KIẾN THỨC CĂN BẢN VỀ KỸ THUẬT THỦY ĐIỆN

Nói chung hiệu suất (efficiency) của tuộc-bin và máy phát điện rất cao, hơn 95%, nên công suất của một nhà máy phát điện tùy thuộc phần lớn vào thế năng của nước và lưu lượng nước chảy qua tuộc-bin. Đây là hai thông số quan trọng khi thiết kế và xây dựng một nhà máy thủy điện.

> Đập và hồ chứa

Các nhà máy thủy điện cỡ vừa và cỡ lớn thường có hồ chứa, vì hồ chứa đáp ứng được hai mục đích:

(i)    nâng cao mực nước phía thượng lưu của nhà máy thủy điện, nghĩa là làm tăng thế năng của nước – nói cách khác là tăng công suất của nhà máy; và

(ii)   trữ nước trong mùa mưa để dùng trong mùa khô.

Giống như một trương mục tiết kiệm ở ngân hàng để cất giữ tiền dư cho những lúc thiếu hụt, hồ chứa dùng để tích trữ lượng nước thừa trong mùa mưa lũ và sử dụng khi cần thiết trong mùa khô hạn. Muốn có hồ chứa thì phải xây đập trừ phi có thể dùng hồ thiên nhiên để làm hồ chứa.

Đập càng cao thì mực nước hồ càng cao và sức chứa càng lớn nhưng chi phí đầu tư và diện tích đất đai bị chìm dưới lòng hồ cũng lớn theo. Như vậy người thiết kế phải tìm ra kích thước tối ưu của đập và hồ chứa. Điều này không đơn giản. Trước tiên phải xác định mục đích của hồ chứa: ngoài thủy điện thì hồ chứa còn nhiệm vụ gì khác, ví dụ như cấp nước cho nông nghiệp, cho thành phố, hay chống lũ, giao thông đường thủy, v.v..

Kế tiếp là phân tích số liệu thủy văn (hydrology) để biết được lượng nước vào hồ (reservoir inflow) thay đổi từng năm từng mùa như thế nào (seasonal distribution), tần suất nước mùa khô và mùa lũ ra sao (low flow frequency, flood flow frequency). Thường thì số liệu thủy văn không đầy đủ nên phải ước tính lưu lượng nước dựa trên các số liệu khí tượng bằng cách dùng một mô hình thủy văn (hydrologic model, rainfall-runoff model). Nếu số liệu khí tượng cũng thiếu thì có thể dùng các mô hình khí tượng để ước tính. Phương pháp dùng mô hình thủy văn để kéo dài số liệu về dòng chảy thường hiệu quả hơn là dùng các phương pháp thống kê (statistical methods)⁽¹⁾. Phẩm chất và số lượng của số liệu thủy văn có tính quyết định lên tất cả các tính toán của một dự án thủy điện, do đó cần sử dụng những phương pháp tân tiến nhất cho giai đoạn quan trọng này.

Có một sự tương quan giữa dung tích hồ chứa và lượng nước vào hồ; đó là chu kỳ tích nước và xả nước của hồ chứa, chu kỳ có thể là một năm cho hồ chứa khá lớn: tích nước dư vào mùa mưa để dùng thêm trong mùa khô. Chu kỳ này cũng có thể là một tuần lễ cho các hồ nhỏ: tích nước vào ngày nghỉ cuối tuần khi nhu cầu điện thấp để phát điện nhiều hơn trong những ngày làm việc khi nhu cầu điện cao hơn. Những hồ chứa thật lớn mất nhiều năm mới có thể làm đầy hồ thường không có năng suất sử dụng cao. Như vậy người thiết kế phải cân nhắc giữa chi phí xây đập và lợi ích mà hồ chứa sẽ mang lại.

Một tương quan khác là dung tích hồ chứa và công suất tối đa của nhà máy. Đây là một tương quan nghịch chiều và một lần nữa người thiết kế phải tìm một phối hợp tối ưu. Nhà máy có công suất nhỏ quá khi nước nhiều thì phải xả thừa (spill) nếu không còn chỗ chứa trong hồ, như vậy là chưa sử dụng hết tài nguyên nước. Nhà máy công suất lớn quá thì một phần lớn thời gian sẽ không chạy hết công suất, như vậy là hiệu quả sử dụng thấp. Có một điểm cần lưu ý là phần công suất dư không xài có thể dùng để dự phòng cho hệ thống (reserved capacity). Phương pháp isoquant⁽²⁾ có thể dùng để phân tích kinh tế tương quan giữa hai thành phần đắt tiền nhất của một dự án thủy điện là hồ chứa và nhà máy.

