Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định đáy chạy tàu hợp lý trong trường hợp có bùn loãng tại một số luồng hàng hải ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về chạy tàu trong luồng có bùn loãng; Cơ sở lý thuyết, số liệu và phương pháp nghiên cứu xác định lớp bùn loãng và đáy chạy tàu trong môi trường bùn loãng; Điều kiện áp dụng chạy tàu trên bùn loãng, phân tích Fourier và mô hình hồi quy đa biến xác định quy luật sa bồi và chiều dày lớp bùn loãng; Ứng dụng kết quả nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định đáy chạy tàu hợp lý trong trường hợp có bùn loãng tại một số luồng hàng hải ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PT NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐÁY CHẠY TÀU HỢP LÝ TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ BÙN LOÃNG TẠI MỘT SỐ LUỒNG HÀNG HẢI Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THUỶ HÀ NỘI, NĂM 2020
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PT NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM ĐỀ TÀI LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐÁY CHẠY TÀU HỢP LÝ TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ BÙN LOÃNG TẠI MỘT SỐ LUỒNG HÀNG HẢI Ở VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THUỶ MÃ SỐ: 09-58-02-02 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU SINH Cán bộ hướng dẫn 1 GS. TSKH Nguyễn Ngọc Huệ Nguyễn Anh Tuấn Cán bộ hướng dẫn 2 PGS. TS Nguyễn Khắc Nghĩa Hà Nội, 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng đƣợc bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn
ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã đào tạo, hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Chân thành cảm ơn Cục Hàng hải Việt Nam và gia đình đã tạo điều kiện về thời gian và cơ hội tiếp cận, sử dụng nhiều nguồn số liệu phục vụ cho quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hƣớng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Ngọc Huệ và PGS.TS. Nguyễn Khắc Nghĩa đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng giúp tác giả hoàn thành luận án này.
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẠY TÀU TRONG LUỒNG CÓ BÙN LOÃNG 6 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về bùn loãng 7 1.1.1. Các vấn đề nghiên cứu 8 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 8 1.2. Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới 13 1.2.1. Nghiên cứu về bùn loãng 13 1.2.2. Nghiên cứu về đáy chạy tầu và độ sâu chạy tầu 18 1.2.3. Nghiên cứu về tính khả thi của chạy tầu trên bùn loãng 21 1.2.4. Các ứng dụng xử lý lớp bùn loãng 23 1.3. Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 27 1.3.1. Kết quả nghiên cứu ứng dụng tại luồng Nam Triệu, Hải Phòng 27 1.3.2. Kết quả nghiên cứu tại luồng Soài Rạp 28 1.3.3. Kết quả nghiên cứu tại luồng tầu nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 29 1.3.4. Kết quả nghiên cứu tại luồng Sông Hậu 30 1.4. Phân tích chung các vấn đề nghiên cứu ở Việt Nam 31 1.5. Định hƣớng nghiên cứu của luận án 32 Kết luận chƣơng 1 34 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LỚP BÙN LOÃNG VÀ ĐÁY CHẠY TẦU TRONG LUỒNG CÓ BÙN LOÃNG 36 2.1. Cơ sở lý thuyết của các vấn đề nghiên cứu 36 2.1.1. Cơ sở lý thuyết về chuyển động bùn dƣới tác động của các yếu tố 36 động lực cửa sông ven biển 2.1.2. Cơ sở lý thuyết về phép phân tích Fourier 46 2.1.3. Cơ sở lý thuyết mô hình hồi quy đa biến 48 2.2. Cơ sở số liệu phục vụ cho nghiên cứu 50 2.2.1. Số liệu địa hình 50 2.2.2. Số liệu thủy hải văn, bùn cát 54
