Nghiên cứu xác định đáy chạy tàu hợp lý trong trường hợp có bùn loãng tại một số luồng hàng hải ở việt nam tt

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐÁY CHẠY TÀU HỢP LÝ TRONG TRƯỜNG HỢP CĨ BÙN LỖNG TẠI MỘT SỐ LUỒNG HÀNG HẢI Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 9-58-02-02 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội, năm 2020 Cơng trình hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: GS TSKH Nguyễn Ngọc Huệ Hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Khắc Nghĩa Phản biện 1: TS Trần Văn Sung Phản biện 2: PGS.TS Trần Thanh Tùng Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Viết Thanh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nước có 45 luồng hàng hải cơng cộng 34 luồng hàng hải chuyên dùng với tổng chiều dài khoảng 1200 km Hầu hết tuyến luồng tầu bị sa bồi, để trì độ sâu hành hải, hàng năm phải tiến hành nạo vét tu với kinh phí lớn Trong thực tế khai thác nhiều tuyến luồng ghi nhận tượng bùn loãng mức độ khác nhiều khu vực hoa tiêu dựa kinh nghiệm để giảm chân hoa tiêu trình dẫn tầu lớn hành hải qua luồng Tuy nhiên việc dựa chủ yếu kinh nghiệm đánh giá chủ quan chưa có đầy đủ sở khoa học nên tiềm ẩn nhiều rủi ro Bên cạnh đó, số tuyến luồng quan trọng tầu lớn thường phải giảm tải đợi thủy triều làm phát sinh chi phí, giảm hiệu khai thác Việc tận dụng phần lớp bùn loãng để giảm độ sâu dự trữ sống tầu, tăng cỡ tầu lượng hàng chuyên chở có ý nghĩa việc nâng cao hiệu khai thác luồng tầu Vì lý trên, đề tài nghiên cứu vấn đề bùn loãng tận dụng bùn loãng để chạy tầu (độ sâu đáy chạy tầu hợp lý trường hợp có bùn lỗng) nội dung có tính cấp thiết ý nghĩa thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu luận án - Làm rõ sở lý thuyết việc sử dụng bùn loãng chạy tầu; - Tổng hợp, phân tích đặc trưng điều kiện tự nhiên vùng cửa sông, ven bờ nhằm đánh giá khả xuất bùn loãng luồng tầu Việt Nam; - Xây dựng phương pháp xác định lớp bùn loãng đáy chạy tàu trường hợp có bùn lỗng 2 - Xây dựng phương pháp tính tốn sa bồi tháng xác định thời điểm hợp lý nạo vét dựa tiêu chí hiệu khai thác Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án: Nghiên cứu quy luật sa bồi việc hình thành lớp bùn lỗng số tuyến luồng hàng hải Việt Nam, cụ thể tính tốn với số luồng hàng hải đặc trưng cho khu vực Bắc Bộ Nam Bộ Phương pháp nghiên cứu luận án Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu tổng hợp, phân tích: phân tích, xử lý thơng tin, tài liệu, cơng trình nghiên cứu có liên quan; - Phương pháp điều tra thực địa, khảo sát trường, xử lý phân tích số liệu thực đo; - Phương pháp nghiên cứu mơ hình tốn; phân tích ảnh viễn thám; - Phương pháp phân tích thống kê thống kê (hồi quy đa biến, phân tích Fourier) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học - Xác lập sở khoa học cơng nghệ để chọn tiêu chí xác định lớp bùn lỗng tận dụng chạy tầu, đáy chạy tầu hợp lý; - Làm rõ số nội dung khoa học sa bồi luồng tầu biển có bùn lỗng, sử dụng cơng cụ phương pháp hợp lý để xác định tuyến luồng cụ thể đủ điều kiện để nghiên cứu định việc chạy tầu bùn loãng; - Xây dựng phương pháp tính tốn tương quan độ dày bùn lỗng với yếu tố thủy lực bùn cát; - Xây dựng phương pháp tính tốn độ dày thời điểm năm dựa phân tích số liệu thống kê, ứng dụng xác định đáy chạy tàu thời điểm nạo vét tu hợp lý 5.2 Ý nghĩa thực tiễn - Áp dụng để đánh giá việc chạy tầu trường hợp xuất lớp bùn loãng nhằm gia tăng lực vận tải nâng cao hiệu khai thác luồng tầu; - Ý nghĩa thực tiễn công tác quản lý nhà nước, xây dựng chương trình, kế hoạch nâng cao hiệu khai thác, xác định kế hoạch nạo vét tu hợp lý Nội dung nghiên cứu luận án - Tổng quan, đánh giá khả