Luận án Tiễn sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận phân tích quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiễn sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VIỆT NAM PHỤC VỤ KHAI THÁC HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VIỆT NAM PHỤC VỤ KHAI THÁC HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH Hà Nội - Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phân tích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Cương
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................................i MỤC LỤC ............................................................................................................................... ii DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. viii MỞ ĐẦU.................................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .............................................................................. 2 3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................ 2 4. Nội dung nghiên cứu của luận án ............................................................................. 3 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 4 7. Các luận điểm bảo vệ ................................................................................................. 4 8. Điểm mới của luận án ................................................................................................ 5 9. Cấu trúc của luận án ................................................................................................... 5 10. Cơ sở tài liệu ............................................................................................................. 6 11. Lời cảm ơn ................................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN ................................................ 7 1.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển..................................................................................... 7 1.1.1. Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm............................................... 7 1.1.2. Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm ......... 10 1.2. Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. ........................................................................... 13 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm tại Việt Nam ..................................... 15
iii 1.2.2. Các nghiên cứu về vận tốc âm tại Việt Nam được công bố trên các tạp chí chuyên ngành ................................................................................................................ 16 1.2.3. Các nghiên cứu về biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ................ 17 1.3. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 17 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN ..............................................................................................................19 2.1. Khái quát về thủy âm học...................................................................................19 2.1.1. Nguồn âm, năng lượng âm và đơn vị đo .......................................................19 2.1.2. Tần số âm và độ rộng băng tần.......................................................................23 2.1.3. Lan truyền sóng âm và các hiệu ứng vật lý của sóng âm.............................24 2.1.4. Hấp thụ, tán xạ và sự suy yếu sóng âm..........................................................26 2.2. Vận tốc sóng âm và các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển........................................................................................................... 27 2.2.1. Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển ..............................................27 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển ...27 2.2.3. Các công thức thực nghiệm xác định vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển .....................................................................................................................28 2.3. Các phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển ............35 2.3.1. Sử dụng các trị đo hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu) và áp dụng công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm, sai số xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển .....................................................................................................................35 2.3.2. Máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter)......................................36 2.3.3 Xác đinh vận tốc âm bằng bar check ..............................................................39 2.4. Quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển.............................39 2.4.1. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ mặn .......................................................40 2.4.2 Sự biến đổi của vận tốc âm theo nhiệt độ .......................................................40