iv 2.2.3. Ảnh viễn thám 55 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án 56 2.3.1. Phƣơng pháp khảo sát tại hiện trƣờng 56 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích Fourier 58 2.3.3. Phƣơng pháp phân tích mô hình hồi quy đa biến xây dựng tƣơng 60 quan giữa chiều dày lớp bùn loãng và một số yếu tố thủy hải văn, bùn cát Kết luận chƣơng 2 64 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KIỆN ÁP DỤNG CHẠY TẦU TRÊN BÙN LOÃNG, PHÂN TÍCH FOURIER VÀ MÔ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN XÁC ĐỊNH QUY LUẬT SA BỒI VÀ CHIỀU DÀY LỚP BÙN LOÃNG 65 3.1. Kết quả nghiên cứu về điều kiện sử dụng công nghệ chạy tầu trên bùn loãng tại các luồng tầu biển ở Việt Nam 65 3.1.1. Điều kiện khai thác, vận tải 65 3.1.2. Điều kiện tự nhiên 67 3.1.3. Thực tế bùn loãng và cao trình đáy luồng tại một số luồng hàng hải 78 3.2. Xây dựng phƣơng trình xác định chiều dày lớp bùn loãng bằng mô hình hồi quy đa biến 81 3.2.1. Xác định các tham số đầu vào 81 3.2.2. Tính toán xây dựng công thức đặc trƣng xác định chiều dày lớp bùn loãng bằng mô hình hồi quy đa biến 90 3.3. Xây dựng mô hình tính toán biến động sa bồi luồng tầu theo tháng 99 3.3.1. Dữ liệu đầu vào 100 3.3.2. Chƣơng trình tự động hóa tính toán 100 3.3.3. Quy trình tính toán 102 3.3.4. Kết quả xây dựng hàm chiều dày sa bồi theo tháng cho luồng 102 Bạch Đằng Kết luận chƣơng 3 107 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 109 4.1. Ứng dụng công thức đặc trƣng tính toán độ dày lớp bùn loãng xác định đáy chạy tầu và đáy nạo vét hợp lý trong trƣờng hợp có bùn loãng luồng Soài Rạp – Hiệp Phƣớc 109 4.1.1. Tính toán thử nghiệm dự báo chiều dày lớp bùn loãng 109 4.1.2. Xác định đáy chạy tầu và thiết kế đáy nạo vét 117 4.2. Xác định thời điểm nạo vét hợp lý theo tiêu chí về hiệu quả khai
v thác luồng Bạch Đằng. 119 Kết luận chƣơng 4 123 KẾT LUẬN 124 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 PHỤ LỤC
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Băng đo sâu ở các tần số 210 kHz và 33 kHz …………………….. 7 Hình 1.2. Kết quả mô phỏng tƣơng tác sóng và bùn loãng …………..……........ 12 Hình 1.3. Tính chất lƣu biến của bùn loãng ………………..……………....... 16 Hình 1.4. Độ sâu luồng đƣợc đo bằng thiết bị hồi âm đa tần (h.vẽ minh họa). 19 Hình 1.5. Cảng Savannah và vùng lân cận, bẫy bùn cát và cửa ngăn triều …. 26 Hình 1.6. Giải pháp công trình cửa sông Tapi: (a) phƣơng án kết hợp đê chìm hƣớng dòng dọc tuyến luồng; (b) phƣơng án đào bẫy bùn tại vũng quay 27 tầu Hình 1.7. Vị trí lấy mẫu bùn cát loãng trên tuyến luồng Soài Rạp .................. 29 Hình 1.8. Luồng tầu nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 ………………….…. 30 Hình 2.1. Sơ đồ biến động của lớp bùn loãng ..……………………………... 37 Hình 2.2. Biểu đồ mô tả khởi động và bứt phá của bùn loãng ……………… 38 Vw  Vbe Hình 2.3. Biểu đồ quan hệ S  …………………………………… gh 40 Hình 2.4. Phân bố nồng độ khi sự kết bông đƣợc lựa chọn ..………………... 42 Hình 2.5. Tính toán tốc độ chìm lắng khi bị cản trở ………………………… 43 Hình 2.6. Các quá trình trong vận chuyển bùn ….…………………………... 44 Hình 2.7. Kỹ thuật đo sâu hồi âm (hình vẽ minh họa) ………………………. 57 Hình 2.8. Sơ đồ quá trình phân tích Fourier ……... .………………………... 59 Hình 2.9. Lƣợc đồ quy trình thiết lập phƣơng trình dự báo ............................. 62 Hình 3.1. Cao độ đáy luồng tại các tần số 33kHz và 200kHz – Đoạn luồng Lạch Huyện …..……………………………………….………………. 79 Hình 3.2. Cao độ đáy luồng tại các tần số 33kHz và 200kHz – Đoạn luồng Soài Rạp ……………………………………………………….………. 79 Hình 3.3. Cao độ đáy luồng tại các tần số 33kHz và 200kHz – Đoạn luồng Quan Chánh Bố ………………………………………………………... 80 Hình 3.4. Cao độ đáy luồng tại các tần số 33kHz và 200kHz – Đoạn luồng Vũng Tầu Thị Vải ……………………………………………...……… 80