xuất bùn loãng số tuyến luồng hàng hải Việt Nam - Nghiên cứu phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng sử dụng hàm hồi quy đa biến, ứng dụng xác định đáy chạy tầu hợp lý trường hợp có bùn lỗng, ứng dụng xác định đáy chạy tầu hợp lý trường hợp có bùn loãng - Nghiên cứu quy luật sa bồi năm luồng tầu biển Việt Nam phương pháp phân tích Fourier Nghiên cứu xác định thời điểm nạo vét tu hợp lý theo tiêu chí hiệu khai thác luồng tầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẠY TẦU TRONG LUỒNG CĨ BÙN LỖNG Trong chương luận án trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu kết nghiên cứu tận dụng lớp bùn loãng để chạy tầu giới Việt Nam, từ phân tích điều kiện thực tế xác định nội dung nghiên cứu luận án 4 Bằng phương pháp nghiên cứu phổ biến: (i) Đo đạc trường phân tích số liệu thực đo; (ii) Nghiên cứu thí nghiệm mơ hình vật lý: nghiên cứu mơ hình, thiết bị mơ chạy tầu thực tế ;(iii) Nghiên cứu mơ hình tốn: mơ hình phát triển riêng cho dự án chương trình mơ hình thương mại (mơ hình Tian-Jian Hsu Peter A Traykovski, mơ hình MIKE…) giới tiến hành nghiên cứu vấn đề: (a) Đặc trưng bùn loãng tiêu chí để xác định bùn lỗng;(b) Khái niệm đáy chạy tầu phương pháp xác định đáy chạy tầu luồng lạch có bùn lỗng;(c) Nội hàm khoa học phương pháp xác định độ sâu chạy tầu mơi trường bùn lỗng;(d) Tính khả thi chạy tầu mơi trường bùn lỗng; (e) Phương pháp xử lý bùn loãng Các kết nghiên cứu giới Lớp bùn loãng dung dịch gồm nước, bùn sét hạt mịn lơ lửng (đường kính nhỏ 62,5 µm), với hàm lượng bùn sét cao trạng thái kết bông, chưa đủ nặng để lắng đọng xuống đáy Có tiêu chí để mơ tả bùn lỗng: (1) Tính lưu biến (Rheology), (2) Dung trọng mật độ (Density) Bùn lỗng thường có dung trọng từ 1.080 kg/m3 đến 1.200 kg/m3 Bùn lỗng hình thành tổng hợp q trình vật lý, hóa học sinh học Quá trình hình thành biến động bùn lỗng chịu ảnh hưởng bới đặc tính thủy động lực nước ảnh hưởng nước tới chuyển động bùn Bùn loãng giai đoạn trước cố kết thành bùn có tính chất đứng trạng thái chất lỏng theo định luật thủy lực học Newton (chất lỏng cổ điển 100%) định luật Hooke (cơ học đất), đại diện cho vật liệu đàn nhớt với tính chất lưu chất Theo PIANC:“Đáy chạy tầu cao trình mà tính chất vật lý đáy địa hình luồng đạt tới giá trị tới hạn mà tiếp xúc với sống tầu làm hư hỏng tầu ảnh hưởng bất lợi (khơng thể chấp nhận) đến việc kiểm sốt chạy tầu” Một số nước giới nghiên cứu đưa tiêu chí mật độ lớp bùn loãng cho độ sâu hàng hải từ 1.151 -1.317 kg/m3 (Zeebrugge – Bỉ) đến 1.200 - 1.300 kg/m3 (Yianjing Xingang – Trung Quốc) - Các xử lý khác liên quan đến bùn loãng: Điều chỉnh độ sâu đáy chạy tầu, tạo bùn lỗng nhân tạo hình thành độ sâu chạy tầu chủ động cơng nghệ khuấy động, sục khí để giữ cho khối lượng đơn vị bùn loãng độ nhớt không vượt giá trị giới hạn…) Áp dụng chu kỳ nạo vét phù hợp, xây dựng kênh nối, tạo độ dốc cho đáy luồng phía bẫy bùn cát, xây dựng cơng trình chỉnh trị hướng dịng, đê chìm, cửa ngăn triều, kênh nối ngăn bùn cát vào luồng, cách ly bãi xả vật liệu nạo vét để giảm thiểu bùn cát quay trở lại luồng Các nghiên cứu Việt Nam: Đối với Việt Nam, đặc điểm sa bồi đặc điểm khai thác luồng tầu, vấn đề nghiên cứu bùn loãng chạy tầu bùn lỗng có ý nghĩa khoa học khả ứng dụng thực tiễn lớn Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy đủ, khoa học chuyên sâu đề tài mà đề xuất ứng dụng riêng lẻ xuất phát từ nhu cầu cá biệt, chưa đủ sở định áp dụng thực tế: Các vấn đề cần nghiên cứu: - Qua tổng hợp đánh giá nghiên cứu nước vấn đề bùn lỗng, thấy nhiều nước giới có tiêu chí cụ thể để xác định độ sâu đáy hành hải sở số liệu đo đạc địa hình, mật độ, ứng suất, độ nhớt Tuy nhiên, điều kiện