dữ liệu trích xuất từ NP 205 (2019):

Số hiệu Tên cảng Mực nước TB $Z_0$ (m) $M_2$ ($g^\circ / H$) $S_2$ ($g^\circ / H$) $K_1$ ($g^\circ / H$) $O_1$ ($g^\circ / H$)
6996 Hòn Dấu 1,9 $068^\circ / 0,22$ $112^\circ / 0,08$ $298^\circ / 0,81$ $253^\circ / 0,69$

Bảng 5: Hằng số điều hòa 4 sóng chính tại Hòn Dấu trích từ Lịch thủy triều Anh (NP 205).

Dữ liệu hiệu chỉnh theo mùa cho thấy mức hiệu chỉnh mực nước trung bình tháng 3 tại Hòn Dấu là $-0,1\text{ m}$. Hệ số suy giảm thiên văn $F$ và góc vị thiên văn $A$ vào ngày 12/3 đối với 4 sóng chính được xác định: sóng $M_2$ ($A=127^\circ, F=0,95$), sóng $S_2$ ($A=000^\circ, F=1,00$), sóng $K_1$ ($A=161^\circ, F=1,12$), sóng $O_1$ ($A=196^\circ, F=1,18$).

Chương 3. Tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Chương 3 triển khai quy trình tính toán mô phỏng trường dòng chảy bằng CFD Fluent - Ansys cho các phân đoạn luồng:

  • Xây dựng mô hình hình học 3D cho 10 đoạn luồng dựa trên bình đồ thực tế và số liệu độ sâu đo đạc.
  • Khởi tạo điều kiện biên đầu vào bám sát thực địa: áp dụng vận tốc dòng chảy $V_{dc}$ có tính đến hệ số hiệu chỉnh bảng thủy triều mới xây dựng ($k_{xd}$) cùng hai hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm $k_{lh}$ (hiệu chỉnh theo đặc tính luồng hàng hải) và $k_{dc}$ (hiệu chỉnh theo dòng chảy cục bộ).
  • Thiết lập mô hình rối phù hợp trong phần mềm Fluent - Ansys để giải hệ phương trình Navier-Stokes, tập trung tính toán mô phỏng trường vận tốc và hướng dòng chảy cho các đoạn xung yếu, đặc biệt là đoạn luồng số 8 (khu vực Lạch Huyện - Bạch Đằng - Hà Nam).
  • Kết xuất kết quả phân bố vận tốc véc-tơ theo các lát cắt thời gian theo từng giờ trong ngày.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Chương 4 thực hiện tổng hợp dữ liệu và xuất bản mẫu bản đồ dòng chảy:

  • Xử lý số liệu đo đạc trực tiếp ngoài thực địa kết hợp dữ liệu quan trắc mực nước thời gian thực từ trạm Lạch Huyện trong năm 2020.
  • So sánh, hiệu chỉnh kết quả mô phỏng số CFD với số liệu đo đạc thực tế để hoàn thiện độ tin cậy của mô hình tính toán.
  • Thiết kế định dạng mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng: bản đồ thể hiện rõ ràng hướng dòng chảy bằng các mũi tên véc-tơ và độ lớn vận tốc dòng chảy (tính bằng m/s hoặc hải lý/giờ - knots) được phân bố theo thang màu trực quan.
  • Xây dựng thử nghiệm trọn bộ tập bản đồ dòng chảy bao gồm 365 ngày cho tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, cho phép tra cứu trạng thái dòng triều liên tục theo từng giờ trong năm phục vụ hoa tiêu điều động dẫn tàu cập luồng và qua các khúc cua nguy hiểm.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý luận động lực học kênh hở ứng dụng cho luồng hàng hải: Thiết lập cơ sở khoa học và quy trình hoàn chỉnh ứng dụng công cụ CFD (Fluent - Ansys) để tính toán mô phỏng dòng triều trên tuyến luồng hàng hải ven biển có địa hình phức tạp.
  2. Phương pháp phân đoạn luồng tính toán: Đề xuất phương pháp luận phân chia một tuyến luồng hàng hải kéo dài thành 10 phân đoạn tính toán dựa trên sự tương đồng về điều kiện biên mặt thoáng, độ sâu, chiều rộng và tính chất dòng chảy.
  3. Mô hình xác định điều kiện biên hiệu chỉnh: Đưa ra phương pháp luận tính toán hệ số hiệu chỉnh bảng thủy triều mới xây dựng ($k_{xd}$) và xác định điều kiện biên vận tốc dòng chảy ($V_{dc}$) có tích hợp hai hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm $k_{lh}$ và $k_{dc}$, giúp giá trị mô phỏng bám sát thực tế thủy hải văn.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Mẫu bản đồ dòng chảy trực quan theo thời gian thực: Xây dựng thử nghiệm thành công dạng mẫu bản đồ dòng chảy cho tuyến luồng hàng hải Hải Phòng trong 365 ngày, thể hiện chi tiết hướng và tốc độ dòng chảy theo từng giờ.
  2. Nâng cao an toàn điều động tàu: Cung cấp công cụ hỗ trợ hoa tiêu và thuyền trưởng quan sát liên tục trường dòng triều tại các khu vực xung yếu có nguy cơ tai nạn cao (như các đoạn luồng số 3, 5, 8, 9), giảm thiểu sự phụ thuộc vào các phép tính nội suy thủy triều thủ công kém chính xác.
  3. Cơ sở tích hợp hải đồ điện tử: Tạo tiền đề về cấu trúc dữ liệu trường dòng chảy để tích hợp trực tiếp vào hệ thống hải đồ điện tử (ENC) của các đơn vị bảo đảm an toàn hàng hải trong tương lai.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc và các cơ quan quản lý chuyên ngành tiếp tục hoàn thiện cơ sở hạ tầng các trạm quan trắc mực nước tự động (khôi phục hoạt động ổn định của trạm Arroyo và trạm Sông Cấm).
  • Mở rộng quy trình tính toán mô phỏng và xây dựng bản đồ dòng chảy cho các tuyến luồng hàng hải trọng điểm khác trên phạm vi toàn quốc.
  • Từng bước chuẩn hóa dữ liệu bản đồ dòng chảy để tích hợp thành lớp dữ liệu động trên hải đồ điện tử phục vụ công tác điều phối giao thông tàu thuyền (VTS).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Mô hình tính toán của luận án chỉ tập trung vào dòng triều thuần túy, chưa tích hợp đồng thời các yếu tố khí tượng biến đổi bất thường và cục bộ như lũ lớn từ thượng lưu, sóng biển, gió bão mạnh, mưa lớn đột biến hoặc sự thay đổi địa hình đáy luồng do sa bồi tức thời sau các trận thiên tai.
  • Chuỗi số liệu đo đạc quan trắc tại một số trạm bị gián đoạn do sự cố kỹ thuật và tai nạn hàng hải (trạm Arroyo ngừng hoạt động từ tháng 5/2018, trạm Sông Cấm bị gián đoạn dữ liệu từ sau ngày 24/10/2019), dẫn đến việc thử nghiệm bản đồ 365 ngày chủ yếu dựa trên chuỗi dữ liệu hoàn chỉnh của trạm Lạch Huyện năm 2020.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tích hợp mô hình dòng chảy tổng hợp có xét đến tương tác đồng thời giữa dòng triều, dòng chảy do gió và dòng chảy xả lũ mùa mưa.
  • Phát triển phần mềm tự động hóa liên kết giữa mô hình CFD và hệ thống hiển thị thông tin hải đồ điện tử (ECDIS) để cập nhật dữ liệu dòng chảy trực tuyến.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Hoa tiêu hàng hải và Thuyền trưởng: Tham khảo trực tiếp bản đồ dòng chảy để lập kế hoạch dẫn tàu, lựa chọn thời điểm quay trở, cập cầu và điều động tránh vượt an toàn qua các khúc cua gấp tại luồng Hải Phòng.
  • Cơ quan quản lý hàng hải (Cảng vụ Hàng hải, Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải): Sử dụng phương pháp phân đoạn luồng và cơ sở dữ liệu dòng triều để tối ưu hóa công tác điều tiết giao thông hàng hải, quy hoạch vị trí phao tiêu báo hiệu và ga tránh tàu.
  • Nghiên cứu sinh, Giảng viên và Học viên chuyên ngành: Các chương trình đào tạo về Điều khiển tàu biển, Khai thác cầu cảng, Hải dương học ứng dụng và Cơ học thủy khí có thể khai thác phương pháp luận kết hợp giữa giải tích điều hòa thủy triều (NP.159) và mô phỏng số CFD Fluent - Ansys làm tài liệu nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến luồng hàng hải Hải Phòng được phân chia thành bao nhiêu đoạn luồng để phục vụ tính toán mô phỏng và có những khu vực nào tiềm ẩn nguy cơ tai nạn cao?

Tuyến luồng Hải Phòng được phân chia thành 10 phân đoạn tính toán dựa trên điều kiện biên hình học và thủy lực (từ km 44+400 tại cảng chính đến km 14+000 tại phao số 0). Trong đó, có 4 khu vực tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao gồm:

  • Đoạn 3 (km 40+200 đến km 38+800): Vùng giao nhau giữa sông Cấm và sông Ruột Lợn (luồng hẹp, nhiều bãi bồi, mật độ tàu nhỏ cắt ngang cao).
  • Đoạn 5 (km 33+800 đến km 30+200): Vùng giao nhau giữa sông Cấm và sông Bạch Đằng (dòng chảy mạnh từ 2 đến gần 3 knots, triều dâng có xu hướng đẩy bạt tàu về phía Thủy Nguyên).
  • Đoạn 8 (km 24+600 đến km 20+200): Vùng Bạch Đằng - Lạch Huyện - Nam Triệu - Kênh Hà Nam (dòng chảy xiết, nhiều phương tiện cắt ngang vào kênh Cái Tráp).
  • Đoạn 9 (km 20+200 đến km 15+800): Vùng giao kênh Hà Nam, kênh Cái Tráp và luồng Quảng Ninh (dòng chảy gần 3 knots, mật độ tàu biển trọng tải lớn đan xen phương tiện thủy nội địa dày đặc).