vii Hình 3.5. Bản đồ phân bố bùn lỏng toàn tuyến 2018………………………… 83 Hình 3.6. Bản đồ phân bố bùn lỏng (mặt cắt 30-42) năm 2016-2017………... 84 Hình 3.7. Bản đồ phân bố bùn lỏng (mặt cắt 30-42) năm 2018……….……... 84 Hình 3.8. Lựa chọn khu vực lựa chọn tính toán ..……………………………. 88 Hình 3.9. Xây dựng mô hình khu vực tính toán (a) địa hình lòng dẫn; (b) lƣới tính; (c) điều kiện biên .................................................................... 88 Hình 3.10. Kiểm định mực nƣớc, theo mực nƣớc theo số liệu thực đo …….. 89 Hình 3.11. Kiểm định vận tốc dòng chảy …………………………………... 89 Hình 3.12. Kiểm định hƣớng dòng chảy …..…...………………………….... 90 Hình 3.13. Đồng bộ dữ liệu trên cùng một hệ thống lƣới trực giao ..……...… 91 Hình 3.14. Sơ đồ quá trình định dạng đồng bộ dữ liệu ……………………… 92 Hình 3.15. Sơ đồ tính toán xây dựng hàm hồi quy đa biến ………………… 93 Hình 3.16. Sơ đồ rút gọn quy trình tính toán hồi quy đa biến ……………… 95 Hình 3.17. Scatter plot giữa giá trị thu đƣợc từ phƣơng trình hồi quy và giá trị quan trắc thực sử dụng 3 nhân tố dự báo…………………………… 98 Hình 3.18. So sánh kết quả tính toán độ dày lớp bùn loãng bằng các hàm hồi quy 5 biến, 3 biến và 1 biến, luồng Soài Rạp 99 Hình 3.19. Sơ đồ thuật toán mô hình tính toán sa bồi tháng (SBThang) …… 100 Hình 3.20. Sơ đồ giản lƣợc quá trình tính toán ……………………………… 101 Hình 3.21. Biểu đồ độ dày sa bồi trung bình luồng Bạch Đằng……………... 102 Hình 3.22. So sánh kết quả dự báo sa bồi luồng Bạch Đằng với chuỗi trung bình tháng sử dụng các công thức BĐ1-BĐ3 và hàm hồi quy bậc 2 …...…… 105 Hình 3.23. Hình 3.20. So sánh lựa chọn các công thức theo hệ số tƣơng 105 quan R2……...……………………………………………………………… Hình 4.1. Đoạn luồng lựa chọn tính toán thử nghiệm (Phao 49 đến phao 58 Luồng Soài Rạp) ……………………………………………………………. 109 Hình 4.2. Trƣờng vận tốc tính toán trung bình năm (từ P49 đến P58) ……... 110 Hình 4.3. Trƣờng hệ số kéo tính toán ……………………………....………. 110 Hình 4.4. Trƣờng SPM (độ đục) trung bình đƣợc tính toán từ ảnh Landsat8... 111 Hình 4.5. Phân bố độ dày trung bình lớp bùn loãng ………………………… 111
viii Hình 4.6. Độ dày lớp bùn loãng đoạn từ P54 đến đoạn P56 ………………… 112 Hình 4.7. Độ dày lớp bùn loãng cho đoạn luồng từ phao 49 đến phao 54…… 112 Hình 4.8. Sơ đồ mật cắt dọc tuyến nghiên cứu thử nghiệm gồm 79 điểm …... 113 Hình 4.9. Biểu đồ tổng giá trị hcl khi tổ chức nạo vét vào các tháng khác nhau luồng Bạch Đằng …………………...………………………………….. 122
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Nguyên nhân hình thành bùn loãng ……………………....……… 15 Bảng 1.2. Chỉ tiêu cơ lý của bùn ứng với từng loại bùn …...………………... 18 Bảng 1.3. Tiêu chí xác định độ sâu hành hải theo McAnally & cộng sự (2007) ............................................................................................................... 