iv 2.4.3. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ sâu.........................................................41 2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 42 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ÂM ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO THỦY ÂM, QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM TẠI VỊNH BẮC BỘ ..................................................................................................................... 44 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm .......................................... 44 3.1.1. Đo sâu đơn tia...................................................................................................44 3.1.2. Đo sâu đa tia và thủy âm quét sườn (side scan sonar)..................................47 3.1.3. Định vị thủy âm................................................................................................51 3.2. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong khảo sát bằng thiết bị thủy âm ..................... 53 3.2.1. Quy trình đo sâu đơn tia ..................................................................................53 3.2.2. Quy trình đo sâu đa tia.....................................................................................55 3.2.3. Quy trình đo thủy âm quét sườn (Side Scan Sonar - SSS) ..........................56 3.2.4. Quy trình định vị thủy âm ...............................................................................57 3.3. Các yêu cầu về độ chính xác khảo sát thủy âm .................................................. 59 3.3.1. Tiêu chuẩn về độ chính xác của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) cho công tác khảo sát đáy biển .........................................................................................59 3.3.2. Tiêu chuẩn về độ chính xác đo sâu của một số cơ quan thủy đạc quốc gia (Canada, New Zealand, Australia)............................................................................62 3.3.3. Các quy định kỹ thuật liên quan tới sử dụng máy đo sâu hồi âm tại Việt Nam..............................................................................................................................66 3.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm trong khu vực Vịnh Bắc Bộ..............................68 3.4.1. Khái quát chung về đặc điểm địa lý, tự nhiên biển khu vực Vịnh Bắc Bộ 68 3.4.2 Số liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ .................................................72 3.4.3. Quy luật biển đổi vận tốc âm theo vị trí địa lý ..............................................85 3.4.4. Thay đổi vận tốc âm theo phương cột nước (Water colum) và theo thời gian...............................................................................................................................98
v 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 100 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU VẬN TỐC ÂM KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ CHO CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM VÀ THỰC NGHIỆM CSDL .................................................... 101 4.1. Cơ sở dữ liệu vận tốc âm, đánh giá chất lượng số liệu .................................... 101 4.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ........................ 108 4.2.1. Dữ liệu nguồn................................................................................................ 108 4.2.2. Các đặc trưng kỹ thuật và chuẩn hóa cơ sở dữ liệu ................................... 109 4.2.3. Khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm ............................................................. 113 4.2.2. So sánh vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu và vận tốc âm thực tế ................... 115 4.3. Đánh giá kết quả và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm ............................ 121 4.3.1. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm theo văn bản pháp quy.............................. 121 4.3.2. Đề xuất hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm ..................................... 125 4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................................ 129 KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 130 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................... 132 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ............................................................. 133 PHỤ LỤC 1 Bình độ cơ sở dữ liệu vận tốc âm trung bình các tháng tại khu vực Vịnh Bắc Bộ ................................................................................................................ 138 PHỤ LỤC 2 Một phần số liệu cơ sở dữ liệu vận tốc âm sử dụng trong luận án .. 150 PHỤ LỤC 3 Một phần số liệu vận tốc âm thực tế đo được ................................... 153
vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Hệ số của công thức Del Grosso .................................................... 29 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tới xác định giá trị vận tốc âm 32 Bảng 2.3 Hệ số sử dụng trong công thức (2.21) ............................................. 33 Bảng 2.4 Mẫu số liệu vận tốc âm xác định bằng thiết bị SVP 15................... 38 Bảng 2.5 Nhiệt độ bề mặt trung bình 12 tháng của năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy, Quảng Ninh ........................................................................................... 40 Bảng 3.1 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-5s .......................................... 46 Bảng 3.2. Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-4s ......................................... 46 Bảng 3.3 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-3s .......................................... 47 Bảng 3.4. Các chuẩn cho khảo sát thủy đạc (Theo S-44 của IHO) ................ 59 Bảng 3.5. Các chuẩn cho thủy đạc của Cơ quan Thủy đạc Canada - CHS .... 62 Bảng 3.6. Độ chính xác đo sâu bằng hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia SBES (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) .................................................................. 64 Bảng 3.7. Khoảng cách giữa các tuyến đo đơn tia (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) ........................................................................................................... 