2. Chế độ thủy triều tại khu vực Hải Phòng (Hòn Dấu) có đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?

Khu vực Hòn Dấu mang đặc trưng nhật triều thuần khiết điển hình nhất Việt Nam:

  • Trong một tháng có khoảng 25 ngày chỉ xuất hiện 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng trong ngày.
  • Biên độ dao động triều thuộc loại lớn nhất nước, trong thời kỳ triều cường dao động từ 3,0 m đến 4,0 m với tốc độ mực nước dâng/rút có thể đạt 0,5 m/giờ.
  • Trong thời kỳ nước kém (khoảng 1–3 ngày/tháng), tính chất nhật triều suy giảm, chuyển sang bán nhật triều với 2 lần nước lớn và 2 lần nước ròng trong ngày.

3. Dữ liệu thực nghiệm và quan trắc mực nước phục vụ đề tài được thu thập từ những trạm đo cụ thể nào?

Nguồn dữ liệu quan trắc mực nước tự động thời gian thực (tần suất 10 phút/lần) được thu thập từ 3 trạm đo chuyên dụng trên tuyến luồng Hải Phòng do Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc quản lý:

  • Trạm Arroyo: Lắp đặt tại trạm đèn Arroyo trên đoạn luồng Bạch Đằng (tọa độ: $20^\circ49'54''\text{N}; 106^\circ49'16''\text{E}$).
  • Trạm Lạch Huyện: Lắp đặt tại tiêu C chập tiêu CD trên đoạn luồng Lạch Huyện - Hà Nam (tọa độ: $20^\circ49'19''\text{N}; 106^\circ54'28''\text{E}$).
  • Trạm Sông Cấm: Lắp đặt tại đèn Tây Vàng Chấu trên đoạn luồng Sông Cấm (tọa độ: $20^\circ52'43''\text{N}; 106^\circ42'16''\text{E}$).

4. Tại sao việc sử dụng bảng thủy triều truyền thống lại bộc lộ hạn chế lớn trong công tác dẫn tàu trên luồng Hải Phòng?

Bảng thủy triều truyền thống (Việt Nam hoặc Anh) chỉ cung cấp thông tin rời rạc về thời gian và độ cao của các đỉnh nước lớn, chân nước ròng tại một vị trí địa lý cố định. Để biết thông tin tại các giờ khác, người dẫn tàu phải tính toán nội suy thủ công, làm giảm độ chính xác và hoàn toàn không thể hiện được hướng, vận tốc dòng chảy mang tính liên tục theo không gian và thời gian. Điều này gây khó khăn lớn cho hoa tiêu và thuyền trưởng khi điều động tàu tại các khúc cua gấp hoặc khi hai tàu tránh vượt nhau trong luồng hẹp một chiều.

5. Những hệ số hiệu chỉnh nào đã được tác giả đề xuất để xác định điều kiện biên vận tốc trong mô hình CFD?

Tác giả đề xuất phương pháp xác định điều kiện biên vận tốc dòng chảy ($V_{dc}$) thông qua hệ số hiệu chỉnh bảng thủy triều mới xây dựng ($k_{xd}$) kết hợp với hai hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm là:

  • Hệ số $k_{lh}$: Hiệu chỉnh theo đặc tính hình học và thủy lực riêng biệt của từng phân đoạn luồng hàng hải.
  • Hệ số $k_{dc}$: Hiệu chỉnh theo điều kiện dòng chảy và tương tác thủy văn cục bộ tại thực địa.

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán tính toán mô phỏng và xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy cho tuyến luồng hàng hải Hải Phòng trong 365 ngày bằng cách kết hợp giữa lý thuyết thủy khí động lực học kênh hở, phân tích điều hòa thủy triều và công cụ mô phỏng số CFD Fluent - Ansys với dữ liệu thực nghiệm thực địa. Công trình đã phân chia tuyến luồng thành 10 phân đoạn tính toán hợp lý, xác định rõ 4 khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải cao và đề xuất các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm ($k_{xd}, k_{lh}, k_{dc}$) nhằm tối ưu hóa độ chính xác của điều kiện biên. Kết quả nghiên cứu tạo ra dạng mẫu bản đồ dòng triều trực quan, liên tục theo từng giờ, đóng góp thiết thực cho công tác dẫn tàu an toàn của hoa tiêu, thuyền trưởng và cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ tích hợp hải đồ điện tử trong tương lai.