21 Bảng 1.4. Kết quả thí nghiệm xác định khối lƣợng riêng của bùn loãng theo độ sâu ở luồng Soài Rạp.................................................................................... 28 Bảng 2.1. Tổng hợp số liệu địa hình ………………………………………… 51 Bảng 2.2. Tổng hợp số liệu thủy hải văn, bùn cát………………………......... 54 Bảng 2.3. Các cảnh ảnh sử dụng tính toán độ đục tại luồng Soài Rạp ........... 55 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật và nhu cầu khai thác cho các cỡ tầu lớn hơn thiết kế tại một số luồng hàng hải chính .......................................................... 65 Bảng 3.2. Phân vùng địa mạo động lực học hình thái ven biển Việt Nam và điều kiện xuất hiện bùn loãng .......................................................................... 72 Bảng 3.3. Cao trình đáy luồng đo hồi âm ứng với tần số 33kHz và 200kHz .. 78 Bảng 3.4. Các tham số trong mô hình hồi quy đa biến ………..…………….. 81 Bảng 3.5. Bảng quy ƣớc các tham số trong mô hình hồi quy đa biến …...….. 91 Bảng 3.6. Kết quả chạy mô hình hồi quy đa biến (11.237 mẫu) ……………. 97 Bảng 3.7. Kết quả chạy chƣơng trình SBThang – luồng Bạch Đằng ………. 103 Bảng 3.8. Kết quả tính toán chiều dày sa bồi trung bình tháng tƣơng ứng với 104 các hàm BĐ1, BĐ2, BĐ3…………………………………………………….. Bảng 4.1. Thông số mặt cắt dọc tuyến ............................................................. 114 Bảng 4.2. Diễn biến độ dày bùn loãng dự báo theo các đoạn .......................... 116 Bảng 4.3. Tính toán chiều sâu chạy tầu yêu cầu (h) 118 Bảng 4.4. Bảng tính toán cao độ đáy nạo vét luồng 118 Bảng 4.5. Kết quả tính toán giá trị Hcl và Hhd theo công thức tốc độ sa bồi trung bình tại luồng Bạch Đằng ....................................................................... 121
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADCP: Thiết bị đo dòng chảy CĐĐCT: Cao độ đáy chạy tầu CPTu: (Cone Penetration Test) Thiết bị xuyên tĩnh điện tử DGPS: (Differential Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DHI: (Denish Hydraulic Institute) Viện Thủy lực Đan Mạch EPS: (Extracellular pollymeric substances) Chất polyme dính ngoại bào IAPH: (International Association of Ports and Harbors) Hiệp hội Cảng biển quốc tế IHO: (International Hydrographic Organization) Tổ chức Thủy văn quốc tế MAE: Sai số trung bình tuyệt đối MIKE21FM: (Mike 21 Flow Model) Mô hình dòng chảy mặt 2D Mike 21 MIKE21MT: (Mike 21 Mud Transport) Mô hình tính toán vận chuyển bùn cát MNCT: Mực nƣớc chạy tầu NDTI: (Normalized Difference Turbidity Index) Chỉ số khác biệt độ đục PIANC: (World Association for Waterborne Transport Infrastructure) Hiệp hội Hạ tầng Giao thông đƣờng thủy thế giới SONAR: Thiết bị lắp đặt triên tầu biển để định vị vật thể bằng sóng âm. SSC: (Suspended Sediment Concentration) Nồng độ trầm tích lơ lửng TOA: (Top of Atmosphere) Trên bầu khí quyển TOC: (Total organic carbon) Hàm lƣợng các bon hữu cơ USACE: (United States Army Corps of Engineers) Liên đoàn kỹ sƣ quân đội Hoa Kỳ
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống cảng biển Việt Nam được phân chia thành 06 nhóm cảng biển với 45 cảng biển đang hoạt động trong đó: 02 cảng biển loại IA (cảng cửa ngõ quốc tế); 12 cảng biển loại I (cảng tổng hợp đầu mối khu vực); 18 cảng biển loại II (cảng tổng hợp địa phương) và 13 cảng biển loại III (cảng dầu khí ngoài khơi). Hiện nay, tổng số bến cảng đang hoạt động là 286 bến cảng với khoảng 82,8 km dài cầu cảng, với tổng công suất trên 550 triệu tấn/năm. Về luồng hàng hải, hiện cả nước có 45 luồng hàng hải công cộng với tổng chiều dài là 