64 Bảng 3.8. Tiêu chuẩn của Hiệp hội nhà thầu Hàng hải quốc tế (IMCA)........ 65 Bảng 3.9. Sai số độ sâu cho phép trong đo sâu phục vụ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ................................................................................................... 67 Bảng 3.10 Sai số trung phương đo sâu của điểm ghi chú độ sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000).................. 67 Bảng 3.11 Sai số trung phương độ sâu đường đẳng sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 10.000) ................................ 67 Bảng 3.12. Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí A ...................................................... 73 Bảng 3.13. Số liệu đo độ mặn tại vị trí A........................................................ 74 Bảng 3.14. Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí B....................................................... 74 Bảng 3.15. Số liệu đo độ mặn tại vị trí B ........................................................ 75
vii Bảng 3. 16 Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí C....................................................... 76 Bảng 3.17. Số liệu đo độ mặn tại vị trí C ........................................................ 76 Bảng 3.18. Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí A ............... 77 Bảng 3.19 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí B ................ 79 Bảng 3.20. Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 4 mùa tại vị trí C ................... 81 Bảng 4.1 So sánh số liệu WOD và số liệu GDEMV 3.0 phục vụ việc chuẩn hóa dữ liêu xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm ............................................ 105 Bảng 4. 2 các thành phần dữ liệu tương ứng vào các thực thể ..................... 111 Bảng 4. 3 khóa chính cho các giá trị ............................................................. 112 Bảng 4.4 Chênh lệch giữa vận tốc âm thực và vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu. ....................................................................................................................... 116 Bảng 4.5 Chênh lệch giữa độ sâu sử dụng vận tốc âm thực tế và cơ sở dữ liệu ....................................................................................................................... 117 Bảng 4. 6 So sánh và đánh giá độ tin cậy của số liệu vận tốc âm trên CSLD và số liệu vận tốc âm thực tế đối với tỷ lệ bản đồ 1:10.000. ............................. 118 Bảng 4.7. Độ chính xác tối thiểu của các thiết bị đo vẽ địa hình đáy biển ... 122
viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26]. .................... 10 Hình 1.2. Phân bố sự bốc hơi và lượng mưa từ vĩ độ 40o N đến 50o S trên biển, [26]. ........................................................................................................ 11 Hình 2.1. Độ rộng băng tần của bộ phát biến ................................................. 23 Hình 2.2. Độ phân giải của chiều dài xung ..................................................... 24 Hình 2.3. Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh...................................................... 25 Hình 2.4. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và tần số ........................ 26 Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý của máy đo vận tốc âm trực tiếp .......................... 37 Hình 2.6 Số liệu vận tốc âm đo được bằng thiết bị xác định vận tốc âm SVP 15....................38 Hình 2.7 Thông số thiết bị xác định vận tốc âm svp - 15 ............................... 39 Hình 2.8. Biểu đồ thay đổi vận tốc âm theo nhiệt độ và độ mặn tại z=0m [18] ......................................................................................................................... 40 Hình 2.9 Biểu đồ biến đổi nhiệt độ trung bình năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy ......................................................................................................................... 41 Hình 2.10. Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu. ............................................. 41 Hình 2.11. Mặt cắt nhiệt độ và độ mặn theo độ sâu của nước ........................ 42 Hình 3.1. Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia .................................................... 44 Hình 3.2. Ví dụ về hệ thống đo đa tia và ảnh hưởng của vận tốc âm tới tia đo [38] .................................................................................................................. 48 Hình 3.3. Hiện tượng khúc xạ của âm thanh khi qua các lớp nước khác nhau ......................................................................................................................... 48 Hình 3.4. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm không biến đổi theo các lớp nước ................................................................................................................. 49 Hình 3.5. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm biến đổi theo các lớp nước . 49 Hình 3.6. Thay đổi góc mở của hệ thống đa tia .............................................. 50
