Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tác dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải - thực hiện thí điểm trên tuyến luồng Hải Phòng (15/05/2024)

Cảng biển Hải Phòng là một trong ba khu vực cảng biển lớn nhất Việt Nam, là đầu mối lưu thông hàng hóa chính của khu vực miền Bắc bằng đường biển. Công tác dẫn tàu trên các tuyến luồng cảng biển hàng hải của nước ta nói chung và tuyến luồng hàng hải Hải Phòng nói riêng, được thực hiện bởi hoa tiêu bắt buộc. Do đặc điểm của tuyến luồng Hải Phòng là tuyến luồng một chiều có ga tránh, phức tạp, nơi giao nhau của nhiều nhánh sông, nhiều đoạn rất hẹp, nhiều khúc quanh co, nhiều khu vực nông cạn cục bộ,…Trung bình một ngày khoảng 50 lượt tàu biển ra vào cập cầu cảng Hải Phòng, có thời điểm 70 lượt tàu biển ra vào cảng. Việc tính toán thời gian dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải để cập cầu cảng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thực tiễn hàng hải để đảm bảo điều động tàu cập cầu an toàn, nguyên tắc chung là cập ngược nước (cập ngược với chiều dòng chảy). Vì vậy, một trong những yếu tố quan trọng là tính toán thuỷ triều, bởi thuỷ triều dâng hay rút sẽ tạo ra dòng chảy ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải, đặc biệt thời điểm tàu đến khu vực điều động cập cầu.

Hiện nay, hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải đều dùng Bảng thuỷ triều do Trung tâm Hải văn thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo (Bộ Tài nguyên và Môi trường) ấn hành, mỗi năm một bộ (hàng năm đều thay đổi). Việc sử dụng Bảng thuỷ triều có những nhược điểm như: Bảng thuỷ triều chỉ cho biết thời gian nước lớn và thời gian nước ròng trong một ngày tại một khu vực địa lý, vì vậy việc dự đoán thuỷ triều tại các thời điểm khác (không ghi trong bảng thuỷ triều) cần phải tính toán nội suy. Điểm hạn chế lớn của áp dụng Bảng thủy triều là độ chính xác không cao, không có tính liên tục và không trực quan, gây khó khăn cho hoa tiêu và thuyền trưởng khi dẫn tàu. Để khắc phục nhược điểm này, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam chủ trì thực hiện đề tài KH&CN cấp Bộ: Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tác dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải - thực hiện thí điểm trên tuyến luồng Hải Phòng, PGS.TS. Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm. Bên cạnh việc kế thừa số liệu của Bảng thuỷ triều, nhóm nghiên cứu thực hiện khảo sát, đo đạc số liệu thực địa tại các khu vực trên tuyến luồng nghiên cứu, đặc biệt là các khu vực tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất an toàn hàng hải trên tuyến luồng Hải Phòng, kết hợp với chương trình tính toán mô phỏng, kỹ thuật xây dựng bản đồ khu vực nhằm đưa ra bản đồ dòng chảy (thực chất là bản đồ dòng triều), trên đó hiển thị cụ thể hướng dòng chảy, tốc độ dòng chảy tại từng thời điểm của mỗi ngày.

Đo vận tốc dòng chảy gần bờ.

Triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đưa ra quy trình chung xây dựng mô hình bài toán từ kích thước hình học qua bình đồ cập nhật, đến các tiêu chuẩn đồng dạng sử dụng để có được mô hình bài toán phù hợp với cấu hình máy tính hiện tại; đồng thời đưa ra quy trình ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng nhằm xác định trường phân bố vận tốc trên tuyến luồng theo thời gian, các bước liên quan đã được làm rõ và dẫn chứng cụ thể. Trên cơ sở quy trình chung ứng dụng CFD này, nhóm tác giả thực hiện tính toán mô phỏng thử nghiệm cho một số đoạn tuyến luồng Hải Phòng.

Việc tính toán mô phỏng được chia làm 10 đoạn từ Cầu Bính ra tới Lạch Huyện. Nghiên cứu không thể khảo sát hết cho các đoạn trong nhiều năm theo thời gian thực, vì vậy Ban chủ nhiệm tiến hành ở một vài đoạn có thiết bị đo tin cậy theo thời gian thực, từ đó hiệu chỉnh bài toán nhằm tính toán bằng phương pháp số để đưa ra giá trị các đoạn kế tiếp. Để xác định được giá trị vận tốc dòng chảy tại 10 mặt cắt theo giờ trong ngày theo tháng trong năm, nghiên cứu sử dụng 3 bộ dữ liệu để phân tích gồm: Bảng thủy triều (cho biết mực thủy triều theo giờ); Giá trị đo tại trạm quan sát (cho biết mực thủy triều theo giờ) và Giá trị đo của nhóm nghiên cứu (bao gồm mực thủy triều và vận tốc dòng chảy tại mặt cắt khảo sát). Trong 3 bộ dữ liệu trên, nhóm nghiên cứu tính sai lệch để đưa ra hệ số hiệu chỉnh theo giờ về tốc độ dòng chảy tại 10 mặt cắt trên cơ sở dữ liệu của Bảng thủy triều hàng năm. Điều này khẳng định, các yếu tố nhiễu mang tính quy luật tại khu vực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng đã được kể đến. Khi có được bộ điều kiện biên thể hiện tốc độ dòng chảy tại các mặt cắt khảo sát, nhóm nghiên cứu đưa vào mô hình tính toán bằng CFD để đưa ra được trường vận tốc dòng chảy trên toàn bộ từng đoạn tuyến luồng một cách rõ ràng nhất (thể hiện phương, chiều, độ lớn), các kết quả tính toán có thể thể hiện trên mặt thoáng hoặc theo các mặt cắt ngang.

Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng tốc độ dòng chảy trên tuyến luồng Hải Phòng được nhóm tác giả sử dụng bộ dữ liệu của các trạm quan trắc. Đây là bộ dữ liệu rất lớn được ghi lại theo thời gian thực 10 phút 1 lần và liên tục theo hàng năm. Bộ dữ liệu này cho phép phân tích để chỉ ra các hệ số sai lệch giữa giá trị thực và giá trị trong Bảng thủy triều hàng năm. Điều này khẳng định việc tính toán đã kể tới các yếu tố ngoại cảnh tại khu vực khảo sát. Việc sử dụng thiết bị đo dòng chảy để kiểm chứng tại các mặt cắt theo 10 đoạn tuyến luồng, từ đó hiệu chỉnh dữ liệu mô hình tính toán mô phỏng bằng CFD. Với kết quả thực nghiệm, nghiên cứu hoàn thiện một bộ bản đồ dòng chảy năm 2019 với 365 tờ tương ứng với 365 ngày.

Như vậy, so với Bảng thủy triều chỉ cho biết giá trị thủy triều tại một vị trí Hòn Dáu của khu vực Hải Phòng, việc sử dụng bản đồ dòng chảy bước đầu thay thế Bảng thuỷ triều giúp hoa tiêu, thuyền trưởng theo dõi liên tục hướng và tốc độ dòng chảy tại mọi thời điểm trong ngày của khu vực khảo sát một cách chính xác và tường minh. Đây là một đóng góp lớn, không chỉ mang ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn, mà còn mang tính đột phá về công nghệ áp dụng trong thực tiễn khoa học hàng hải. Từ việc xây dựng thử nghiệm bản đồ này trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng sẽ mở ra rất nhiều triển vọng khả thi trong việc triển khai thực hiện tại bất kỳ tuyến luồng hàng hải, khu vực hàng hải, từ đó tiến tới hoàn thiện sản phẩm và đăng ký sở hữu trí tuệ; đồng thời phục vụ công tác đào tạo nghiên cứu sinh, huấn luyện thuyền viên hay công tác thanh tra an toàn hàng hải. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng hoặc Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia./.