1.105 km và 34 luồng hàng hải chuyên dùng, chiều dài 159,2km. Trừ số ít cảng nằm trong vịnh kín, hầu hết các cảng biển của Việt Nam đều được xây dựng trong sông hoặc các cửa sông, do đó hầu hết các tuyến luồng hàng hải đều gặp khó khăn trong việc duy trì độ sâu vì chịu ảnh hưởng của hiện tượng sa bồi do phù sa từ thượng nguồn các dòng sông cũng như các hiện tượng bão, lũ, thủy hải văn... Để duy trì chiều sâu hành hải trên các tuyến luồng, hàng năm Nhà nước phải tiến hành nạo vét duy tu với kinh phí lớn nhưng cũng chỉ có thể thực hiện nạo vét duy tu khoảng 15 - 20 tuyến luồng quan trọng với mức độ nạo vét hạn chế. Bên cạnh đó, các tuyến luồng sau khi nạo vét duy tu thường sa bồi trở lại khá nhanh, lớp sa bồi lại này phần lớn đều là lớp phù sa hạt mịn có nồng độ thấp (bùn loãng), thực chất vẫn có thể tận dụng để chạy tàu ở một mức độ nhất định. Trong thực tế khai thác trên nhiều tuyến luồng đã ghi nhận hiện tượng bùn loãng ở các mức độ khác nhau, nhiều khu vực hoa tiêu đã dựa trên kinh nghiệm để giảm chân hoa tiêu trong quá trình dẫn tàu lớn hành hải qua luồng. Tuy nhiên, việc giảm chân hoa tiêu vẫn dựa chủ yếu trên kinh nghiệm chưa có đầy đủ các cơ sở về khoa học kỹ thuật, pháp lý nên vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro. Bên cạnh đó, một yếu tố rất quan trọng để nâng cao hiệu quả nạo vét duy tu, hiệu quả khai thác luồng là xác định được chu kỳ nạo vét và thời điểm nạo vét thích hợp để đạt hiệu quả cao nhất về thời gian duy trì độ sâu chạy tàu, đặc biệt trong điều kiện hiện một số tuyến luồng tàu biển đang được khai thác với cỡ tàu lớn hơn so với
2 thiết kế ban đầu như ở một số tuyến luồng khu vực Sài Gòn - Vũng Tàu, Hải Phòng, Định An Cần Thơ... Tại các tuyến luồng đó, tàu lớn thường phải chuyển tải, giảm tải và đợi thủy triều, làm phát sinh chi phí, giảm hiệu quả khai thác. Việc tận dụng được một phần lớp bùn loãng mới hình thành ở đáy luồng để giảm độ sâu dự trữ dưới sống tàu, tăng cỡ tàu hoặc lượng hàng chuyên chở sẽ rất có ý nghĩa trong việc nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu. Vì các lý do trên, việc xem xét nghiên cứu xác định độ sâu đáy chạy tàu hợp lý trong trường hợp có bùn loãng, tăng thêm thời gian giữa các lần nạo vét hoặc giảm dự phòng sa bồi có ý nghĩa thực tiễn cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Làm rõ các cơ sở lý thuyết về việc sử dụng lớp bùn loãng chạy tàu; - Phân tích các đặc điểm cửa sông, đường bờ, điều kiện tự nhiên để đánh giá khả năng xuất hiện bùn loãng tại các luồng tàu ở Việt Nam; - Xây dựng phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng và đáy chạy tàu trong trường hợp có bùn loãng (bằng phương pháp phân tích thống kê, mô hình toán); - Xây dựng phương pháp tính toán sa bồi tháng và xác định thời điểm hợp lý nạo vét duy trì đáy chạy tàu dựa trên tiêu chí về hiệu quả khai thác. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: quy luật sa bồi và việc hình thành lớp bùn loãng trên một số tuyến luồng hàng hải ở Việt Nam. - Nghiên cứu chi tiết đối với một số luồng hàng hải đặc trưng cho khu vực Bắc Bộ và Nam Bộ: đoạn luồng Lạch Huyện, Nam Triệu (Hải Phòng), luồng Soài Rạp. 4. Cách tiếp cận và các phƣơng pháp nghiên cứu của luận án 4.1. Cách tiếp cận a) Sử dụng số liệu trong quá trình đo đạc khảo sát định kỳ, đột xuất và số liệu thu thập từ các công trình dự án liên quan để nghiên cứu phương pháp đánh giá quy luật sa bồi thực tế của luồng tàu;