ix Hình 3.7. Hình trên là dữ liệu đo sâu đa tia khi không hiệu chỉnh, hình dưới là dữ liệu đo sâu đã hiệu chỉnh vận tốc âm ......................................................... 50 Hình 3.8. Đo góc tác động cơ học ................................................................... 51 Hình 3.9. Mối quan hệ hình học của nguồn âm và bộ phát biến .................... 52 Hình 3.10. Sơ đồ quy trình khảo sát đo sâu đơn tia [14]. ............................... 54 Hình 3.11. Ảnh hưởng của vận tốc âm bề mặt và qua các lớp nước có vận tốc âm khác nhau [28] ........................................................................................... 56 Hình 3.12. Quy trình khảo sát quét SSS [6] .................................................... 57 Hình 3.13. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các tia ngoài của quét bề mặt. ..... 57 Hình 3.14 Sơ đồ quy trình định vị thủy âm .................................................... 58 Hình 3.15. Sơ đồ kết nối thiết bị trong định vị thủy âm ................................. 58 Hình 3. 16 Sơ đồ các dòng hải lưu tháng 2 và tháng 8 hàng năm .................. 72 Hình 3.17. Vị trí các điểm quan trắc trên Vịnh Bắc bộ .................................. 73 Hình 3.18 Biểu đồ vận tốc âm trung bình tại vị trí A theo tháng ................... 78 Hình 3.19. Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí A) .......................... 79 Hình 3.20. Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí B................... 80 Hình 3.21. Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí B) .......................... 81 Hình 3.22. Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí C................... 82 Hình 3.23.Mặt cắt vận tốc âm tháng 3 và tháng 10 (vị trí C.) ........................ 83 Hình 3.24. Sơ đồ vị trí điểm quan trắc độ mặn tham khảo tại khu vực Biển Đông ................................................................................................................ 84 Hình 3.25. Sơ đồ vị trí điểm quan trắc nhiệt độ tham khảo tại khu vực Biển Đông ................................................................................................................ 85 Hình 3.26. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 17o45’ ..................................... 86 Hình 3.27. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18 ............................................ 86 Hình 3.28. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o15 ....................................... 87 Hình 3.29. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o30 ....................................... 87
x Hình 3.30. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o45 ....................................... 88 Hình 3.31. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19 ............................................ 88 Hình 3.32. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o15 ....................................... 89 Hình 3.33 Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o30 ........................................ 89 Hình 3.34. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o45 ....................................... 89 Hình 3.35. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20 ............................................ 90 Hình 3.36. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o15 ....................................... 90 Hình 3.37. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o30 ....................................... 90 Hình 3.38. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o45 ....................................... 91 Hình 3.39. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21 ............................................ 91 Hình 3.40. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21o15 ....................................... 91 Hình 3.41. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21o30 ....................................... 92 Hình 3.42. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 105o45 .................................. 92 Hình 3.43. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106 ....................................... 93 Hình 3.44. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o15 .................................. 93 Hình 3.45. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o30 .................................. 94 Hình 3.46. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o45 .................................. 94 Hình 3.47. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107 ....................................... 95 Hình 3.48. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o15 .................................. 95 Hình 3.49. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o30 .................................. 96 Hình 3.50. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o45 .................................. 96 Hình 3.51. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 108 ....................................... 97 Hình 3.52. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 108o15 .................................. 97 Hình 3.53. Sự thay đổi vận tốc âm theo độ sâu và theo thời gian ................ 100 Hình 4.1. Sơ đồ vị trí trạm quan trắc độ mặn và nhiệt độ cung cấp bởi WOD ....................................................................................................................... 102
xi Hình 4.2. Trang chủ của trang Cơ sở dữ liệu về hải dương vùng Viễn Đông Nga ................................................................................................................ 102 Hình 4.3. Sơ đồ các trạm đo độ mặn của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng . 103 Hình 4.4. Sơ đồ các trạm đo nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng 104 Hình 4.5. Lựa chọn tham khảo các giá trị độ mặn, nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga........................................................ 104 Hình 4.6. Ví dụ về tham khảo giá trị nhiệt độ tại độ sâu = 0 của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga tại khu vực Biển Đông tại Việt Nam ....................................................................................................................... 105 Hình 4.7. Chương trình khai thác dữ liệu vận tốc âm .................................. 109 Hình 4. 8 mối quan hệ giữa các thành phần trong dữ liệu. ........................... 112 Hình 4. 9 Lựa chọn vị trí trích xuất vận tốc âm ............................................ 113 Hình 4. 10 Giao diện cài đặt thông số trích xuất giá trị vận tốc âm ............. 115 Hình 4. 12 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong công tác khảo sát thủy âm 126 Hình 4. 13 Quy trình lấy mẫu trực tiếp tại khu vực khảo sát ........................ 127