tự nhiên thủy hải văn, đặc điểm lý bùn cát nơi khác nên áp dụng nguyên kết vào trường hợp luồng tầu cụ thể Việt Nam - Với đặc điểm cụ thể luồng tàu, Việt Nam luận án xác định hướng nghiên cứu sau: (1) Đánh giá khả ứng dụng chạy tầu bùn loãng số tuyến luồng tầu biển Việt Nam; (2) Kết hợp phân tích hồi quy đa biến, mơ hình số trị công nghệ xử lý ảnh viễn thám GIS, đề xuất phương pháp xác định độ dầy lớp bùn loãng; (3) Xây dựng tiêu hiệu trì luồng tầu làm sở xác định đáy chạy tầu thời điểm nạo vét hợp lý trường hợp có bùn lỗng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LỚP BÙN LOÃNG VÀ ĐÁY CHẠY TẦU TRONG LUỒNG CĨ BÙN LỖNG Chương trình bày tóm tắt các sở lý thuyết chủ yếu sử dụng luận án gồm: - Lý thuyết chuyển động bùn loãng tác dụng sóng ven bờ: Mật độ bùn lỗng có trị số khoảng 1,08  1,20 g/cm3, tác dụng sóng ổn định, đều, thí nghiệm xuất biến động tương ứng với sóng mặt bùn 7 Cùng độ dốc sóng, mật độ bùn lỗng nhỏ,  lớn Ngược lại  nhỏ Lớp bùn lỗng ngồi biến động theo sóng nước, cịn dịch chuyển theo phương lan truyền sóng Mật độ bùn loãng tăng,  giảm, ứng suất tiếp tương đối mặt bùn tăng lên Trong điều kiện tự nhiên, mật độ lớp bùn lớn 1,2g/cm3, có đạt tới 1,4 g/cm3 Vì vậy, bãi biển cấu tạo loại bùn này, hình thức chuyển động bùn cát chủ yếu trạng thái lơ lửng - Sự khởi động bứt phá lên lơ lửng bùn loãng tác dụng dịng chảy đơn hướng: Bùn lỗng có mật độ nhỏ, tác dụng dòng chảy định, mặt bùn xuất gợn sóng đợt, gợn sóng dịch chuyển theo phương dịng chảy gọi trị số lưu tốc gây gợn sóng gọi lưu tốc khởi động Lưu tốc làm cho bùn bùn bồi tích bắt đầu bị cuộn bứt lên, gọi lưu tốc bứt phá Lưu tốc khởi động bùn lỗng lưu tốc bứt phá có quan hệ mật thiết với mật độ bùn bề mặt - Hàm lượng bùn cát vùng bãi bùn tác dụng tổng hợp dịng triều sóng: Trị số lớn bé hàm lượng bùn cát luôn có quan hệ mật thiết đến đại lượng "lưu tốc" Từ xác lập quan hệ:  Vw  Vtb S   z  gh      n (2.1) đó: S  Hàm lượng bùn cát trung bình thuỷ trực; Vtb  V b  Vl lưu tốc tổng hợp dịng gió dịng triều Vb  Lưu tốc trung bình thời đoạn đó: Vb = 0,0205 W (W - tốc độ gió) (2.2) Vw  Lưu tốc ba động trung bình khối nước ba động sóng, xác định sau: Vw  0,2CH s h (2.3) C  Tốc độ truyền sóng; s  Khối lượng riêng bùn cát, lấy s = 2.650ks/m3 Quan hệ (2.1) có xu hướng đường thẳng Do đó, xác định n=2;  = 0,0273 - Phương trình vận chuyển bùn: Phương trình vận chuyển bùn Teisson xây dựng năm 1991 sử dụng mô hình Mike 21MT Trong phương trình vận chuyển bùn, trình chìm lắng coi q trình trầm tích học xét riêng chia trình trầm tích học thành hai q trình riêng biệt bao gồm: q trình chìm lắng, q trình trầm tích hóa - Lý thuyết phân tích Fourier: phương pháp phân tích thống kê dựa liệu thực đo Đường cong thực đo phân tích thành đường cong đơn (lý thuyết) dạng sin, cos có chu kỳ định trước Hàm thời gian f(t) biểu diễn theo tích phân Fourier dạng: ∞ F(t) = ∫−∞ 𝐹(𝜎)𝑒 2𝜋𝑖𝜎𝑡 𝑑𝜎 ∞ F(𝜎) hàm mật độ phổ F(𝜎) = ∫−∞ 𝑓(𝑡)𝑒 −2𝜋𝑖𝜎𝑡 𝑑𝑡 Đối với với tốn có chuỗi thời gian rời rạc, cơng thức Fourier viết lại dạng: 𝐴 𝜋𝑘𝑡 𝜋𝑘𝑡 F(t) = + ∑∞ )∆𝑡 + 𝐵𝑘 𝑠𝑖𝑛( )∆𝑡 𝑘=1 𝐴𝑘 𝑐𝑜𝑠( 𝑁 𝑁 Trong tổng có 𝑁⁄2- số hạng chứa hàm sin, 𝑁⁄2 số hạng chứa hàm cosin AN/2 ln Ta viết lại cơng thức dạng tổng quát: 2𝜋 2𝜋 𝑁/2 X = 𝑋̅ + ∑ (𝐴𝑖 𝑠𝑖𝑛 𝑖𝑡 + Bi cos it) 𝑖=1 𝑃 𝑃 Để tính xác mức độ đóng góp hàm thứ i sử dụng phương sai 𝐶𝑖2 , hàm thứ N có tỉ phương sai tính theo cơng thức 𝐶𝑖2 Thông qua giá trị ta lập đường cong thể mức độ đóng góp hàm - Lý thuyết mơ hình hồi quy đa biến: mơ hình thống kê để xác định quy luật với mục tiêu tìm định lượng qua mối quan hệ biến thông qua tham số, giá trị tương quan Trong q trình hồi qui tuyến tính, đại lượng dự báo Y biểu diễn tổ hợp tuyến tính đại lượng mdự báo X1, X2, , Xm hệ thức: Y  a0   a j X j j 1 Trong đó: a0, a1 , am - hệ số hồi qui, xác định bởi: m a0  y  a jx j j 1 m a R j 1 j jk  Ryk , k  1, 2, , m Rjk - mômen tương quan đại lượng Xj Xk (j,k=1,2, ,m); y, x j - giá trị trung bình Y Xj Phương trình hồi quy tuyến tính Y Xi xác định phương pháp hồi quy bước: 10 Bước 1: Tính hệ số tương quan toàn phần ryi Y Xi (i=1 m) chọn chúng hệ số có giá trị tuyệt đối lớn Bước 2: Tính hệ số tương quan riêng ryi.1 (i=2 m) chọn hệ số có giá trị lớn chúng Bước 3: So sánh giá trị chuẩn sai thặng dư để xác định phương trình hồi quy có dạng: Y ( k )  a0( k )  a1( k ) x1   ak( k ) xk Số liệu phục vụ cho nghiên cứu - Số liệu địa hình: Dữ liệu địa hình (dữ liệu đo đơn tần đa tần) số tuyến luồng hàng hải Việt Nam phục vụ thông báo hàng hải, số liệu đo bàn giao mặt bằng, nghiệm thu nạo vét tu hàng năm tài liệu thu thập số dự án, cơng trình nghiên cứu, số liệu đo bổ sung năm 2018 - Số liệu thủy hải văn, bùn cát: Số liệu thủy hải văn thu thập làm sở cho việc tính tốn, thiết lập kiểm định mơ hình - Dữ liệu ảnh viễn thám: địa https://earthexplorer.usgs.gov/ Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án - Phương pháp khảo sát trường: Phương pháp đo dịa hình (đo sâu hồi âm với tần số: 200KHz, 33KHz, máy đo sâu tần đơn tia Echotrac MKIII), phần mềm Hydro Pro…; đo đạc yếu tố thủy hải văn, lấy mẫu phân tích trầm tích… - Phương pháp phân tích thống kế số liệu thực đo + Phân tích Fourier xây dựng hàm số đặc trưng xác độ dày trung bình lớp sa bồi luồng tầu theo thời gian dựa lý thuyết phổ Fourier trình bày Trong toán sa bồi theo tháng: F(t) = 𝐴0 𝜋𝑘𝑡 )∆𝑡 𝑁 + ∑∞ 𝑘=1 𝐴𝑘 𝑐𝑜𝑠( 𝜋𝑘𝑡 )∆𝑡 𝑁 + 𝐵𝑘 𝑠𝑖𝑛( 11 Sử dụng ngôn ngữ lập trình Fotran, xây dựng chương trình tính tốn, tách đường cong tổng hợp biến thiên theo thời gian thành nhiều đường cong có chu kỳ xác định Đánh giá mức độ đóng góp đường cong để xác định chu kỳ đóng vai trị quan trọng Kết xây dựng công thức xác định chiều dày lớp sa bồi dựa việc so sánh lựa chọn ghép hàm cho giá trị dự báo lại sát với giá trị thực đo + Phân tích mơ hình hồi quy đa biến xây dựng tương quan chiều dày lớp bùn loãng số yếu tố thủy hải văn, bùn cát Theo phương trình Teisson, 1991, trình hình thành phát triển lớp bùn loãng luồng tầu thể thơng qua hai nhóm yếu tố bao gồm: yếu tố thủy lực yếu tố bùn cát, yếu tố thủy lực thể thông qua giá trị vận tốc, yếu tố bùn cát thể thơng qua đặc trưng nồng độ, kích thước hạt Các tham số gồm biến: Độ đục nước (SPM); Vận tốc dòng chảy lớn nhất, vận tốc dòng chảy trung bình (Vmax; Vmean); Biên độ triều (H), Địa hình đáy độ dốc , Hệ số kéo lớn hệ số kéo trung bình (Cdmax; Cdmean); Khối lượng bùn tịnh (Net) Phương pháp xác định tham số trình bày mục 3.2 Các biến đặc trưng cho nhân tố dùng để dự báo ước lượng sử dụng phương trình hồi quy lọc dựa phương pháp hồi quy bước, nhằm chọn nhân tố có tương quan cao để đưa vào xây dựng phương trình dự báo Dựa lý thuyết phân tích hồi quy đa biến trình bày phần trên, xây dựng chương trình tự động hóa, tiến hành phân tích mơ hình hồi quy đa biến, kết xây dựng tương quan chéo cặp tham số Kết cuối thu phương trình hồi quy vế trái độ 12 dày lớp bùn loãng vế phải tham số có ảnh hưởng lớn đến độ dày lớp bùn lỗng CHƯƠNG 3: ĐIỀU KIỆN ÁP DỤNG CHẠY TẦU TRÊN BÙN LỖNG, PHÂN TÍCH FOURIER VÀ MƠ HÌNH HỒI QUY ĐA BIẾN XÁC ĐỊNH QUY LUẬT SA BỒI VÀ CHIỀU DÀY LỚP BÙN LỖNG Chương trình bày kết nghiên cứu luận án gồm: (1) Điều kiện sử dụng cơng nghệ chạy tầu bùn lỗng luồng tầu biển Việt Nam, (2) Mơ hình hồi quy đa biến xác định chiều dày lớp bùn loãng (3) Mơ hình tính tốn sa bồi luồng tầu theo tháng Điều kiện sử dụng công nghệ chạy tầu bùn loãng luồng tầu biển Việt Nam - Điều kiện khai thác, vận tải: Các tuyến luồng có nhu cầu vận tải lớn, tần suất hoạt động tầu có trọng tải lớn cao so với khả đầu tư nạo vét luồng Với trạng tuyến luồng tầu lớn việc tăng thêm độ sâu luồng có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu khai thác - Điều kiện tự nhiên: Sự hình thành tồn bùn lỗng có liên quan chặt chẽ đến nhóm yếu tố: (1) Đặc tính lý trầm tích đáy, (2) Độ đục nước, (3) Một số yếu tố khác: đặc điểm khí tượng, thủy hải văn (dòng chảy, biên độ triều, đặc điểm mùa lũ, gió mùa); hoạt động tầu thuyền; hoạt động nạo vét, ảnh hưởng giao thoa xâm nhập mặn, yếu tố hóa sinh…Theo kinh nghiệm nước qua theo dõi luồng hàng hải Việt Nam, điều kiện tự nhiên để luồng tầu có khả xuất bùn loãng gồm: + Luồng tầu nằm vùng biển đáy bùn, bùn cát mịn; + Yếu tố động lực chủ yếu triều mạnh, dòng chảy sơng lớn; 13 + Có hoạt động mật độ giao thông thủy cao Từ kết phân vùng địa mạo động lực học hình thái ven biển Việt Nam điều kiện xuất bùn lỗng thấy điều kiện tự nhiên luồng thuộc vùng biển bùn, biển cát, châu thổ cửa sơng hình phễu, yếu tố sơng triều hỗn hợp có nhiều khả xuất bùn lỗng: - Khu vực Hải Phịng (Sơng Cấm, Bạch Đằng, Lạch Huyện, sông Chanh, Phà Rừng, Cái Tráp); - Khu vực Đồ Sơn – Bắc Thanh Hóa (Diêm Điền, Hải Thịnh); - Khu vực Vũng Tầu – Tiền Giang (Vũng Tầu - Thị Vải, Soài Rạp, Sài Gịn Vũng Tầu, Sơng Dừa…); - Khu vực Tiền Giang – Cà Mau (Định An, Quan Chánh Bố, Duyên Hải - Trà Vinh Mơ hình hồi quy đa biến xác định lớp bùn loãng - Xác định tham số đầu vào: - Xây dựng đồ phân bố bùn loãng khu vực nghiên cứu dựa số liệu thực đo - Khôi phục trường độ đục lượng phù sa bùn cát phương pháp phân tích ảnh viễn thám GIS: sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat với sở lý thuyết thuật toán Nechad 2010 Chạy mơ hình khơi phục trường độ đục nước làm số liệu đầu vào phân tích hồi quy - Khôi phục trường động lực khu vực nghiên cứu mơ hình tốn dựa liệu thực đo (địa hình, mực nước, vận tốc, lưu lượng) - Xây dựng công thức đặc trưng xác định chiều dày lớp bùn lỗng mơ hình hồi quy đa biến: Các liệu đầu vào xử lý đồng hóa theo lưới, mắt lưới có giá trị gồm giá trị dự báo tham số dự báo 14 - Chương trình tự động hóa tính tốn: sử dụng ngơn ngữ lập trình Fotran 90 xây dựng chương trình tự động tính tốn - Phân tích kết tính tốn tương quan xây dựng cơng thức đặc trưng tính tốn chiều dày lớp bùn lỗng: Từ kết chạy chương trình tiến hành phân tích tương quan chéo tham số để thực phép lọc từ xác định cơng thức đặc trưng vế trái độ dày lớp bùn lỗng vế phải tham số có ảnh hưởng - Kết tính tốn cơng thức đặc trưng cho đoạn luồng Sồi Rạp: Kết chạy mơ hình hồi quy đa biến (11.237 mẫu) cho đoạn luồng Sồi Rạp ta có bảng tương quan chéo biến Sau phân tích tương quan biến rút gọn phương trình độ dày lớp bùn sau trình phân tích mơ hình hồi quy đa biến: Y = -0,00328 + 112,95918 × X5 – 0,00076 × X7 – 29,18383 × X4 Trong đó: X5: hệ số kéo, X7: nồng độ (mg/l) X4: hệ số kéo lớn Sai số trung bình tuyệt đối: (MAE) = 0,08m (~ 30%); Sai số chuẩn: 0,11211 Hệ số tương quan bội: R2 = 0,5 - Kiểm chứng công thức đặc trưng: Sử dụng liệu thực đo thiết bị đa tần năm 2018, so sánh với kết từ công thức đặc trưng cho kết sai số khoảng 30% Xây dựng mơ hình tính tốn biến động sa bồi tháng Xây dựng phần mềm tính tốn, sử dụng ngơn ngữ lập trình Fotran lý thuyết phân tích Fourier để tách biểu đồ khối lượng sa bồi thực đo theo tháng thành đường cong có chu kỳ xác định Tính tốn đánh giá mức độ đóng góp đường từ xây dựng cơng thức đặc trưng biến động sa bồi theo tháng Kết tính toán cho đoạn luồng Lạch Huyện đoạn Bạch Đằng: 15 - Dữ liệu đầu vào: Từ liệu đầu vào chuỗi liệu sa bồi trung bình theo tháng luồng Lạch Huyện, Bạch Đằng (số liệu 05 năm từ 2012 – 2017), ta có đường thể khối lượng thực đo - Chương trình tự động hóa tính tốn Căn vào lý thuyết phân tích phổ Fourier sơ đồ thuật toán trên, xây dựng chương trình đặt tên SBThang.exe ngơn ngữ lập trình Fotran - Quy trình tính tốn: Bước 1: Chuẩn bị liệu đầu vào, dạng liệu độ dày lớp sa bồi biến thiên theo thời gian (số liệu trung bình tháng) Bước 2: Chạy chương trình xây dựng, sau chạy chương trình, đường cong thực đo 12 tháng tách thành đường cong đơn, tham số đường cong đơn xuất file text Bước 3: Phân tích xây dựng công thức dựa kết đầu Bước 4: Xây dựng công thức cách lọc dần hàm khơng có ý nghĩa, sử dụng kết dự báo hệ số tương quan R2 kết dự báo liệu thực đo - Kết tính toán cho luồng Lạch Huyện, Bạch Đằng - Luồng Lạch Huyện - Xây dựng biểu đồ sa bồi trung bình tháng luồng Lạch Huyện - Chạy chương trình SBthang, đường cong thực đo tách thành đường cong đơn Công thức xác định chiều dày lớp sa bồi luồng Lạch Huyện viết lại sau: 2𝜋 X = 0,24+ 0,04[cos (t-5,94)] + 0,03[cos 2𝜋 (t-2,74)] + 0,05[cos 2𝜋 (t-1,69)] + 0,01[cos 2𝜋 (t-1,12)] Căn giá trị tỉ phương sai lựa chọn 03 cơng thức để phân tích xác định cơng thức tính tốn tối ưu: 16 (1) X = 0,24 + 0,04[cos (2) X = 0,24 + 0,04[cos (3) X = 0,24+ 0,05[cos 2𝜋 (t-5,94)] 2𝜋 (t-5,94)] + 0,03[cos 2𝜋 (t-1,69)] 2𝜋 (t-1,12)] Từ kết đánh giá hệ số tương quan R2 liệu dự báo thực đo năm 2016 so với công thức tính tốn dự báo (1), (2), (3) nhận thấy cơng thức (1) cho hệ số tương quan R2 lớn với mức độ tương quan thực đo dự báo 0,82 lựa chọn cơng thức (1) làm công thức dự báo chiều dày sa bồi cho khu vực luồng Lạch Huyện - Luồng Bạch Đằng: Thực quy trình tương tự luồng Bạch đằng ta xác định công thức: 2𝜋 X = 5,016+ 5,1[cos (t-6,6)] + 0,6[cos 12 2𝜋 (t-0,6)] 12 + 0,4[cos 2𝜋 (t12 2,0)] (Công thức sử dụng để tính tốn thời điểm nạo vét hợp lý trình bày mục 4.2) CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trong chương 4, luận án trình bày ứng dụng kết nghiên cứu Ứng dụng công thức đặc trưng tính tốn độ dày lớp bùn lỗng xác định đáy chạy tầu đáy nạo vét hợp lý trường hợp có bùn lỗng luồng Sồi Rạp - Hiệp Phước Tính tốn dự báo chiều dày lớp bùn loãng xác định đáy chạy tầu hợp lý (đoạn luồng Soài Rạp từ phao 49 đến phao 57) Sử dụng phương pháp mơ hình tốn phân tích ảnh viễn thám trình bày mục 3.2 chương 3, kết tính tốn trường vận tốc, hệ số kéo, độ đục 17 Sử dụng công thức dự báo độ dày lớp bùn loãng thu chương 3: Y = -0,00328 + 112,95918 × X5 – 0,00076 × X7 – 29,18383 × X4 Kết tính tốn độ dày trung bình bùn lỗng thể hình sau: a) b) a) Kết tính tốn phân bố bùn loãng; b) Mặt cắt dọc tuyến Độ dày bùn loãng dự báo theo đoạn: Khoảng cách cộng Độ dày lớp bùn dồn (m) loãng hbl (m) Từ P01 đến P10 1000 0,25 – 0,35 P11 đến P88 1800 0,15 – 0,25 P 29 đến P42 4200 0,15 - 0,24 P43 đến P52 5200 0,2 – 0,25 P53 đến P79 7900 0,13-0,22 TT Đoạn Xác định đáy chạy tầu thiết kế đáy nạo vét Cao độ đáy chạy tầu xác định theo công thức: CĐĐCT = MNCT – h h chiều sâu chạy tầu thiết kế: ℎ = 𝑇 + ∑ Z𝑖 Trong đó: T: Mớn nước đầy tải tầu tính tốn; ∑ ∆𝑍𝑖: dự trữ chiều sâu luồng bao gồm: z1: Dự phịng sóng làm mũi tầu chìm thêm 18 z2: Dự phòng vận tốc cho thay đổi mớn nước tầu chạy nước tĩnh so với mớn tầu đứng yên (m) z3: Dự phòng chiều sâu độ lệch tầu chất hàng khơng cân đối bẻ lái đột ngột, z3 = 0,5Btsinα - z1 (m) z0 > 0,5z1 (m) α: góc nghiêng lệch tầu xếp hàng hố lên tầu khơng hàng hoá bị xê dịch bẻ lái đột ngột, α = 4o (tầu chở hàng khơ) z4: dự phịng chiều sâu chạy tầu bé để đảm bảo lái tầu (m), phụ thuộc địa chất đáy luồng Cao độ đáy thiết kế nạo vét luồng tính theo công thức: CĐĐ = CĐĐCT – z = MNCT – z5 – h (z5 dự trữ sa bồi hai lần nạo vét) Trường hợp có bùn lỗng hbl: CĐĐ = MNCT – z5 – h + hbl Áp dụng tính tốn cho luồng Sồi Rạp đoạn từ P49 đến 57: - Thiêt kế cho cở tầu container cỡ post panamax 70.000 DWT, mớn đầy tải T=13,8m Mực nước chạy tầu (MNCT) lựa chọn theo điều kiện chuẩn tương ứng tần suất P% = 50% +2,9 (mHĐ) Kết sau: v T z1 z2 z3 Z4 Chiều sâu chạy (m/s) (m) (m) (m) (m) (m) tầu, h (m) 4,12 13,8 0,49 0,91 0,55 15,7 Cao độ đáy nạo vét theo công thức (4.4) với z5 = 0,4 m; Mức nước chạy tầu = +2,9 (tương ứng tần suất P% = 50%): CĐĐ = + 2,9 m 15,7m – 0,4m = -13.2 mHĐ Kết tính tốn cao độ đáy nạo vét xét đến bùn loãng loãng: Đoạn luồng MNCT h Z5 hbl CĐĐ (mHĐ) (m) (m) (m) (mHĐ) 19 Từ P01 đến P10 +2,9 15,7 0,4 0,25 -12,95 P11 đến P18 +2,9 15,7 0,4 0,15 -13,05 P19 đến P28 +2,9 15,7 0,4 0,25 -12,95 P 29 đến P42 +2,9 15,7 0,4 0,15 -13,05 P43 đến P52 +2,9 15,7 0,4 0,2 -13,0 P53 đến P79 +2,9 15,7 0,4 0,1 -13,1 Lưu ý: Lớp bùn loãng phân bố không nên đoạn lựa chọn độ dày lớp bùn lỗng nhỏ để đưa vào tính toán - Về việc sử dụng kết dự báo chiều dày lớp bùn loãng phân bố luồng: thực tiễn số liệu giúp giảm bớt dự trữ sống tầu sở để định thử nghiệm chạy tầu với mực độ khác để định mớn nước tầu lớn vận hành an toàn qua đoạn luồng biện pháp hỗ trợ khác - Kết nghiên cứu cơng thức đặc trưng phân bố bùn lỗng chương ứng dụng: + Dự báo phân bố độ dày lớp bùn loãng đoạn luồng nghiên cứu theo yếu tố ảnh hưởng xác định phương trình + Hiệu chỉnh thơng báo hàng hải độ sâu chạy tầu thông số thiết kế đáy nạo vét để nâng cao hiệu khai thác hiệu nạo vét tu luồng tầu Xác định thời điểm nạo vét hợp lý theo tiêu chí hiệu khai thác luồng Bạch Đằng Cơng thức tính chiều dày sa bồi tháng luồng Bạch Đằng (Chương 3): X = 5,016+ 5,1[cos 2,0)] 2𝜋 (t-6,6)] 12 + 0,6[cos 2𝜋 (t-0,6)] 12 + 0,4[cos 2𝜋 (t12 20 Với chiều dày lớp bùn loãng ký hiệu hbl, cao độ đáy chạy tầu xác định sau: CĐĐCT = MNCT – (h-hbl) Lấy chi phí nạo vét tu hàm mục tiêu Độ sâu lớn cao độ đáy chạy tầu theo thiết kế định hiệu khai thác Đó giá trị hcl dự phòng sa bồi lại tháng thứ t sau thời gian nạo vét Tính tốn thời điểm nạo vét hợp lý theo tiêu chí hiệu khai thác cho cỡ tầu > 10.000 DWT, giả thiết luồng nạo vét năm/lần, tháng, hdt = 60 cm: 12 Hcl(t) = hdt -∑ 𝑡=1 0,6)] + 0,4[cos 5,016 + 5,1[cos 2𝜋 (t − 12 2𝜋 (t 12 − 6,6)] + 0,6[cos 2𝜋 (t 12 − 2,0) Giá trị Hcl tháng thứ t tính hdt trừ tổng tích lũy tháng sau nạo vét đến trước tháng lựa chọn tính Hcl Kết tính tốn giá trị Hcl Hhd theo công thức tốc độ sa bồi trung bình luồng Bạch Đằng chi tiết Chương – Luận án Từ kết tính tốn cho thấy thời điểm nạo vét năm có ảnh hưởng lớn đến thời gian trì dự phịng sa bồi cịn lại tháng thứ t Nếu ký hiệu tổng giá trị năm Hhd, giá trị tỷ lệ thuận với hiệu suất khai thác tuyến luồng Gọi giá trị Hhd giá trị độ sâu hiệu dụng gia tăng Bằng phép tính thử dần theo tháng ta tính tốn thời điểm nạo vét cho giá trị Hhd lớn Hhd max với ví dụ đoạn Bạch Đằng Hhd= 438cm với thời điểm nạo vét hợp lý vào tháng KẾT LUẬN Hiện tượng bùn loãng số tuyến luồng hàng hải Việt Nam tượng tồn tại, ghi nhận phổ biến thực tiễn 21 tận dụng phần trình dẫn tầu để giảm dự trữ sống tầu, tăng cỡ tầu lượng hàng, nâng cao hiệu vận tải Về mặt khoa học nghiên cứu, nội dung tương đối Việt Nam chưa quan tâm nghiên cứu cách đầy đủ Luận án tiến hành tổng hợp, phân tích nội dung liên quan đến vấn đề bùn loãng tận dụng bùn loãng để chạy tầu giới Việt Nam, phân tích đặc điểm cụ thể luồng tầu Viêt Nam; sử dụng phương pháp xử lý phân tích số liệu thống kê, đo đạc khảo sát, mơ hình tốn, xử lý ảnh viễn thám công cụ khác để sâu nghiên cứu số nội dung: điều kiện áp dụng chạy tầu bùn loãng Việt Nam, phương pháp xác định quy luật sa bồi, độ dày lớp bùn loãng ứng dụng xác định đáy chạy tầu hợp lý điều kiện có bùn lỗng Các kết nghiên cứu đạt luận án cung cấp sở khoa học mang tính tổng quát giải bước đầu số vấn đề sau: - Cơ sở khoa học công nghệ để chọn tiêu chí xác định lớp bùn lỗng tận dụng chạy tầu, xác định đáy chạy tầu hợp lý; - Làm rõ số nội dung khoa học sa bồi luồng tầu biển có bùn lỗng, sử dụng công cụ phương pháp, công nghệ hợp lý để xác định tuyến luồng cụ thể xuất bùn loãng đủ điều kiện để nghiên cứu định việc chạy tầu bùn loãng; - Cơ sở phục vụ xây dựng chương trình, kế hoạch nâng cao hiệu khai thác luồng tầu, xác định thời điểm nạo vét, chu kỳ nạo vét hợp lý điều kiện luồng tầu có bùn lỗng Các kết cụ thể đạt luận án - Phân tích đặc điểm tự nhiên đặc điểm khai thác tuyến luồng hàng hải để đánh giá khả xuất bùn loãng 22 điều kiện ứng dụng chạy tầu luồng có bùn lỗng tuyến luồng; - Xây dựng phương trình hồi quy đa biến xác định chiều dày lớp bùn loãng dựa liệu thực đo - Đánh giá quy luật biến đổi độ sâu luồng sử dụng số liệu thống kê kết hợp lý thuyết Fourier để xây dựng cơng thức tính chiều dày lớp sa bồi theo tháng; - Dựa công thức xác định cao độ đáy chạy tầu kết hợp với kết tính tốn độ dày lớp bùn lỗng trung bình năm để xây dựng phương pháp tính thử nghiệm xác định đáy chạy tầu đáy nạo vét hợp lý trường hợp có bùn lỗng - Xây dựng phương pháp xác định thời điểm nạo vét hợp lý dựa số liệu thống kê giá trị Hhd độ sâu hiệu dụng gia tăng Những đóng góp luận án - Đề xuất phương pháp đánh giá khả xuất bùn loãng ứng dụng chạy tầu luồng có bùn lỗng Luận án tổng hợp, phân tích đặc điểm tự nhiên, đặc điểm khai thác 16 tuyến luồng hàng hải nhằm đánh giá khả xuất bùn loãng ứng dụng chạy tàu bùn loãng; - Xây dựng phương pháp xác định độ dày sa bồi tháng dựa phân tích Fourier - Xây dựng phương pháp qui trình tính tốn độ dày lớp bùn lỗng theo yếu tố thủy lực, bùn cát, ứng dụng cho việc xác định đáy chạy tầu hợp lý - Xây dựng tiêu chí đánh giá hiệu trì luồng tàu để xác định thời điểm nạo vét tu hợp lý 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Anh Tuấn (2019) Áp dụng phương pháp Fourier phân tích số liệu thống kê việc đánh giá quy luật suy giảm độ sâu chạu tàu luồng tàu biển, Tạp chí Giao thơng vận tải, 06: 106-108 Nguyễn Anh Tuấn (2019) Ước lượng chiều dày lớp bùn lỗng luồng tàu mơ hình động lực kết hợp mơ hình hồi quy đa biến, Tạp chí Giao thông vận tải, 08: 98-103 Nguyễn Anh Tuấn (2019) Phân vùng địa mạo, động lực hình thái ven bờ khả xuất bùn loãng luồng tàu biển Việt Nam, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, 56: 99-107 Nguyễn Ngọc Huệ, Nguyễn Anh Tuấn, Mạc Văn Dân (2018) Nghiên cứu ước lượng giá trị trầm tích lơ lửng di chuyển qua mặt cắt sơng sử dụng ảnh Landsat 8, Tạp chí Giao thông vận tải, 12: 140-144 Nguyễn Ngọc Huệ, Nguyễn Anh Tuấn (2014) Mơ hình tốn dịng phù sa lơ lửng hoạt động chân vịt tàu biển, Tạp chí Giao thơng vận tải, 7: 28-30 Nguyễn Anh Tuấn (2015) Mơ hình tính tốn lượng phù sa lơ lửng tác động hoạt động nạo vét sử dụng tàu hút phun, Tạp Chí Biển Bờ, 4: 30-36 ... xuất bùn loãng số tuyến luồng hàng hải Việt Nam - Nghiên cứu phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng sử dụng hàm hồi quy đa biến, ứng dụng xác định đáy chạy tầu hợp lý trường hợp có bùn lỗng,... luồng tầu làm sở xác định đáy chạy tầu thời điểm nạo vét hợp lý trường hợp có bùn lỗng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH LỚP BÙN LỖNG VÀ ĐÁY CHẠY TẦU TRONG LUỒNG CĨ BÙN... dụng xác định đáy chạy tầu hợp lý trường hợp có bùn lỗng - Nghiên cứu quy luật sa bồi năm luồng tầu biển Việt Nam phương pháp phân tích Fourier Nghiên cứu xác định thời điểm nạo vét tu hợp lý theo