Công trình tự thoát nước: tràn bên trên bờ kênh không có cánh cống trên đỉnh tràn khi được thiết kế đủ dài sẽ duy trì được mực nước trên kênh không vượt qua ngưỡng Một ví dụ dựa vào nguy
Các khái niệm cơ bản và các bước thực hiện hiện đại hóa hệ thống tưới
Khái niệm về hiện đại hóa hệ thống tưới
Theo định nghĩa về hiện đại hóa, có hai khái niệm quan trọng liên quan đến kết quả hành động trong quá trình này Đầu tiên là nâng cấp công trình và quản lý vận hành, bảo dưỡng trong hệ thống thủy lợi, phản ánh các hoạt động thực hiện Thứ hai là cải thiện dịch vụ cung cấp nước, với mục tiêu đạt được thông qua việc sử dụng hiệu quả các nguồn lực.
Vận hành là hoạt động thiết yếu sau xây dựng, liên quan trực tiếp đến chất lượng dịch vụ Cải thiện các nguyên tắc vận hành có thể xem như một lĩnh vực chính, xung quanh đó có các giải pháp phần cứng và phần mềm hỗ trợ, được gọi là khuôn khổ cải thiện theo định hướng vận hành Hai khái niệm này, cùng với các vấn đề khác như nguyên tắc và quy trình hiện đại hóa, sẽ được phân tích chi tiết trong các chương tiếp theo, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về nhiệm vụ hiện đại hóa hệ thống tưới.
Dịch vụ cho người dùng nước trong hiện đại hóa tưới
Quản lý dịch vụ giữa nhà cung cấp và người sử dụng được thể hiện qua sự đồng thuận về các chi tiết cụ thể liên quan đến dịch vụ phân phối nước, bao gồm địa điểm, thời gian, phương thức và khối lượng Nhà cung cấp sẽ thực hiện dịch vụ và nhận thù lao tương ứng, mà thường được đánh giá dựa trên hiệu quả của hệ thống trong việc đáp ứng nhu cầu người sử dụng Mức thù lao này còn phụ thuộc vào khả năng vận hành linh hoạt của hệ thống.
Hình 1.1: Cách tiếp cận theo định hướng dịch vụ
Khi lựa chọn dịch vụ, người dùng có quyền điều chỉnh mức độ dịch vụ theo nhu cầu cá nhân, trong khi nhà cung cấp phải quản lý và điều phối các dịch vụ cho từng người dùng khác nhau Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc truyền đạt thông tin hiệu quả giữa nhà cung cấp và người sử dụng.
Dịch vụ là một yếu tố quan trọng, trong đó thông tin đầy đủ và kịp thời đóng vai trò then chốt Việc cung cấp thông tin chính xác giúp cả nhà cung cấp và người sử dụng xác định và thỏa thuận mức độ dịch vụ tốt nhất.
1) Đối với việc cấp nước, các tiêu chí đánh giá chất lượng cung cấp nước bao gồm: Mức độ Công bằng, Độ tin cậy và Sự linh hoạt
Mức độ công bằng trong hệ thống tưới tiêu là tiêu chí quan trọng để đánh giá sự đồng đều trong việc phân phối nước Điều này cho thấy các khu tưới và các hộ sử dụng nước có nhận được lượng nước cần thiết theo yêu cầu hay không.
Độ tin cậy trong cấp nước là tiêu chí quan trọng để đánh giá khả năng cung cấp nước đầy đủ, đúng thời điểm và theo yêu cầu của người sử dụng.
Tính linh hoạt của một hệ thống tưới tiêu được thể hiện qua ba yếu tố chính: Thứ nhất, tần số tưới có thể điều chỉnh linh hoạt theo lịch trình; thứ hai, lưu lượng nước được cung cấp một cách linh hoạt để đáp ứng nhu cầu tưới cho các khu vực khác nhau; và thứ ba, thời gian cấp nước cũng có thể điều chỉnh linh hoạt trong các giai đoạn khác nhau.
Sự linh hoạt trong việc quản lý nước cho cây trồng giúp ngăn ngừa tình trạng thiếu hoặc thừa nước, từ đó giảm thiểu lãng phí và xói mòn đất, đồng thời bảo vệ các hoạt động nông nghiệp khác.