3 b) Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước; tổng hợp, chỉnh lý số liệu liên quan về địa hình, thủy hải văn, số liệu đo đạc thông báo hàng hải và số liệu đo đạc bổ sung, kết hợp với các lý thuyết thống kê hồi quy, mô hình toán, phân tích viễn thám… để nghiên cứu phương pháp tính toán, dự báo chiều dày lớp bùn loãng; c) Từ kinh nghiệm và thực tiễn quản lý, khai thác, nạo vét duy tu các tuyến luồng hàng hải trong điều kiện cụ thể của Việt Nam, nghiên cứu đưa ra phương pháp đánh giá quy luật sa bồi các tháng trong năm, xây dựng tiêu chí xác định hiệu quả duy trì luồng tàu và thời điểm nạo vét duy tu để duy trì đáy chạy tàu hợp lý. 4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu tổng quan: phân tích, xử lý thông tin, tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan; - Phương pháp điều tra thực địa, khảo sát hiện trường, thống kê tổng hợp, xử lý các dữ liệu, số liệu thực đo; - Phương pháp nghiên cứu mô hình toán; phân tích ảnh viễn thám; - Phương pháp thống kê (hồi quy đa biến, phân tích Fourier) 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học Luận án tập trung nghiên cứu làm sáng tỏ và giải quyết những vấn đề sau: - Xác lập cơ sở khoa học và công nghệ để chọn tiêu chí xác định lớp bùn loãng có thể tận dụng chạy tàu, xác định đáy chạy tàu hợp lý; - Làm rõ một số nội dung khoa học về sa bồi tại các luồng tàu biển có bùn loãng, sử dụng công cụ và phương pháp, công nghệ hợp lý để xác định ở tuyến luồng cụ thể nào xuất hiện bùn loãng đủ điều kiện để nghiên cứu quyết định việc chạy tàu trên bùn loãng; - Xây dựng phương pháp tính toán tương quan độ dày bùn loãng với một số yếu tố thủy lực và bùn cát;
4 - Xây dựng phương pháp tính toán, đánh giá tốc độ sa bồi theo các thời điểm trong năm, xác định thời điểm nạo vét duy tu hợp lý dựa trên tiêu chí hiệu quả khai thác, duy trì luồng tàu và phương pháp phân tích số liệu thống kê. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để đánh giá việc chạy tàu trong trường hợp xuất hiện lớp bùn loãng nhằm gia tăng năng lực vận tải và nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu; - Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn đối với công tác quản lý Nhà nước, xây dựng các chương trình, kế hoạch nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu, xác định thời điểm nạo vét, chu kỳ nạo vét hợp lý. 6. Đóng góp mới của luận án - Đề xuất phương pháp đánh giá khả năng xuất hiện bùn loãng và ứng dụng chạy tàu trên luồng có bùn loãng của các tuyến luồng. Trên cơ sở phân tích các điều kiện tự nhiên và đặc điểm khai thác của các luồng hàng hải ở Việt Nam, xác định được một số tuyến luồng tàu biển có xuất hiện lớp bùn loãng có thể tận dụng chạy tàu. - Xây dựng phương pháp xác định độ dày sa bồi tháng dựa trên phân tích Fourier. - Xây dựng phương pháp và quy trình tính toán độ dày lớp bùn loãng theo các yếu tố thủy lực, bùn cát, ứng dụng cho việc xác định đáy chạy tàu hợp lý. - Xây dựng chỉ tiêu hiệu quả duy trì luồng tàu làm cơ sở xác định thời điểm nạo vét hợp lý. 7. Nội dung nghiên cứu của luận án - Tổng quan, đánh giá khả năng xuất hiện bùn loãng tại một số tuyến luồng hàng hải của Việt Nam. - Nghiên cứu quy luật sa bồi trong năm tại các luồng tàu biển Việt Nam bằng phương pháp thống kê kết hợp phương pháp phổ Fourier. Nghiên cứu xác định thời điểm nạo vét duy tu hợp lý theo tiêu chí hiệu quả khai thác luồng tàu.