xii GIẢI THÍCH TỪ VÀ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt International Hydrographic 1 IHO Organization Tổ chức thủy đạc quốc tế National Oceanic and Cơ quan quản lý đại dương và 2 NOAA Atmospheric Administration khí quyển quốc gia Hoa Kỳ. Mapping European Seabed Bản đồ đáy biển vi sinh vật 3 MESH Habitats châu Âu 4 EEZ Exclusive economic zone Vùng đặc quyền kinh tế 5 UXO Unexploded ordnance Vật chưa nổ Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường 6 GNSS System toàn cầu Differential Global 7 DGNSS Navigation Satellite System Định vị GNSS vi phân Conductivity, Temperature 8 CTD and Depth Điện dẫn, nhiệt độ, độ sâu 9 SVP Sound Velocity Profiler Mặt cắt vận tốc âm 10 2D 2 (Two)-Dimensional 2 chiều 11 3D 3 (Three)-Dimensional 3 chiều Bộ Tài Nguyên và Môi 12 BTNMT Trường. 13 XTF Extended Triton Format Định dạng file XTF Đồng bộ tín hiệu một xung 14 1PPS One Pulse Per Second trên một giây 15 1 PPT One Part Per Thousand Đơn vị một phần nghìn Geographic Information 16 GIS System Hệ thống thông tin địa lý 17 SIS Seafloor Information System Hệ thống thông tin đáy biển
xiii 18 CSV Comma-Separated Values Định dạng tệp dùng dấu phẩy 19 RMSE Root Mean Squares Error Sai số trung phương 20 THU Total Horizontal Uncertainty Tổng mức tin cậy mặt phẳng 21 TVU Total Vertical Uncertainty Tổng mức tin cậy độ cao The International Marine Hiệp hội nhà thầu Hàng hải 22 IMCA Contractors Association quốc tế Generalized Digital Mô hình số môi trường tổng 23 GDEMV 3.0 Environmental Model quát phiên bản 3.0 Cơ sở dữ liệu hải dương quốc 24 WOD Worl Ocean Database tế 25 CSDL Cơ sở dữ liệu
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một quốc gia có thủy hệ phong phú với đường bờ biển trải dài từ Móng Cái đến Hà Tiên, tổng chiều dài bờ biển khoảng 3,260 km nằm về phía tây Biển Đông [33]. Dọc bờ biển cứ khoảng 23 km có một cửa sông, có thủy hệ phong phú nên công tác thành lập bản đồ chuyên đề, bản đồ địa hình đáy biển và thi công công trình ngầm dưới nước bằng thiết bị thủy âm được khai thác và sử dụng phổ biến với độ chính xác cao, đảm bảo tiến độ và chất lượng kỹ thuật. Trong thi công bằng các thiết bị thủy âm có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo, do đó cần phải tính hiệu chỉnh nhằm hạn chế ảnh hưởng của các sai số này. Các nguồn sai số như đã nêu ở trên bao gồm ảnh hưởng của thiết bị định vị GNSS, thiết bị cải chính chuyển động, công tác lắp đặt các thiết bị đo đạc, xác định vận tốc âm trong môi trường nước v.v... Xác định chính xác vận tốc âm lan truyền trong môi trường nước tại khu đo và tại thời điểm đo là rất quan trọng, cần xác định được vận tốc âm tại khu đo để đảm bảo độ chính xác kết quả đo và khi đó sai số xác định vận tốc âm ảnh hưởng tới kết quả đo sâu tăng dần khi độ sâu tăng. Để làm được điều này ta cần nghiên cứu và phân tích đặc tính biến đổi vận tốc âm tại từng khu vực đặc trưng, từ đấy đưa ra đề xuất và kiến nghị phương pháp xác định vận tốc âm hợp lý với từng khu vực. Nghiên cứu về sóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước lần đầu tiên được Isaac Newton đưa ra trong “Book II, Prop. XLV of Principia (1687)” sau đó lần lượt được phát triển, đi sâu nghiên cứu bởi các nhà khoa học khác. Đến thời điểm hiện tại các vấn đề về sóng âm, vận tốc âm trong môi trường nước ở nước ngoài đã được nghiên cứu và phân tích khá toàn diện. Ở Việt Nam cũng có nhiều nghiên cứu về vật lý biển, địa chất biển, địa vật lý thềm lục địa nhưng nghiên cứu sóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước biển để khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Vấn đề vận tốc âm trong môi trường nước biển chỉ được nghiên cứu thông
2 qua việc quan trắc các tham số đại diện như nhiệt độ, độ sâu (áp suất), độ mặn. Các nghiên cứu đã có là nghiên cứu chung trên vùng rộng, chưa phản ánh được sự biến đổi chi tiết của vận tốc âm. Với mục đích đi sâu vào việc nghiên cứu vận tốc âm trong môi trường nước biển tác giả muốn nghiên cứu phân tích quy luật, sự ảnh hưởng của vận tốc âm tại các vùng biển đặc trưng của Việt Nam, cụ thể là khu vực Vịnh Bắc Bộ. Phân tích đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm theo độ sâu, khu vực, theo thời gian để đưa ra được sự biến đổi của vận tốc âm theo từng yếu tố ảnh hưởng. Từ các số liệu thực nghiệm, các kết quả phân tích, tác giả đã tiến hành nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm, đưa ra quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ. Khi thi công sử dụng CSDL vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ với mục đích giảm số lần lấy mẫu trực tiếp ngoài thực địa vẫn đảm bảo yêu cầu độ chính xác khi thi công, khảo sát đối với các tỷ lệ bản đồ bằng thiết bị thủy âm trong công tác đo đạc thủy âm tại khu vực. Chính vì những lý do trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận phân tích, xác định đặc điểm, quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm. 3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài a. Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Các cơ sở dữ liệu về nhiệt độ, độ mặn độ sâu, vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ theo các trường thời gian, không gian. b. Phạm vi nghiên cứu: Sự biến đổi các yếu tố nhiệt độ, độ mặn, độ sâu của khu vực Vịnh Bắc Bộ