Đập thường làm bằng các vật liệu dễ có như đất, đá, bê-tông. Trừ đập tràn (overflow dam) là loại đập cho phép nước chảy tràn qua đỉnh đập, các loại đập khác đều được xây như thế nào để mức nước hồ không thể vượt qua đỉnh đập. Nghĩa là đập phải có chỗ để xả nước (spillway) khi có lũ lớn và hồ đã đầy không thể chứa thêm. Chỗ xả nước - là phần đắt tiền nhất của đập - có thể là một đường hầm xuyên qua lòng đập có van đóng mở hoặc một đoạn đập tràn có cửa đóng mở hoặc cả hai. Khi hồ đã đầy và lượng nước vào hồ lớn hơn sức xả tối đa của đập thì nước sẽ tràn qua đỉnh đập và có nguy cơ làm vỡ đập. Người thiết kế đập phải cân nhắc giữa chi phí xây dựng chỗ xả nước và nguy cơ vỡ đập làm thiệt hại ở hạ lưu. Nếu vỡ đập có thể làm thiệt hại nhân mạng thì đập phải được thiết kế như thế nào để có thể xả được lượng nước của cơn lũ cực đại (probable maximum flood - PMF)⁽³⁾.

> Nhà máy và tuộc-bin

Đây là một bộ phận thuộc loại đắt tiền nhất nhì trong một dự án thủy điện, vì vậy kích cỡ của nhà máy cần được tính toán kỷ lưỡng về mặt kinh tế. Vì nước chảy vào hồ từ thượng nguồn của lưu vực thay đổi nhiều trong năm, lượng nước vào mùa mưa lũ có thể gấp trăm hay gấp ngàn lần lượng nước vào mùa khô kiệt nên câu hỏi cho nhà thiết kế là nên sử dụng tài nguyên nước đến mức nào (bằng cách xác định kích cỡ của tổ hợp hồ chứa và nhà máy) để có thể tạo ra hiệu quả kinh tế cao nhất trong việc sử dụng nguồn nước đồng thời giảm thiểu tối đa những ảnh hưởng xấu lên môi trường ở thượng nguồn cũng như ở hạ lưu của dự án.

Tuộc-bin được chọn lựa phần lớn tùy theo chiều cao cột nước (water column) – tức là chênh lệch độ cao giữa mực nước trên và dưới nhà máy - và lưu lượng nước, cũng như chi phí bố trí và xây cất nhà máy và các bộ phận thủy lực khác. Hiệu suất của mỗi loại tuộc-bin khác nhau và thay đổi theo mực nước cũng như lưu lượng nước. Đây là những yếu tố cần xem xét khi xác định bao nhiêu tổ máy (unit) nên có trong một nhà máy. Sử dụng một mô hình điện toán có khả năng tính toán tối ưu (optimization model) nhiều phương án khác nhau để so sánh và chọn lựa là phương pháp hay nhất hiện nay.

> Ảnh hưởng lên môi trường của dự án thủy điện

Bất cứ một công trình xây dựng nào của con người đều tác động lên thiên nhiên không nhiều thì ít, từ một tòa nhà, một con đường, cây cầu, một cái đập nước, v.v.. Vì vậy bổn phận của người xây dựng, cũng như chính quyền cung cấp giấy phép xây dựng, là cân nhắc hai phương diện đối nghịch với nhau: (i) sự cần thiết và lợi ích mang lại cho con người của công trình sẽ xây dựng, và (ii) tác hại trước mắt cũng như lâu dài của công trình đó. Sự cân nhắc tính toán này chỉ được thực hiện đầy đủ và hợp lý khi những người có trách nhiệm biết đặt quyền lợi chung của công chúng lên trên hết, và sử dụng các phương pháp phân tích tân tiến nhất.

Xây dựng một cái đập trên một con sông cũng giống như xây một xa lộ qua một vùng hoang dã, nó sẽ chia cắt môi trường thiên nhiên thành hai không gian khác nhau. Trong trường hợp đập có hồ chứa để điều hòa dòng nước thì dòng chảy tự nhiên của con sông sẽ thay đổi. Sự thay đổi sẽ nhiều hay ít tùy theo hồ chứa được vận hành như thế nào. Khi dòng chảy tự nhiên của một con sông thay đổi thì hệ sinh thái trong lưu vực con sông đó cũng bị ảnh hưởng và có thể mất một thời gian khá lâu mới tìm được sự cân bằng mới. Quá trình này ảnh hưởng như thế nào lên môi trường sống của con người và thiên nhiên cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để có thể đánh giá mức độ tác động của dự án.

Các dự án thủy điện thường nằm ở những vùng rừng núi nên khi xây dựng cần phải khai quang một diện tích lớn để xây các công trình như đường sá, đập, nhà máy, đường dây dẫn điện, v.v.. Phần lòng hồ sẽ bị ngập nước cũng phải được khai quang và dân cư trong vùng phải được dời đi chỗ khác. Những hoạt động này sẽ ảnh hưởng lên môi trường thiên nhiên đã có sẵn trước đó và tác động lên hệ sinh thái của khu vực. Đời sống của dân cư trong vùng cũng như các giá trị văn hóa lịch sử của khu vực dự án cũng sẽ bị thay đổi hoặc biến mất.

Để có thể đánh giá đúng đắn lợi ích của một dự án thủy điện, tất cả các yếu tố nêu trên cần được phân tích đầy đủ, kể cả những thiệt hại hay lợi ích không thể quy ra tiền.

> Vận hành hệ thống thủy điện

Các nhà máy thủy điện kết nối với hệ thống điện khu vực hay quốc gia phải hoạt động như một phần tử của hệ thống, nghĩa là chịu sự chi phối của các yếu tố như phụ tải (load – nhu cầu điện), các nhà máy phát điện khác trong hệ thống, đường dây truyền tải điện, ổn định hiệu thế (voltage) và tần suất (frequency) của hệ thống,... Vì phụ tải thay đổi từng giây phút nên các nhà máy phát điện cũng phải thay đổi công suất phát điện từng giây phút, và phải duy trì đủ công suất dự trữ phòng khi một hay nhiều tổ máy phát điện bị trục trặc vì một lý do nào đó. Một ưu điểm của thủy điện là có thể khởi động và phát đến công suất tối đa chỉ trong vòng vài phút trong khi nhiệt điện (trừ tuộc-bin khí – gas turbine) phải mất vài giờ hay nhiều hơn trong trường hợp điện nguyên tử. Do đó nhiệt điện thường dùng để đáp ứng phần nền (là phần ít thay đổi) của biểu đồ phụ tải (load curve) và thủy điện thường dùng để đáp ứng phần đỉnh là phần thay đổi thường xuyên.

Nguyên tắc vận hành một nhà máy thủy điện để phát được nhiều điện nhất có thể thu gọn trong ba tiêu chuẩn:

(i)   giữ mực nước hồ càng cao càng tốt để tối đa hóa thế năng của nước;

(ii) duy trì lượng nước chạy máy càng nhiều càng tốt, hay nói cách khác là giảm thiểu lượng nước xả thừa; và

chạy tuộc-bin ở điểm có năng suất cao nhất.

Tiêu chuẩn (i) và (ii) mâu thuẫn với nhau vì khi mực nước hồ cao thì xác suất xả thừa cũng sẽ cao. Tiêu chuẩn (iii) có thể mâu thuẫn với tiêu chuẩn (ii) khi nước có quá nhiều cần phát tối đa là điểm mà năng suất của tuộc-bin không phải là cao nhất.

Trong một thị trường mua bán điện tự do với giá điện thay đổi từng giờ thì bài toán trở thành tối đa hóa tiền lời bán điện chứ không phải tối đa hóa lượng điện phát ra. Cộng thêm yếu tố bất định từ dự báo giá điện, bài toán tối ưu vận hành nhà máy hay hệ thống thủy điện trở nên phức tạp hơn.

Một hồ chứa thủy điện có dung tích nhỏ với chu kỳ tích xả nước hàng ngày hay hàng tuần tương đối dễ vận hành hơn là một hồ chứa lớn với chu kỳ tích xả nước kéo dài vài tháng hay một năm. Sự khác biệt là ở dự báo thủy văn ngắn hạn và dài hạn. Điều quan trọng trong vấn đề vận hành một hồ chứa lớn là không để hồ cạn kiệt trước khi mùa mưa bắt đầu và giữ lượng nước xả thừa ở mức tối thiểu vào mùa nước lớn. Dự báo dài hạn lượng nước vào hồ do đó trở nên cần thiết để có thể tận dụng tài nguyên nước một cách hiệu quả nhất cũng như giảm thiểu những tác động xấu khi hạn hán hay lũ lụt. Phương pháp xác suất (probabilistic approach) thường được sử dụng trong dự báo thủy văn dài hạn⁽⁴⁾, và bài toán vận hành trở thành bài toán tối ưu ngẫu nhiên (stochastic optimization)⁽⁵⁾.

Thông thường trong một hệ thống thủy điện bậc thang, vì dung tích các hồ chứa cũng như công suất thủy lực của các nhà máy không đồng bộ (mismatched) nên việc vận hành cần được phối hợp chặt chẽ mới có thể đạt hiệu quả cao nhất cho cả hệ thống. Khi các nhà máy nằm trên một con sông thuộc về những chủ nhân khác nhau thì vấn đề phối hợp hàng ngày sẽ khó khăn hơn, tuy nhiên khi điều tiết chống lũ cho hạ lưu thì vấn đề phối hợp trở thành bức thiết.

MỘT VÀI QUY TRÌNH VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN

Nước mặt cũng như nước ngầm là tài nguyên của quốc gia, của quần chúng. Vì vậy bất cứ một công trình thủy lợi nào được xây dựng để sử dụng tài nguyên nước cũng phải dựa trên nguyên tắc căn bản này. Chỉ có như vậy mới bảo đảm rằng không một nhóm lợi ích nào được hưởng lợi một mình trên tài sản công. Nếu một hồ chứa thủy điện mang lại lợi ích hàng tỉ đồng cho công ty phát điện nhưng làm thiệt hại hàng tỉ đồng khác vì phá rừng, lũ lụt, ảnh hưởng xấu lên môi trường, v.v.. thì rõ ràng dự án thủy lợi này sẽ không có lợi mà chỉ có hại trên bình diện quốc gia hay khu vực.

Bất kỳ một hồ chứa lớn nào, không nhiều thì ít, cũng có khả năng điều tiết dòng nước bằng cách tích nước dư thừa trong mùa mưa để tăng cường dòng chảy trong mùa khô hạn. Tuy nhiên lợi ích cục bộ của một nhà máy thủy điện đôi lúc mâu thuẫn với chức năng căn bản của một hồ chứa. Ví dụ trong mùa khô hạn nhà máy có thể quyết định ngưng phát điện trong một thời gian nào đó (nghĩa là không xả nước về hạ lưu) vì nhiều lý do khác nhau (chẳng hạn để sửa chữa tuộc-bin hay vì giá điện quá rẻ). Tương tự trong mùa lũ nhà máy có thể giữ mực nước hồ cao (để tăng công suất phát điện) do đó làm giảm khả năng điều tiết lũ của hồ chứa.

Để phát huy được tối đa tài nguyên nước, chính quyền – là người quản lý tài nguyên và điều hòa lợi ích chung cho cả khu vực – cần có những quy định hợp lý trong việc vận hành các nhà máy thủy điện để bảo đảm tài nguyên nước của quần chúng được sử dụng một cách công bằng cho toàn xã hội.

> Lưu lượng tối thiểu của dòng sông

Để bảo đảm dòng sông phía hạ lưu của hồ chứa luôn luôn có nước trong mùa khô, hồ phải xả nước ngay cả khi nhà máy không hoạt động. Nhà máy thủy điện phải duy trì một lưu lượng tối thiểu trong sông (minimum instream flow) ở bất kỳ thời điểm nào vì lý do môi trường, cung cấp nước hay giao thông thủy. Lưu lượng tối thiểu được quy định dựa trên nhu cầu và lợi ích của hạ lưu được cân bằng với thiệt hại của nhà máy điện như thế nào để lợi ích chung của xã hội được bảo đảm ở mức cao nhất có thể. Lưu lượng tối thiểu được xác định qua các nghiên cứu về môi trường và nhu cầu khác nhau của hạ lưu, và có thể thay đổi tùy theo lượng mưa trên lưu vực của hồ chứa.

Quy định về lưu lượng tối thiểu của dòng sông đặc biệt quan trọng khi nhà máy thủy điện (là nơi xả nước về hạ lưu) không nằm cùng dòng sông với hồ chứa (như trường hợp nhà máy thủy điện Đa-nhim). Trong trường hợp này hồ chứa phải xả nước thường xuyên qua đường hầm ở chân đập (low level outlet) để duy trì lưu lượng tối thiểu trong sông ở phía hạ lưu của hồ chứa. Trường hợp nhà máy tuy cùng ở trên dòng sông nhưng ở xa hồ chứa thì quy định này cũng nên áp dụng để cho khúc sông giữa hồ chứa và nhà máy luôn luôn có nước.

> Mức độ thay đổi lưu lượng nước trong sông

Như đã nói ở trên, thủy điện thường được dùng để đáp ứng phần đỉnh của biểu đồ phụ tải và thay đổi tùy theo nhu cầu điện. Do đó lượng nước chạy máy được xả ra sông có thể thay đổi đột ngột và điều đó có thể tác động xấu cho vùng hạ lưu như làm sụt lở bờ sông, ảnh hưởng lên loài cá nhất là trong mùa sinh đẻ, có thể gây nguy hiểm cho các hoạt động trên mặt nước của con người, v.v.. Để giảm thiểu tác hại, nhà máy thủy điện phải tăng hay giảm lượng nước chạy máy một cách từ từ theo một tốc độ cho phép nào đó.

> Mực nước hồ

Nếu hồ còn được dùng cho các mục đích giải trí công cộng thì mực nước hồ cũng như mức độ thay đổi của mực nước có thể bị khống chế trong một giới hạn nào đó vào mùa hè hay vào những ngày nghỉ, ngày lễ, để phục vụ quần chúng. Nhà cửa xây dựng chung quanh bờ hồ cũng đòi hỏi mực nước hồ không được cao quá hay thấp quá vào một số giờ trong ngày. Tóm lại ngoài chức năng phát điện việc vận hành hồ chứa phải đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau của người dân.

> Mực nước ở hạ lưu

Mực nước sông ảnh hưởng giao thông đường thủy và một số sinh hoạt của dân cư ven sông. Lượng nước xả từ nhà máy thủy điện và hồ chứa sẽ tác động lên mực nước sông vùng hạ lưu, do đó nhu cầu phát điện nếu xung đột với những nhu cầu khác của người dân vùng hạ lưu cần phải được phân tích để đạt được một thỏa thuận có lợi ích cao nhất cho cộng đồng.

VẤN ĐỀ LŨ LỤT Ở VIỆT NAM

Ngoài lý do thiên nhiên là mưa nhiều tạo nên lũ lụt, đôi lúc tác động của con người lại là nguyên nhân chính. Nếu chia một lưu vực thành ba vùng: thượng lưu là núi rừng, vùng ngập lụt là nơi dân cư sinh sống, và hạ lưu là cửa sông đổ ra biển, thì thiệt hại do lũ lụt sẽ ở mức tối thiểu nếu:

(i)  nước lũ được giữ lại phần nào nhờ rừng, nhờ thảm thực vật ở thượng lưu và nhờ các hồ chứa thiên nhiên cũng như nhân tạo;

(ii) hệ thống thoát nước đầy đủ và hiệu quả ở vùng ngập lụt, gồm có kênh rạch, cống rãnh,..., ở đây hồ ao thiên nhiên cũng góp phần điều tiết nước lụt;

(iii) tránh xây dựng ở các điểm thấp bị ngập lụt thường xuyên; và

(iv) cửa sông được khai thông để nước có thể thoát ra biển dễ dàng.

Vì tài nguyên nước là của chung nên khi cấp giấy phép xây dựng và vận hành một dự án thủy điện, nhà nước phải cân nhắc tính toán đến các lợi ích khác, thiết thực nhất là khả năng điều tiết lũ của hồ chứa. Như vậy ngay từ đầu cần xác định rõ ràng bao nhiêu dung tích của hồ chứa sẽ được dùng để điều tiết lũ. Phần dung tích này được xác định bằng biểu đồ chống lũ (flood control guide curve) là biểu đồ chỉ mực nước hồ cao nhất mà nhà máy có thể tích nước cho mục đích phát điện. Phần dung tích của hồ chứa từ biểu đồ chống lũ đến mức nước cao nhất của hồ chứa chỉ để dành cho việc điều tiết lũ. Khi mùa lũ bắt đầu vào một ngày đã ấn định trong năm mực nước hồ phải thấp hơn hoặc bằng mức của biểu đồ chống lũ. Từ ngày đó trở đi cho đến hết mùa lũ, việc điều tiết lũ sẽ không do nhà máy mà do một cơ quan khác đảm nhiệm. Điều này càng quan trọng hơn trong một hệ thống thủy điện bậc thang khi sự phối hợp giữa các nhà máy trên một con sông trở thành bắt buộc.

> Quan trắc và dự báo thủy văn

Dự báo thủy văn chiếm một vai trò quan trọng trong việc điều tiết lũ qua hồ chứa. Thông thường dự báo thủy văn dựa trên dự báo khí tượng và các số liệu quan trắc trong lưu vực của hồ chứa. Lượng mưa thay đổi tùy theo địa hình và cao độ cũng như sự chuyển động của khí quyển, do đó cần có nhiều trạm đo mưa mới có thể ước tính chính xác lượng mưa trên toàn lưu vực. Các trạm đo lưu lượng nước sông ở thượng nguồn cho phép đánh giá tình hình trước khi nước lũ chảy đến hồ chứa. Dựa trên dự báo khí tượng, một người vận hành (operator) có kinh nghiệm về lưu vực và chế độ thủy văn khí tượng trong khu vực có thể dự báo khá chính xác lượng nước vào hồ trong vài ngày sắp tới nếu tình hình tương tự với những gì đã xảy ra trong quá khứ. Nếu thảm thực vật trong lưu vực đã thay đổi nhiều thì kinh nghiệm cũng như số liệu quan trắc thủy văn trước đó sẽ không còn giá trị bao nhiêu.

Dự báo thủy văn ở Bắc Mỹ thường dựa trên các mô hình lưu vực (watershed model) để tính toán dòng chảy dựa trên số liệu khí tượng và số liệu về địa hình địa chất của lưu vực. Ưu điểm của những mô hình này là mô phỏng (simulate) được tính chất và tác động vật lý của lưu vực, từ tính chất bốc thoát hơi nước do bức xạ và thực vật, đến sự chảy trên mặt và chảy ngầm của nước tùy theo địa hình và cấu tạo địa chất cũng như tác động của độ ẩm trong đất (soil moisture), nước ngầm, v.v.. Vì vậy khi có sự thay đổi trong lưu vực như thay đổi thảm thực vật vì đô thị hóa hay khai thác rừng thì các thông số liên hệ có thể điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện mới. Một điều gần như hiển nhiên là dự báo khí tượng và thủy văn không bao giờ chính xác hoàn toàn, do đó người điều hành đập và nhà máy phải có biện pháp để đối phó với những tình huống khác với dự báo. Một hệ thống quan trắc đầy đủ (ở thượng lưu cũng như hạ lưu) với số liệu liên tục cập nhật tức thời (in realtime) sẽ giúp người điều hành theo dõi sát biến chuyển của nước lũ ở thượng lưu và mức độ ngập lụt ở hạ lưu.

> Điều tiết hồ chứa chống lũ

Trong suốt mùa lũ hồ chứa phải ở dưới mức ấn định để dành dung tích hồ còn lại sẵn sàng cho việc điều tiết lũ. Khi có dự báo một cơn lũ sắp đến, người điều hành hồ chứa phải quyết định bao nhiêu nước sẽ giữ lại và bao nhiêu sẽ được xả xuống hạ lưu sau khi được cung cấp thông tin về dự báo đồ thị nước lũ (flood hydrograph). Đây là một quyết định quan trọng vì lượng nước được giữ lại trong hồ chứa, nếu không kịp xả ra, sẽ làm giảm khả năng cắt lũ trong một vài ngày sắp tới khi một cơn lũ thứ hai có thể xuất hiện. Nước lũ xả ra từ hồ chứa sẽ ảnh hưởng lên mực nước sông ở hạ lưu như thế nào cũng cần được tính toán để xác định lưu lượng và thời khắc phải xả.

Có hai vấn đề trong việc xả lũ:

(ii)  nếu xả hết trong giai đoạn đầu của con lũ - để giữ dung tích cắt lũ của hồ chứa càng nhiều càng tốt - dự phòng lũ sẽ đến nhiều hơn, và nếu sau đó lũ không đến nhiều như dự báo thì hồ chứa đã không làm được nhiệm vụ cắt lũ hữu hiệu;

(ii) nếu chỉ xả một phần, giữ lại một phần nước lũ trong hồ chứa và lũ tiếp tục đến nhiều hơn mức dự báo thì mực nước trong hồ chứa sẽ tiếp tục tăng. Khi mực nước hồ lên đến tối đa thì hồ không còn sức chứa để điều tiết lũ và buộc phải xả bằng lưu lượng nước vào hồ để giữ cho đập khỏi bị tràn có thể gây vỡ đập.

Phần xả thừa của đập (spillway) phải được thiết kế để xả thoát được những cơn lũ lớn, có thể là lũ có tần suất 1000 năm, 10.000 năm hay lũ cực đại PMF tùy theo mức độ thiệt hại ở hạ lưu khi vỡ đập.

> Mô hình chống lũ

Từ những quan sát ở trên, ta có thể nhận thấy để chống lũ có hiệu quả cần có những yếu tố sau đây:

- một hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn đầy đủ ở thượng lưu và hạ lưu hồ chứa có khả năng thông tin số liệu đo đạc tức thời, cho phép người điều hành theo dõi tình hình biến chuyển của lũ trên toàn lưu vực,

- một mô hình dự báo khí tượng thủy văn chính xác đáng tin cậy được cập nhật tức thời các số liệu quan trắc, từ đó có thể cập nhật dự báo thường xuyên,

- một hệ thống thông tin hữu hiệu giữa những người điều hành đập, ủy ban chống lũ, các cấp chính quyền địa phương, và quần chúng

- một mô hình điều tiết hồ chứa cho phép người điều hành đập tính toán mức độ ảnh hưởng ở hạ lưu đối với các phương án xả lũ khác nhau (a simulation model) hoặc tính toán tối ưu phương án xả lũ để tối thiểu hóa thiệt hại vì lũ (an optimization model).

Một mô hình điện toán chống lũ hiện đại nhất (state-of-the-art flood control computer model) thường gồm có những yếu tố kể trên: một mô hình điều tiết chống lũ của hồ chứa được thường xuyên cập nhật thông tin từ mô hình dự báo thủy văn nối kết với dự báo khí tượng, quan trắc khí tượng và thủy văn, mô hình thủy lực (để tính toán mực nước ở các điểm chính của sông và vùng ngập lụt), và hệ thống thông tin liên lạc giữa người vận hành, các cấp hữu quyền và người dân.

> Hồ sơ và số liệu

Tất cả hồ sơ, số liệu quan trắc về khí tượng thủy văn, dự báo, các con số tính toán về lượng nước vào hồ, lượng nước xả, mực nước hồ, v.v.. phải được ghi chép và lưu trữ cẩn thận cho các mục đích phân tích hay huấn luyện sau này. Trong trường hợp có kiện tụng giữa những người bị thiệt hại vì lũ lụt và những người có trách nhiệm chống lũ thì những số liệu này sẽ được dùng để tạo dựng lại các tình huống đã xảy ra với mục đích xác định trách nhiệm của các cấp hữu quyền.

KẾT LUẬN

Con người sử dụng tài nguyên thiên nhiên và khoa học kỹ thuật để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của xã hội, nhưng cũng từ đó nảy sinh ra các vấn đề về công bằng xã hội, phân bố và sử dụng tài nguyên một cách tối ưu, trình độ quản lý và vận hành của nhà đầu tư và các cấp hữu quyền, v.v..

Có thể rút ra một số kết luận cho bài viết này như sau:

Các dự án thủy điện cần được quy hoạch và thiết kế dựa trên nguyên tắc sử dụng tài nguyên nước có hiệu quả nhất cho toàn xã hội, trong đó vấn đề tác động môi trường cần được nghiên cứu nghiêm túc để bảo đảm rằng các thế hệ tương lai không phải trả giá cho phát triển kinh tế hiện tại,

2. Các nhà máy thủy điện phải được vận hành cho lợi ích của toàn xã hội, trong đó mục đích phát điện phải cân bằng với những lợi ích công cộng khác,

3. Công tác chống lũ có hiệu quả đòi hỏi quy trình hợp lý, số liệu quan trắc đầy đủ, dự báo đáng tin cậy, người điều hành có kinh nghiệm và một cơ chế chính quyền hữu hiệu.

> Chú thích:

(1)        Một mô hình thủy văn, sau khi được xây dựng và hiệu chỉnh (calibrated) cho một lưu vực, có thể dùng để ước tính dòng chảy cho những năm không có số liệu đo đạc nếu có số liệu về khí tượng của lưu vực trong những năm đó. Nếu mô hình được hiệu chỉnh tốt thì số liệu dòng chảy ước tính từ số liệu khí tượng sẽ biểu trưng được chế độ thủy văn của những năm không đo đạc đó. Nếu số liệu dòng chảy được ước tính bằng phương pháp thống kê với những thông số rút ra từ chuỗi số liệu đo đạc của những năm khác thì kết quả sẽ không mang dấu ấn của tình hình khí tượng những năm đó.

(2)        Isoquants là những biểu đồ chỉ những cặp của hai biến số để cho cùng một kết quả. Trong trường hợp này hai biến số là công suất nhà máy và dung tích hồ chứa để tạo ra cùng sản lượng điện. Từ đó có thể tính chi phí và lợi nhuận của từng trường hợp để chọn phương án tối ưu.

(3)        Lũ cực đại có thể (probable maximum flood – PMF) được định nghĩa là cơn lũ do những điều kiện khí tượng thủy văn tới hạn được kết hợp trong tình huống xấu nhất. PMF là kết quả của PMP (probable maximum precipitation – mưa cực đại có thể), và PMP được định nghĩa là cơn mưa cực đại trên lý thuyết có thể xảy trên một địa hình nào đó vào một thời gian nào đó trong năm. Như vậy muốn tính PMF thì trước hết phải tính PMP cho lưu vực của dự án và dùng một mô hình thủy văn để tính PMF với PMP là số liệu nhập (input).

(4)        Dự báo dài hạn thủy văn dùng mô hình với những thông số như điều kiện ban đầu (initial conditions) của lưu vực, nhiều kịch bản (scenarios) khác nhau của dự báo khí tượng dài hạn để tính toán những chuổi số liệu thủy văn có thể xảy ra trong những tháng sắp tới. Nếu không có dự báo khí tượng dài hạn thì có thể dùng dự báo ngắn hạn cùng với số liệu khí tượng của những năm trong quá khứ. Các chuổi số liệu thủy văn được tính toán theo phương pháp này có thể được giả thiết có cùng xác suất xuất hiện như nhau.

(5)        Tối ưu hóa ngẫu nhiên là phương pháp tính toán tối ưu trong đó có một hay nhiều hệ số mang yếu tố ngẫu nhiên (random) hay có tính chất xác suất (probabilistic). Đối nghịch là phương pháp tối ưu hóa xác định (deterministic) trong đó các hệ số được xác định một cách chắc chắn.

đã đăng trên VietEcology.org

Lũ nhân tạo lại “góp phần” làm ngập TP Tuy Hòa Do hồ chứa của các nhà máy thủy điện đã đạt cao trình thiết kế nên từ chiều 8.11, các nhà máy tiếp tục tăng lưu lượng xả lũ. Đến 9 giờ ngày 9.11, các nhà máy thủy điện đã tăng lượng xả lũ lên gần 7.500 mét khối/giây; trong đó nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ đang xả 4.486 mét khối/giây, thủy điện Sông Hinh 2.000 mét khối/ giây, nhà máy thủy điện Krông H’năng xả 1.000 mét khối/giây. Theo Ban chỉ huy phòng chống lụt bão và tìm kiếm cứu nạn tỉnh Phú Yên, do mưa lớn kết hợp với các nhà máy thủy điện tăng lưu lượng xả lũ nên từ chiếu tối 8.11, một lần nữa lũ đã tràn vào nội ô thành phố Tuy Hòa, làm ngập nhiều tuyến phố chính từ 0,5 đến 0,7 mét, nước tràn vào nhà dân ở những khu vực thấp. Bà con tiểu thương ở chợ trung tâm thành phố Tuy Hòa đã phải dọn hàng hóa lên Ngã 5 để buôn bán các mặt hàng thực phẩm và trái cây là chủ yếu. Hiện nhiều tuyến phố nội ô thành phố Tuy Hòa vẫn còn ngập, gây khó khăn trong việc đi lại và buôn bán Dự báo trong 12 giờ tới còn có mưa vừa, mưa to, có nơi mưa rất to, mực nước các sông xuống chậm nhưng vẫn đạt đỉnh lũ từ báo động 2 đến báo động 3. Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão và tìm kiếm cứu nạn tỉnh Phú Yên yêu cầu các đơn vị quản lý hồ chứa theo dõi chặt chẽ diễn biến mực nước để phối hợp vận hành điều tiết đảm bảo an toàn công trình và hạn chế mức độ ngập lụt hạ du. Đọc báo: Phú Yên – Bình Định: mưa, lũ dồn dập, hơn 10 người chết và mất tích Mỗi năm bão lụt trên cả nước làm 750 người thiệt mạng

©          http://vietsciences.free.fr  và http://vietsciences.org Đỗ văn Tùng