5 - Nghiên cứu phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng sử dụng hàm hồi quy đa biến. 8. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án gồm Mở đầu, Kết luận, các Phụ lục tính toán và 04 chương nội dung chính gồm: - Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về chạy tàu trong luồng có bùn loãng. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết, số liệu và phương pháp nghiên cứu xác định lớp bùn loãng và đáy chạy tàu trong môi trường bùn loãng - Chương 3: Điều kiện áp dụng chạy tàu trên bùn loãng, phân tích Fourier và mô hình hồi quy đa biến xác định quy luật sa bồi và chiều dày lớp bùn loãng. - Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu.
6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẠY TÀU TRONG LUỒNG CÓ BÙN LOÃNG Do bồi lắng bùn cát, công việc nạo vét duy tu luồng lạch giao thông thủy phải tiến hành thường xuyên để đảm bảo các tàu thuyền hành hải an toàn thuận lợi. Trong trường hợp đáy luồng cứng như đá, sét hay cát, đáy luồng cũng được lấy là đáy chạy tàu. Trường hợp đáy là bùn loãng, biên giữa nước và đáy khó có thể xác định, thì các khái niệm “Đáy luồng” và “Độ sâu luồng” được thay thế bằng “Đáy chạy tàu” và “Chiều sâu chạy tàu”. Trong luận án này, các thuật ngữ “bùn loãng”, “đáy chạy tàu”, “độ sâu chạy tàu” được hiểu như sau: - Bùn loãng (Fluid Mud) Theo William và cộng sự, bùn loãng là thuật ngữ dùng để chỉ loại dung dịch gồm nước, bùn sét hạt mịn lơ lửng (đường kính nhỏ hơn 62,5 µm), với hàm lượng bùn sét cao trong trạng thái kết bông, chưa đủ nặng để lắng đọng xuống đáy [51], [52]. - Đáy chạy tàu (nautical bottom) Trong tài liệu “Hướng dẫn thiết kế luồng vào Cảng” (1997, 2014) [37], [38], PIANC (Hiệp hội hạ tầng giao thông đường thủy thế giới) đưa ra khái niệm về đáy chạy tàu như sau:“Đáy chạy tàu là cao trình mà các tính chất vật lý của đáy luồng đạt tới giá trị tới hạn mà khi nó tiếp xúc với sống tàu sẽ làm hư hỏng tàu hoặc gây ảnh hưởng bất lợi (không thể chấp nhận) đến việc kiểm soát và chạy tàu”. - Độ sâu chạy tàu (Nautical depth) Độ sâu luồng tàu dưới mực nước thiết kế bằng mớn nước đầy tải của tàu thiết kế (T) cộng với các độ sâu dự phòng khác (ΔT) được gọi là độ sâu chạy tàu, ký hiệu là H. Đối với luồng tàu có đáy cứng, độ dự phòng tối thiểu dưới sống tàu (minimum underkeel clearance - UKC) được tính toán để tránh va chạm với đáy địa hình khi tàu di chuyển. Trong các thành phần tạo thành ΔT, có z4 là độ dự phòng cho bồi lắng trở lại.
7 Trong trường hợp đáy luồng cứng, như đá, sét hay cát, chiều sâu chạy tàu có thể được xác định bằng máy đo sâu hồi âm (Echo-sound) có tần số 200 kHz. Trong trường hợp đáy luồng có lớp bùn loãng, với dung trọng nhỏ (1.050 – 1.300 kg/m3) và cường độ yếu (ứng suất tiếp nhỏ), đáy luồng và chiều sâu luồng sẽ không xác định được rõ ràng. Phương pháp đo sâu bằng thiết bị hồi âm sẽ có nhiều tín hiệu âm thanh với các tần số khác nhau có thể dẫn đến các giá trị độ sâu khác nhau. Thiết bị có sóng âm thanh tần số cao ứng với bề mặt lớp bùn, còn thiết bị có sóng âm thanh với tần số thấp (< 33kHz) lại xuyên qua lớp bùn loãng, phản xạ ở bề mặt bùn có mật độ cao hơn. Độ sâu chạy tàu lúc đó chỉ là khoảng cách từ mực nước chạy tàu đến cao trình đáy chạy tàu. Nhiều quốc gia lấy tiêu chuẩn đáy chạy tàu ở cao trình mà mật độ bùn loãng đạt giá trị khoảng 1.200kg/m3, do đó máy đo sâu có tần số 33 kHz thường được sử dụng như một trong các tiêu chí để xác định đáy chạy tàu. Hình 1.1. Băng đo sâu ở các tần số 210 kHz và 33kHz [24] 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về bùn loãng Về việc tận dụng lớp bùn loãng để chạy tàu, đã có những nghiên cứu từ những năm 80 của thế kỷ trước. Nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng phương thức chạy tàu này. Việt Nam cũng đã đề cập nội dung này khi giải quyết vấn đề của luồng vào cảng Hải Phòng vào các năm 1998÷2004. Đây là nội dung có tính thực tiễn và ứng dụng cao nhưng cũng khá phức tạp về khoa học, công nghệ, liên quan đến một loạt những vấn đề khó của cơ học lưu chất, lý thuyết về bùn cát, sa bồi, thủy hải văn, chỉnh trị cửa sông ven biển…
8 Trong phần này, luận án sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và các kết quả cơ bản của một số số công trình khoa học, dự án nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam đã đạt được, được thừa nhận và áp dụng trong thực tế. 1.1.1. Các vấn đề nghiên cứu Để đánh giá tính khả thi và sử dụng phương pháp chạy tàu trong luồng có bùn loãng, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau: (1) Các đặc trưng của bùn loãng và các tiêu chí để xác định bùn loãng trong thực tế; (2) Khái niệm về đáy chạy tàu và phương pháp xác định đáy chạy tàu trong luồng lạch có bùn loãng; (3) Nội hàm khoa học và phương pháp xác định độ sâu chạy tàu trong môi trường bùn loãng; (4) Tính khả thi chạy tàu trong môi trường bùn loãng; (5) Phương pháp xử lý bùn loãng. 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 1.1.2.1. Nghiên cứu hiện trƣờng và phân tích số liệu thực đo Trong nghiên cứu lớp bùn loãng ở tầng gần đáy, các phép đo tại hiện trường rất quan trọng vì các hỗn hợp bùn kết dính lơ lửng và lớp bùn đáy mềm cố kết dễ bị xáo trộn. Việc lấy mẫu, vận chuyển và công tác đo lường trong phòng thí nghiệm có thể ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý. Các phương pháp nghiên cứu thường được sử dụng bao gồm phương pháp đo đạc ngoài hiện trường, phương pháp thí nghiệm trong phòng và phương pháp mô hình hóa. Phương pháp đo đạc ngoài hiện trường thường sử dụng thiết bị đo đa tần. Phương pháp này sử dụng đồng thời các tần số khác nhau để tách các lớp vật chất bởi mỗi một tần số sẽ có khả năng xuyên qua các lớp vật chất với các đặc điểm cơ lý khác nhau. Hiện nay trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đo sâu hồi âm là kỹ thuật phổ biến nhất để xác định độ sâu hành hải cho tàu biển, độ sâu luồng tàu, khu nước, vũng quay tàu, bể cảng... Kỹ thuật đo sâu hồi âm (Echo sounding) sử dụng một Sonar chủ