3 nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố này tới vận tốc âm. Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm thông dụng. 4. Nội dung nghiên cứu của luận án Thu thập số liệu về nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mặt cắt âm đã có ở khu vực nghiên cứu là vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Phân tích các nguồn dữ liệu thu được, đề xuất bổ sung ở một số vùng còn khuyết số liệu vận tốc âm. Nghiên cứu phân tích đặc tính vận tốc âm phân bố theo vùng, theo độ sâu và thay đổi theo thời gian tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định vận tốc âm trung bình theo độ sâu, vận tốc âm đại diện theo vùng và đánh giá ảnh hưởng của sai số xác định vận tốc âm đến kết quả đo bằng thiết bị thủy âm. Trên cơ sở những quy định hiện hành, sự biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuất quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm tại khu vực nghiên cứu. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích số liệu: Phân tích số liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ theo thời gian, theo độ sâu. Phân tích đánh giá sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định được các quy luật biến đổi của vận tốc âm trong khu vực và đưa ra quy trình xác định vận tốc âm theo các yêu cầu khảo sát cụ thể. Phương pháp cơ sở dữ liệu: Xây dựng được cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, trích xuất giá trị vận tốc âm tại các thời điểm trên cơ sở dữ liệu và đánh giá với số liệu đo đạc thực tế đưa ra các đề xuất cho công tác xác định vận tốc âm phục vụ khảo sát. Phương pháp thực nghiệm: Tính toán số liệu thực nghiệm của cơ sở dữ liệu vận tốc âm và tính toán hiệu chỉnh vận tốc âm vào dữ liệu đo sâu đưa ra kết quả độ sâu theo cơ sở dữ liệu, độ sâu theo vận tốc âm thực tế. Đưa ra các nhận xét về các kết quả. Phương pháp so sánh: Sau khi xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm, số liệu đã được tính toán, so sánh với kết quả độ sâu sử dụng vận tốc âm theo cơ sở dữ liệu và
4 vận tốc âm đo thực tế. Đánh giá sự thay đổi của việc sử dụng cơ sở dữ liệu và số liệu thực tế. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở lý thuyết, các quy luật phân bố vận tốc âm theo không gian và thời gian trong môi trường nước để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thay đổi vận tốc âm đến độ chính xác đo đạc bằng thiết bị thủy âm, xác lập được mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiện và quy luật biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuất phương pháp xác định vận tốc âm phù hợp bảo đảm khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. Đưa ra các kiến nghị, phương pháp xác định vận tốc âm, xác định vận tốc âm trung bình trong môi trường nước biển tại điều kiện khảo sát tương ứng. Xây dựng được cơ sở dữ liệu về vận tốc âm theo các dữ liệu đã có. Xây dựng cơ sở dữ liệu phân bố vận tốc âm trong môi trường nước biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, xây dựng chương trình khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm, tính toán các các giá trị vận tốc âm tại các vị trí yêu cầu dựa trên cơ sở dữ liệu đã được xây dựng. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu đưa ra phương pháp hạn chế các ảnh hưởng của vận tốc âm trong môi trường nước biển đến kết quả đo. Đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm phù hợp từng khu vực khảo sát, từng tỷ lệ bản đồ khảo sát. Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho các trường hợp khảo sát, tỷ lệ bản đồ cụ thể tại khu vực Vịnh Bắc Bộ. 7. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Vịnh Bắc Bộ là vùng nước có độ sâu nhỏ, có nhiều cửa sông do đó sự biến đổi nhiệt độ và độ mặn là các nhân tố ảnh hưởng đến quy luật biến đổi vận tốc âm theo không gian và thời gian. Đặc điểm đó đã ảnh hưởng tới sự biến thiên vận tốc âm trong môi trường nước theo thời gian các tháng trong một năm lên tới 27.2 m/s.
5 Luận điểm 2: Quy trình lẫy mẫu vận tốc âm được đề xuất trong luận án căn cứ trên kết quả phân tích sự thay đổi nhiệt độ, độ mặn Vịnh Bắc Bộ, các đánh giá quy trình lấy mẫu vận tốc âm hiện hành, phân tích ưu điểm nhược điểm của quy trình. Từ quy luật biến đổi vận tốc âm, các nhược điểm của quy trình lấy mẫu vận tốc âm hiện nay đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm mới phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. Luận điểm 3: Quy trình lấy mẫu vận tốc âm đề xuất, cùng cơ sở dữ liệu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ đã xây dựng đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác khi ứng dụng các thiết bị thủy âm trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. 8. Điểm mới của luận án - Vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ có quy luật biến đổi phức tạp. Luận án đã đưa ra phân tích, đánh giá trực quan sự biến đổi vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ theo vị trí, không gian và thời gian nhằm mục đích khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. - Sử dụng cơ sở dữ liệu hải dương toàn cầu (WOD) và cơ sở dữ liệu hải dương của đơn vị Hải dương vùng Viễn đông của Nga để xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho khu vực Vịnh Bắc Bộ. Độ chính xác của cơ sở dữ liệu này được đánh giá dựa trên các kết quả đo thực tế. - Cơ sở dữ liệu vận tốc âm được xây dựng là kết quả mới ứng dụng trong khảo sát đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. 9. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án bao gồm các phần như sau: Gồm 3 phần chính: (1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án. (2) Phần nội dung gồm 4 chương: