7. Kết cấu của luận án
2.2. Tính tốn thủy triều trong hàng hải
2.2.1. Giới thiệu lịch thủy triều Anh và bảng thủy triều Việt Nam
Lịch thủy triều Anh (ATT - Admiralty Tide Table) [17], [62]:
- Do cơ quan Thuỷ văn Vương quốc Anh xuất bản hàng năm. Đây là một tài liệu quan trọng dùng để dự đoán thủy triều cho các cảng trên thế giới. Lịch được chia thành các tập (khu vực hay vùng) bao phủ hầu hết các cảng trên thế giới, cụ thể:
Tập 1A: Vương quốc Anh ( Từ Kênh Anh đến sông Humber). Tập 1B: Vương quốc Anh và Ireland.
Tập 2: Bắc Đại Tây Dương và vùng Bắc cực. Tập 3: Ấn Độ Dương.
Tập 4: Nam Thái Bình Dương. Tập 5: Biển Đơng và Indonesia. Tập 6 : Bắc Thái Bình Dương
Tập 7: Tây Nam Đại Tây Dương và Nam Mỹ.
Tập 8: Đông Nam Đại Tây Dương, Tây Phi và Địa Trung Hải. - Nội dung cơ bản của mỗi tập, gồm ba phần chính sau:
Phần I: Giờ và độ cao nước lớn, nước ròng từng ngày trong năm của các cảng chính trong tập.
Phần II: Lượng hiệu chỉnh thời gian và độ cao của cảng phụ so với cảng chính.
Phần III: Hằng số điều hồ tính độ cao thủy triều. Phần IIIa: Hằng số điều hịa tính tốn dịng triều. - Một số khái niệm dùng trong lịch thủy triều Anh:
Cảng chính (Standard port) là cảng có quy luật biến đổi thủy triều đặc trưng cho một nhóm cảng thuộc một khu vực địa lý. Cảng chính được khảo sát kỹ và dự tính thủy triều lập thành bảng thuộc phần I trong lịch thủy triều.
Cảng phụ (Secondary port) là các cảng có quy luật biến đổi thủy triều, gần giống cảng chính tương ứng trong vùng. Cảng phụ dự tính thủy triều thơng qua cảng chính của nó, lượng hiệu chỉnh cho ở phần II lịch thủy triều.
Thời gian áp dụng trong lịch thủy triều Anh là giờ chuẩn (Standard
time) dùng cho từng địa phương, đó chính là giờ múi (Time zone) áp dụng cho
từng cảng. Trong lịch thủy triều, giờ múi áp dụng cho cảng chính cho ở phần I cịn cảng phụ cho ở phần II. Khi tính tốn thủy triều cho cảng nào đó, phải kiểm tra xem giờ múi được áp dụng thực tế tại đó có đúng với múi cho trong lịch thủy triều khơng ? Nếu có sự khơng thống nhất đối với múi giờ tại cảng chính hay cảng phụ so với giờ thực tế thì phải hiệu chỉnh. Thực chất là phải đảm bảo giờ sử dụng dự đoán thủy triều trong lịch phải là giờ đang áp dụng ngoài thực tế. Giờ chuẩn tại các địa phương có thể tham khảo danh mục tín hiệu vơ tuyến ALRS (Admiralty List of Radio Signals - Volume 2 - NP 282) tu chỉnh theo phần IV trong thông báo hàng hải hàng tuần.
Độ cao thủy triều trong bảng tính bằng mét so với số "0" hải đồ Anh.
Mỗi cảng chính có một họ đường cong để tính tốn độ cao thủy triều tại thời điểm giữa nước lớn nước ròng. Gồm hai đường cong, đường liền nét (Spring curve) tương ứng với sự biến đổi thủy triều trung bình thời kỳ sóc vọng. Đường đứt nét (Neap curve) tương ứng với biến đổi thủy triều trung bình thời kỳ trực thế. Hoặc chỉ có một họ đường cong để tính tốn độ cao thủy triều tại thời điểm giữa nước lớn nước ròng. Gồm ba đường cong dạng hàm (cosin) tương ứng sự biến đổi thủy triều có biên độ thời gian là 5 giờ, 6 giờ và 7 giờ.
Bảng thủy triều Việt Nam [17], [47]:
- Bảng thủy triều Việt Nam cho kết quả dự tính giờ và độ cao nước lớn,
nước ròng cùng với độ cao mực nước lớn từng giờ đối với các cảng chính và các tài liệu suy ra các đặc trưng thủy triều tại các điểm phụ ở biển hoặc vùng hạ lưu các sông.
Tập I: Hịn Dấu, Hịn Gai, Cửa Ơng, Cửa Hội, Cửa Gianh, Cửa Việt. Tập II: Đà Nẵng, Quy Nhơn, Nha Trang, Vũng Tàu, cảng Sài Gòn, Định An, Hà Tiên, Trường Sa.
Tập III: Hồng Kông, Kom Pong Som, Singapore, Băng Cốc. - Mỗi tập thủy triều Việt Nam bao gồm các phần cơ bản sau:
Bảng chính: Độ cao mực nước lớn từng giờ; giờ và độ cao nước lớn, nước ròng tại các cảng chính trong tập.
Bảng phụ loại 1: Bảng tra độ cao thủy triều tại một số cảng phụ theo độ cao dự tính tại cảng chính.
Bảng phụ loại 2: Bảng hiệu chỉnh giờ cho cảng phụ so với cảng chính.
2.2.2. Phương pháp tính tốn thủy triều trong hàng hải
Bản chất phương pháp phân tích điều hịa thủy triều và dự tính thủy triều:
Thể hiện sự biến đổi của mực nước biển dưới tác động của lực tạo triều có dạng đường cong biến đổi phức tạp được triển khai thành sóng đơn giản đều đặn và đường cong thể hiện sóng đơn giản đó có tính chất của một dao động điều hịa đơn giản biểu diễn dưới dạng [5], [9], [12], [17], [47]:
Z = Rcos(qt − ξ )
Trong đó: R - biên độ sóng triều và tính theo cơng thức: R = f × H ;
(2.16)
H - biên độ trung bình của sóng phụ thuộc vào điều kiện địa lý và khơng đổi với một vị trí đã chọn;
f - hệ số suy giảm phụ thuộc vào điều kiện thiên văn và được tính theo quy luật chuyển động của các thiên thể;
q - vận tốc góc của sóng triều (khơng phụ thuộc vào điều kiện địa lý và khơng thay đổi đối với mỗi sóng);
t - giờ mặt trời trung bình;
ξ - pha ban đầu của sóng và tính theo cơng thức: ξ = (v0 + u) − g ;
(v0 + u) - được coi là đối số thiên văn ban đầu, tính theo qui luật
chuyển động của các thiên thể và tính từ 00 giờ ngày quan trắc đầu tiên;
g - góc vị của sóng triều, phụ thuộc vào điều kiện địa lý và không đổi với một địa điểm đã chọn.
Ảnh hưởng của điều kiện địa lý địa phương của điểm khảo sát được đưa vào bằng các hiệu đính cho biên độ và pha của mỗi sóng triều. Như vậy, biểu thức của độ cao mực nước thực đo sẽ có dạng tổng của những sóng điều hịa đơn giản dạng:
Zt = A0 + ∑ fi Hi cos[qit − (V 0+u)i −
gi ]
i =1
Trong đó: A0 - độ cao mực nước trung bình; i - sóng triều thứ i.
Từ (2.17) được viết lại như sau :
(2.17)
Zt = A0 + ∑ Ricos(qit −
ζ i )
i=1
(2.18)
Tóm lại: H và g là hai giá trị xác định dựa trên cơ sở chỉnh lý các quan
trắc dao động mực nước biển và không đổi với một địa điểm đã chọn (có thể là trạm) được gọi là hằng số điều hịa thủy triều. Để tính hằng số điều hịa thủy triều H và g thì cần xác định giá trị R và ζ .
Tính tốn thủy triều bằng phương pháp hằng số điều hòa
Độ cao thủy triều theo phương pháp phân tích điều hịa:
h = Z0 + ∑ f1 H1 cos[q1 t + (v0 + u)1 − g1 ]+ 1 + ∑ f 2 H 2 cos[q 2 t + (v0 + u)2 − g2 ]+ 1 +∑ fm Hm cos[qmt + (v0 + u)m − gm ]+ 1 +∑ fk Hk cos[qk t + (v0 + u)k − gk ]+ 1 +∑ f s Hs cos[qs t + (v0 + u)s − gs ] 1
Trong đó: Z0 - mực nước biển trung bình (MSL);
"1" - chỉ số sóng thành phần với chu kỳ 1 ngày; "2" - chỉ số sóng thành phần với chu kỳ 1/2 ngày; "m" - chỉ số sóng thành phần thủy triều nước nơng; "k" - chỉ số sóng thành phần thủy triều do mặt trăng;
(2.19)
"s" - chỉ số sóng thành phần với chu kỳ dài (1/2 năm, 1 năm,...). Theo cơng thức trên, nếu tính đầy đủ cần 93 sóng thành phần do 93 thiên thể giả định tác động gây nên thủy triều, như vậy:
"n" - số thiên thể tác động gây nên thủy triều;
Ri = fi x Hi - biên độ dao động sóng triều thành phần (i) do thiên thể (i) gây ra;
(vo + u)i (tính bằng giờ) - khoảng thời gian tính từ khi thiên thể đi qua thiên kinh tuyến thượng người quan sát (tại vị trí quan trắc thủy triều từ 00 đến 00 giờ ngày tính thủy triều đầu tiên;
g (tính bằng giờ) - khoảng thời gian tính từ khi thiên thể đi qua thiên kinh tuyến thượng người quan sát đến thời điểm xuất hiện nước lớn nhất của sóng thành phần đang xét;
hằng số f, H, g có trong lịch thủy triều Anh.
n
n
n
n
Thực tế chỉ cần sử dụng 8 - 11 sóng thành phần tính độ cao thủy triều là thỏa mãn yêu cầu về độ chính xác trong hàng hải. Sóng nhật triều và bán nhật triều là sóng chính. Thơng thường quan trắc số liệu của tám sóng chính và tính tốn thêm sóng nước nơng nếu có.
Hằng số điều hịa thủy triều của các sóng cơ bản được tính tốn bằng cách quan trắc dao động của mực nước biển từng giờ trong vòng 15 hay 30 ngày liên tục. Khi quan trắc trong 30 ngày thì xác định được 11 sóng thành phần. Quan trắc trong 15 ngày thì xác định được sáu sóng thành phần là M2, S2, K1, O1 và sóng thành phần nước nơng chu kỳ 1/4, 1/6 là f4 , f6.
Từ (2.19) có thể viết dạng tổng quát: Đặt: fH = R và h = Z0 + ∑ fH cos[qt + (v0 + u) − g] (v0 + u) − g = −ξ , nhận được: (2.20) h = Z 0 + ∑ R cos(qt − ξ )
h = Z 0 + ∑[R(cosqt cosξ + sin qt sin ξ
)]
h = Z 0 + A cos qt + B sin qt
(2.21)
Trong đó: Hệ số A = Rcosζ và B = Rsinζ, tính bằng phương pháp bình phương trung bình. Tương ứng với thời điểm ‘t’ tính được giá trị độ cao thủy triều. Tuy nhiên, phương pháp tính tốn phức tạp, thường áp dụng lập bảng thủy triều.
Phương pháp phân tích hằng số điều hịa thủy triều đơn giản:
Năm 1936, các nhà khoa học Anh đề xuất phương pháp phân tích điều hịa đơn giản gọi là phương pháp hoa tiêu. Phương pháp này dự tính độ cao thủy triều bằng cách phân tích điều hịa các sóng chính, gồm: M2 là thành phần sóng bán nhật triều chủ yếu do Mặt trăng; S2 là thành phần sóng bán nhật triều chủ yếu do Mặt trời; K1 thành phần nhật triều hỗn hợp do Mặt trăng và Mặt trời; O1 là thành phần nhật triều chủ yếu do Mặt trời, thời gian quan trắc từ một đến hai ngày, độ chính xác khoảng 0,1m.
Cơng thức tính độ cao thủy triều: h = Z0 + Hs 2 F2 cos[q2t − ( f 2−gs 2 )]+ Hk1 F1 cos[q1t − ( f1 + gk 2 )] (2.22) Đặt: H s 2 F2 = R2 ; f2 + gs 2 = r2 ; ( f1 + gk1 ) = r1 , nhận được: h = Z 0 + R2 cos(q2t − r2 ) + R1 cos(q1t − r1 )
h = Z 0 + R2 cosr 2 cosq2t + R2 sin r2 sin q2t + R1 cosr1 cosq1t + R1 sin r1 sin q1t
(2.23)
Phương pháp hoa tiêu chỉ tính những hằng số điều hịa thủy triều của dao động mực nước biển xa bờ, khi khơng có điều kiện quan trắc trong vòng 15 hay 30 ngày. Dự tính thủy triều ven bờ, thường dùng phương pháp phân tích điều hòa với dãy quan trắc từ 15 đến 30 ngày.
Thực hành tính tốn thủy triều bằng phương pháp hằng số điều hòa đơn giản [5], [17], [47], [62].
Một số cảng, do tính phức tạp của hiện tượng thủy triều, khơng thể sử dụng các bảng thủy triều sẵn có để dự tính thủy triều. Phương pháp hằng số điều hịa đơn giản, giúp sỹ quan hàng hải tính được thủy triều vào bất kỳ thời điểm nào cho trước.
Sử dụng phương pháp này có thể thuận tiện khi tính tốn thủy triều vào giờ lẻ, nhất là hiện nay có sự trợ giúp của máy tính. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ cho kết quả khơng chính xác như dự đốn thủy triều cho cảng chính ở phần I, vì các giá trị đó được tổng hợp từ gần 100 sóng thành phần, phương pháp hằng số điều hịa đơn giản chỉ tổng hợp của một số sóng chính có tính thêm sóng thành phần do nước nơng. Tính tốn bằng phương pháp này cần thêm một số bảng phụ khác ngồi các hằng số điều hịa cho ở phần III.
Phần III: Số hiệu chỉnh theo mùa, giá trị hằng số điều hồ "g", "h" cho từng sóng khác nhau; hiệu chỉnh nước nơng cho sóng 1/4, 1/6 (f4, F4 , f6 , F6).
Bảng VI (hoặc phần III) để có mực nước trung bình ML (Z0).
Bảng VII: Giá trị góc vị A do ảnh hưởng của điều kiện địa lý và hệ số suy giảm F do ảnh hưởng của điều kiện thiên văn.
Thành phần sóng chính: M2 là thành phần sóng bán nhật triều chủ yếu do Mặt trăng; S2 là thành phần sóng bán nhật triều chủ yếu do Mặt trời; K1
thành phần nhật triều hỗn hợp do Mặt trăng và Mặt trời; O1 là thành phần nhật triều chủ yếu do Mặt trời. Mỗi thành phần được cho với hai hằng số trong phần III, lịch thủy triều Anh là góc vị g (độ) và độ cao thủy triều h (mét).
Phương pháp hằng số điều hòa (NP.159):
(Simplified harmonic method of tidal prediction) Mẫu NP.159 gồm các phần sau:
Phần đầu: Hằng số điều hịa, hiệu chỉnh nước nơng, múi giờ,...; Phần A: Dự tính thủy triều cho ngày yêu cầu;
Phần B: Dự tính độ cao thủy triều cho thời gian yêu cầu trong ngày. Tính tốn theo phương pháp này trong phần A và B đều có các bảng tính theo mẫu cho trước, cần thực hiện đầy đủ theo các mục trong biểu mẫu.
Để cụ thể hóa phương pháp hằng số điều hịa NP.159, NCS đưa ra ví dụ cụ thể theo mẫu như sau:
Tính độ cao thủy triều tại cảng Hải Phòng (Hòn Dấu) lúc 09 giờ 00 phút ngày 12/3/2019 theo mẫu NP.159.
Một số bảng toán liên quan như sau:
Bảng 2.1 Thơng tin hằng số điều hịa
Trích phần III, Lịch thủy triều Anh (NP 205) năm 2019, trang 325 - HARMONIC CONSTANTS
№ Place ML
Z0
m
HARMONIC
CONSTANCE Zone: - 0700 S.W.CORRECTIONS
M2 S2 K1 O1 1/4 diurnal 1/6 diurnal g0 H.m g0 H.m g0 H.m g0 H.m f4 F4 f6 F6 6996 Hon Dau 1.91 46 0.06 106 0.04 91 0.72 28 0.74 0 0 0 0
Bảng 2.2 Hiệu chỉnh theo mùa
Trích phần III, Lịch thủy triều Anh (NP205) trang 325 - SEASONAL CHANGES IN MEAN LEVEL
№ Jan 1 Feb 2 Mar 1 Apr 1 May 1 Jun 1 Jul 1 Aug 1 Sep 1 Oct 1 Nov 1 Dec 1 Jan 1 6996 0.0 -0.1 -0.1 -0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 +0.1 +0.1 +0.1 0.0 Bảng 2.3 Hệ số và góc thủy triều
Trích bảng VII, Lịch thủy triều Anh (NP205) trang xii - TIDAL ANGLES AND FACTORS MARCH M2 S2 K1 O1 Day A F A F A F A F 12 127 0.94 010 1.23 306 0.71 194 0.91 13 150 0.97 009 1.24 304 0.71 219 0.95 Phần A (section A) gồm: Bảng 2.4 Bảng mẫu NP.159
Port HON DAU Mean level
ATT. No. 6996 1. Z0 (part III) or (Tab.VI) 1.91 Date 12/03/2019 2. Seasonal change corr. (part III) -0.1
Time Zone -0700 3. Sum = ML 1.81
Note: n = 0 or smallest integer necessary to make line 8 > 6000 in M2 and S2
columns and > 3000 in K1 and O1 columns.
Rsin r = sum of H.Ft sinθ for M2 and S2 (a) H.Ft cosθ (K1) Rcos r = sum of H.Ft cosθ for M2 and S2 (b) H.Ft cosθ (O1)
Bảng 2.5 Section A (Phần A) Dự tính thuỷ triều theo ngày yêu cầu SECTION A (Phần A) M2 S2 K1 O1 4. A1 (Tab. VII) 127 010 306 194 5. A2 (Tab. VII) 150 009 304 219 6. A1 - A2 -23 1 2 -25 *7. 360n ( → n = 2) 720 720 360 360 8. (A1 - A2) + 360n = p 697 721 362 335 9. p/24 29.04 30.04 15.08 13.96 10. A1 (line 4) 127 010 306 194 11. g (part III) 046 106 091 028 12. A1 + g 173 116 37 222 13. F2 (Tab. VII) 0.97 1.24 0.71 0.95 14. F1 (Tab. VII) 0.94 1.23 0.71 0.91 15. F2 - F1 = P 0.03 0.01 0 0.03 16. P/24 0.0013 0.0004 0 0.0013
Thực hiện phần A (bảng 2.5) như sau:
1. Ghi tên cảng, số hiệu cảng, ngày tháng và múi giờ.
Cảng HON DAU, No. 6996, ngày yêu cầu 12/03/2019, Time zone: (-0700). 2. Tra phần III lịch thủy triều ATT, nhận được.
- Z0 (hoặc tra bảng VI) đưa vào dòng 1
(Trường hợp tra phần III, cột ML/ Z0 là "w" phải lấy số liệu từ bảng VI). - Seasonal change (hiệu chỉnh theo mùa) đưa vào dòng 2;
- Giá trị hằng số (g) đưa vào dòng 11;
3. Tra bảng VII lịch thủy triều ATT, nhận được:
- Giá trị của A vào ngày tiếp sau (A2) đưa vào dòng 5; - Giá trị của F vào ngày yêu cầu (F1) đưa vào dòng 14; - Giá trị của Fvào ngày tiếp sau (F2) đưa vào dòng 13.
4. Tổng của dòng 1 và dòng 2 được giá trị mực nước trung bình trong ngày ML, đưa vào dịng 3.
Đối với từng cột
5. Giá trị A1 - A2 đưa vào dòng 6.
6. Đưa giá trị 360n vào dòng 7 (n = 0 hoặc là số ngun nhỏ nhất để dịng 8 có giá trị lớn hơn 6000 ở cột M2, S2 và lớn hơn 3000 ở cột K1, O1).
7. Cộng dòng 6 và 7 để có tốc độ thay đổi hàng ngày của A (p = (A1 - A2) +