2) Về thông tin, trong hiện đại hóa hệ thống tưới thông tin hai chiều từ người cung cấp dịch vụ tới người hưởng dịch vụ và ngược lại luôn đòi hỏi phải được đảm bảo chính xác và kịp thời
3) Về quyền sử dụng nước: đây là điểm then chốt giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giải quyết một cách hài hòa những mâu thuẫn giữa các nhà hoạch định chính sách, các nhà quản lý địa phương và những người hưởng dịch vụ Hệ thống chỉ có thể tồn tại một cách bền vững và hiệu quả khi quyền sử dụng nước được hiểu đúng nghĩa và được sử dụng đúng mục đích Người sử dụng nước có quyền yêu cầu người cung cấp nước thực hiện đầy đủ các cam kết về dịch vụ đã thỏa thuận (dựa theo Hợp đồng dịch vụ); người cung cấp dịch vụ tưới có quyền yêu cầu người sử dụng nước tuân thủ cam kết đã ký, sử dụng nước đúng mục đích đã thỏa thuận và trong trường hợp nguồn nước thiếu thì phải chấp nhận mức độ dịch vụ có thể của người cung cấp dịch vụ và tuân thủ theo kế hoạch phân phối nước được điều chỉnh của người cung cấp nước
Chất lượng dịch vụ trong quản lý nước phụ thuộc vào mối quan hệ hai chiều giữa bên cung cấp và bên hưởng dịch vụ Để dịch vụ phát triển bền vững, cần có giải pháp cải tiến công trình và quy trình vận hành-bảo dưỡng (O&M) Việc áp dụng công nghệ hỗ trợ ra quyết định và vận hành tiên tiến như SCADA, cùng với các cải cách quản lý như PIM và IMT, sẽ được đề cập trong các phần tiếp theo của Sổ tay này.
4) Các yêu cầu quan trọng về dịch vụ trong hiện đại hóa i Mỗi người trong hệ thống, từ cán bộ/ công nhân vận hành trực tiếp trong hệ thống đến những cán bộ làm công tác quản lý ở các cấp đều phải nhận thức được mục tiêu của HĐH là “cung cấp dịch vụ tốt” Do vậy trước hết phải hiểu được khái niệm dịch vụ là gì, đồng thời cũng luôn nhớ rằng, người sử dụng dịch vụ luôn luôn mong muốn được cung cấp dịch vụ với chất lượng càng cao càng tốt
Để cải thiện dịch vụ cung cấp nước, cần thực hiện các thay đổi phần cứng dựa trên phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu dịch vụ Việc nâng cấp có thể bao gồm thay thế cống điều tiết bằng đập tràn dài hoặc lắp đặt thiết bị kiểm soát lưu lượng Ngoài ra, bổ sung hệ thống SCADA và tự động hóa cũng là một lựa chọn Quy mô các hạng mục nâng cấp sẽ phụ thuộc vào mức độ mong muốn về dịch vụ, khả năng ngân sách và các hạn chế khác Bên cạnh đó, cần có những thay đổi trong phần mềm quản lý và vận hành hệ thống, bao gồm xây dựng kế hoạch phân phối nước, bảo trì, quản lý nhân sự và tài chính, cũng như thiết lập hệ thống thông tin liên lạc để kiểm soát và điều tiết nước nhằm đáp ứng các mục tiêu dịch vụ.
Chức năng hệ thống và đặc điểm chính của các hạng mục công trình
1 Chức năng của hệ thống và tính năng của các công trình
Các hệ thống thủy nông, dù truyền thống hay hiện đại, đều có chức năng chính là cung cấp nước cho các đối tượng trong phạm vi phục vụ Để thực hiện chức năng này, hệ thống cần có các công trình như thu nước, dẫn nước, phân phối nước và xử lý thông tin Sự khác biệt giữa các hệ thống truyền thống và hiện đại nằm ở tính năng của các công trình được sử dụng cho mục đích cụ thể Khi các công trình không phù hợp được thay thế bằng những công trình có tính năng phù hợp hơn, hiệu quả hoạt động và chất lượng dịch vụ của hệ thống sẽ được cải thiện Việc hiểu rõ chức năng, cấu trúc và phân biệt các công trình tương tự nhưng khác nhau về hình thức và tác dụng là cơ sở quan trọng để lựa chọn chi tiết cho quá trình nâng cấp và hiện đại hóa hệ thống.
Hình 1-3: Cống điều tiết trên kênh chính để điều tiết mực nước (hệ thống Dau Tiếng-Tây Ninh)
Hình 1-2: Cống lấy nước từ sông vào kênh chính
(hệ thống Cấm Sơn-Cầu Sơn)
2 Đặc tính các công trình
Các công trình trong hệ thống khác nhau bởi những đặc tính chính bao gồm độ nhạy cảm và phương thức hoạt động
Trong quản lý nước, việc duy trì lưu lượng hoặc mực nước tại một vị trí cụ thể (đầu ra) là cần thiết trước các biến động của hệ thống và kênh cấp trên (đầu vào) Một công trình được coi là có độ nhạy cảm thấp khi tỷ lệ giữa sai lệch tương đối của đầu ra và sai lệch tuyệt đối của đầu vào thấp.
Việc thay đổi mực nước trên kênh chính trong quá trình tưới là điều không thể tránh khỏi, do đó, các cống có độ nhạy cảm thấp sẽ ít bị ảnh hưởng, giúp công tác điều tiết nước trở nên đơn giản hơn và giảm bớt sự chú ý cần thiết từ người vận hành Kênh dẫn với mặt cắt hình thang khi mực nước đủ cao sẽ có độ nhạy cảm thấp hơn so với kênh hình chữ nhật, mang lại nhiều ưu điểm trong việc điều tiết nước Tuy nhiên, để theo dõi lưu lượng, cần có công trình với độ nhạy cảm cao, cho phép phát hiện những thay đổi nhỏ về mực nước tại điểm đo Do đó, việc xây dựng các máng đo lưu lượng có chế độ chảy tự do là cần thiết, mặc dù đã có các công trình chảy ngập bên cạnh.
Cống điều tiết và cống đầu kênh hoạt động theo phương thức tự điều chỉnh, cho phép chúng tự thực hiện các nhiệm vụ cần thiết trong quá trình vận hành Nguyên lý thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái hoạt động hiệu quả của các cống này.
Hình 1-4: Cống lấy nước vào kênh cấp 2
Hình 1-5: Tràn sự cố trên kênh chính (hệ thống Cấm Sơn-Cầu Sơn)
Cống tự hành điều tiết mực nước thượng lưu hay hạ lưu hoạt động dựa trên cơ chế liên kết giữa phao và bộ phận điều khiển độ mở cánh cống tự động Công trình tự thoát nước được thiết kế với tràn bên trên bờ kênh, không có cánh cống, giúp duy trì mực nước an toàn trên kênh Công trình chia nước theo tỷ lệ tự phân chia lưu lượng cho các nhánh kênh hạ lưu, giữ tỷ lệ gần như không đổi khi lưu lượng thượng lưu thay đổi Ngoài ra, công trình tự duy trì mực nước với chiều dài tràn lớn giúp kiểm soát mực nước thượng lưu, mặc dù lưu lượng tăng, nhưng sự tăng mực nước là không đáng kể.
Phương pháp điều tiết hạ lưu dựa trên nguyên lý thủy lực cho phép duy trì mực nước ổn định dọc theo tuyến kênh Khi mực nước tại đoạn kênh cuối cùng giảm đột ngột, cống điều tiết tại thượng lưu sẽ tự động mở để bổ sung nước, dẫn đến việc mực nước tại các đoạn kênh tiếp theo cũng giảm Quá trình này diễn ra tự động từ hạ lưu lên thượng lưu mà không cần thông báo giữa các nhà quản lý Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả khi các cửa điều tiết hoạt động tự động.
Khái niệm về vận hành và điều tiết hệ thống kênh
Chức năng điều tiết phân phối nước là yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống, bên cạnh các chức năng khác đã được nêu.
Vận hành hệ thống là quá trình điều chỉnh trạng thái thủy lực thông qua việc thay đổi các công trình điều tiết và công trình lấy nước, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho các đối tượng khác nhau từ đầu mối đến mặt ruộng.
Hình 1-6: Tràn đỉnh dài trên kênh cấp 2 nhằm duy trì mực nước ổn định (hệ thống Đá Bàn)
Điều tiết ở cấp công trình là quá trình điều chỉnh các công trình nhằm đạt được lưu lượng hoặc mực nước tại điểm tham chiếu theo mong muốn.
Vận hành là giai đoạn quan trọng sau xây dựng, diễn ra song song với công tác duy tu bảo dưỡng trong suốt thời gian khai thác hệ thống Việc hiểu rõ các khái niệm cơ bản trong vận hành không chỉ giúp hiện đại hóa mà còn tạo ra sơ đồ vận hành, từ đó xác định các vấn đề mấu chốt trong việc nâng cấp phần cứng và phần mềm.
Có hai phương pháp vận hành hệ thống thường được áp dụng hiện nay là:
1) Vận hành theo lịch tưới: Theo phương pháp này, người quản lý lập sẵn lịch tưới cho cả năm, cả vụ hay cho từng đợt tưới rồi thông báo cho người vận hành và người sử dụng Lịch tưới biểu thị lưu lượng cố định hay biến động theo thời gian mà chúng sẽ được khống chế tại các điểm phân phối nước tại từng thời điểm
Phương pháp vận hành này mang lại sự chủ động cho người sử dụng nước và người vận hành về thời gian, nhưng cũng gặp phải thách thức trong việc xử lý những biến động bất ngờ từ thời tiết và quản lý, như thất thoát nước xuống kênh tiêu, tình trạng tháo trộm nước, hoặc các sự cố cần sửa chữa đột xuất.
2) Vận hành theo nhu cầu dùng nước: đây là phương thức vận hành có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng kịp thời các yêu cầu dùng nước ở hạ lưu ở bất kỳ thời điểm nào Tuy nhiên cách vận hành này đòi hỏi sự đồng bộ tốt về mặt công trình, về nguồn nước cũng như phương tiện phục vụ vận hành (thiết bị đóng mở cơ khí hóa, tự động hóa, thông tin, truyền thông, SCADA, ) Để thực hiện các phương pháp vận hành kênh như nêu ở trên có hai cách điều tiết là điều tiết thượng lưu và điều tiết hạ lưu như mô tả dưới đây
Điều tiết thượng lưu là phương pháp duy trì mực nước cao để phân phối nước và ổn định mực nước ở thượng lưu công trình, bất chấp sự thay đổi lưu lượng qua điều tiết Việc điều chỉnh lưu lượng chảy qua cống được thực hiện từ thượng lưu xuống hạ lưu của tuyến kênh, với cao trình bờ kênh gần như song song với đáy kênh Phương pháp này cho phép phân phối nước theo kế hoạch, tuy nhiên, nhược điểm là khó đáp ứng nhu cầu nước ở cuối hệ thống, đặc biệt với những hệ thống kênh dài nếu không quản lý tốt việc lấy nước ở thượng lưu.
Điều tiết hạ lưu là phương pháp duy trì ổn định mực nước ở hạ lưu các cống điều tiết, với việc điều chỉnh lưu lượng chảy từ hạ lưu đến thượng lưu Cao trình bờ kênh giữa các công trình điều tiết hạ lưu tạo thành các khoang chứa nước, giúp duy trì một lượng nước như ao chứa, ngay cả khi cống ngừng hoạt động, nhằm tránh lãng phí Phương pháp này có thể thay thế điều tiết thượng lưu nếu điều kiện cho phép, tuy nhiên yêu cầu sự đồng bộ cao về thiết bị vận hành và tự động hóa Hình thức điều tiết này thường được áp dụng cho việc vận hành kênh theo nhu cầu sử dụng nước mà không cần lập lịch cụ thể.
- Ngoài ra có thể kết hợp 2 hình thức điều tiết trên trong cùng một hệ thống nếu điều kiện cho phép (Tham khảo phần 2.2.4 về thiết kế kênh).
Hệ thống tưới truyền thống và hệ thống tưới được hiện đại hóa
1) Hệ thống tưới truyền thống
Hình 1-7-(b): Điều tiết hạ lưu
Trữ nước khi nhu cầu giảm
Thể tích chứa hình nêm khi Q=0
Mực nước cần duy trì Hướng vận hành
Mực nước cần duy trì
Hình 1-7-(a): Điều tiết thượng lưu
Thách thức khi cố gắng đáp ứng giữa cung và cầu Điều tiết thượng lưu
Hình 1-7-(c): Nhược điểm của điều tiết thượng lưu là khó đảm bảo nhu cầu nước ở cuối kênh
14 a) Thành phần của 1 hệ thống tưới truyền thống
Hình 1-8 là sơ đồ một hệ thống tưới truyền thống ở Việt nam hiện nay b) Đặc điểm của hệ thống truyền thống
Hệ thống truyền thống thường mang những đặc điểm riêng biệt do thiết kế, vận hành và cách quản lý "truyền thống" Tại Việt Nam, những thiếu sót của hệ thống truyền thống có thể tương tự hoặc khác biệt so với các hệ thống ở các quốc gia khác, và có một số đặc điểm chính cần lưu ý.
Thiết kế kênh và công trình trên kênh phải dựa vào khả năng nguồn nước và yêu cầu nước tối đa cho cây trồng, xác định từ diện tích tưới và cơ cấu cây trồng Các yếu tố như tổn thất nước và phương thức vận hành (đồng thời hoặc luân phiên) cũng cần được xem xét, cùng với cao trình ruộng đất cần tưới Tuy nhiên, do không tính toán các phương án yêu cầu nước tăng, kích thước kênh và công trình thường chỉ được thiết kế cho tưới đồng thời, gây khó khăn cho cán bộ vận hành khi cần áp dụng tưới luân phiên.
Vận hành hệ thống tưới cần tuân thủ các nguyên tắc xác định lưu lượng nước phù hợp với từng điều kiện cụ thể của vùng tưới Phương thức vận hành thường thay đổi theo lịch tưới và phụ thuộc vào các thông số thiết kế, điều này có thể dẫn đến quyết định không tối ưu và gây ra bất cập trong quá trình vận hành hệ thống.
- Đại bộ phận các hệ thống được thiết kế theo hình thức điều tiết thượng lưu, vận hành bằng thủ công nên thiếu chủ động và linh hoạt
Các cấp kênh và các công trình trên kênh chưa được xây dựng đồng bộ, dẫn đến tình trạng thiếu các công trình kiểm soát và phân phối nước, cũng như các công trình phục vụ cho việc quản lý vận hành hiệu quả.
- Không được trang bị điện khí hóa-tự động hóa hoặc được trang bị ở mức độ thấp
Hình 1-8: Sơ đồ một hệ thống tưới truyền thống
Cống lấy nước đầu kênh Công trình điều tiết mực nước Cống lấy nước vào kênh cấp dưới
Nhiều hệ thống hiện nay có quy trình vận hành và bảo dưỡng nhưng chưa đầy đủ, dẫn đến việc công tác duy tu không được thực hiện thường xuyên Thiếu vốn cũng là nguyên nhân khiến các hư hỏng không được sửa chữa kịp thời, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Cơ chế chính sách quản lý vận hành hiện nay gặp nhiều bất cập, đặc biệt trong việc củng cố và hoàn thiện tổ chức quản lý Sự tham gia của người dân và xã hội hóa trong công tác quản lý tưới còn rất hạn chế Mặc dù nước được coi là hàng hóa công ở Việt Nam, nhưng trách nhiệm trong việc cung ứng và chi trả dịch vụ nước vẫn còn thiếu sót.
Những đặc điểm trên đã đưa đến hậu quả như sau:
Hệ thống phân phối và cung cấp nước hiện đang gặp phải sự không công bằng, khi mà trong cùng một thời điểm, có những khu vực thừa nước, trong khi đó lại có những nơi thiếu nước trầm trọng Tình trạng này còn nghiêm trọng hơn khi một số vùng không thể nhận nước tưới do thiếu kênh dẫn, dẫn đến việc sản xuất nông nghiệp bị ảnh hưởng.
- Cung cấp nước không đúng thời gian yêu cầu, không đúng số lượng; chất lượng
- Hiệu quả tưới không cao; lượng nước thất thoát lớn, gây lãng phí
- Kênh và công trình thường bị xuống cấp, năng lực phục vụ thấp, giảm tuổi thọ
2) Hệ thống tưới hiện đại
Không có một hệ thống kênh nào hoàn toàn hiện đại và cũng không có mẫu hình cụ thể để áp dụng hiện đại hóa cho các hệ thống kênh hiện có Việc hiện đại hóa phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và xã hội của khu tưới, đặc điểm cụ thể của hệ thống kênh, công trình, cũng như khả năng về nguồn vốn đầu tư.
Trong dự án VWRAP, hệ thống tưới được hiện đại hóa tập trung vào các kênh chính và kênh cấp 1, 2, với khoảng 25% diện tích ruộng được tưới Mức độ hiện đại hóa giữa các hệ thống khác nhau, ví dụ như hệ thống Đá Bàn không lắp đặt SCADA, trong khi kênh Đông Dầu Tiếng có SCADA cho phép giám sát và điều khiển từ xa Nguyên nhân chính cho sự khác biệt này là do khó khăn về vốn đầu tư và đây là lần đầu tiên áp dụng hiện đại hóa tưới, do đó Chính phủ và nhà tài trợ muốn thực hiện từng bước để rút kinh nghiệm Ngoài ra, thiết kế thi công, phương pháp vận hành và các giải pháp quản lý cần được chú ý để đảm bảo hiệu quả.
Nói tóm lại, một hệ thống được được hiện đại hóa có một số đặc điểm chính như được mô tả dưới đây
(i) Phần cơ sở hạ tầng: Sơ đồ cơ bản của một hệ thống kênh được HĐH được biểu thị ở Hình 1-9
Một hệ thống tưới được đầu tư hiện đại hóa được nhằm hạn chế các khiếm khuyết của một hệ thống tưới truyền thống với các đặc điểm sau:
Hệ thống kênh được thiết kế đồng bộ và xây dựng với sự tham vấn của cơ quan quản lý tưới cũng như người sử dụng nước, nhằm đảm bảo cung cấp đủ lưu lượng, mực nước và thời gian cấp nước cần thiết cho các hộ sử dụng.
Hệ thống kênh nội đồng cần được thiết kế phù hợp với điều kiện địa hình và kết hợp với địa giới hành chính, nhằm thuận lợi cho việc xã hội hóa tưới tiêu Điều này bao gồm việc thành lập các tổ chức sử dụng nước và chuyển giao quản lý tưới tiêu hiệu quả.
Phương thức điều tiết nước hợp lý cần được lựa chọn dựa trên điều kiện địa hình và trình độ quản lý hiện có, nhằm tối ưu hóa quá trình điều tiết và phân phối nước.
Hệ thống kênh truyền thống không chỉ bao gồm các công trình hiện có mà còn được trang bị thêm các công trình phân phối và kiểm soát mực nước Những công trình này bao gồm các thiết bị điều tiết tự động hoặc bán tự động như tràn đỉnh dài và tràn đỉnh dài kết hợp với cống xả Ngoài ra, hệ thống còn có các cửa van tự động như AMILL, AVIS, AVIO và các công trình điều tiết kiểu cống phẳng được điều khiển bằng điện khí hóa Bên cạnh đó, hệ thống cũng tích hợp các công trình đo lưu lượng như máng đo, tràn đo và thiết bị đo bằng lưu tốc kế.
Hệ thống SCADA được lắp đặt nhằm hỗ trợ và tối ưu hóa quá trình quản lý, vận hành, từ đó nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống đối với người dùng nước.
Hệ thống kênh nội đồng được quản lý bởi các tổ chức sử dụng nước như hợp tác xã, hiệp hội hoặc chủ trang trại Hệ thống này bắt đầu từ điểm lấy nước và bao gồm các kênh mương, có thể là đất hoặc được gia cố, cùng với các công trình phân phối nước.
Cống lấy nước đầu kênh
Công trình đo lưu lượng
Công trình điều tiết mực nước tự động
Cống lấy nước vào kênh cấp dưới với lưu lượng ổn định
Hình 1-9: Các công trình chính trên hệ thống kênh tưới được hiện đại hóa
Một số yêu cầu khi thực hiện Hiện đại hóa tưới
Hiện đại hóa tưới không chỉ là đầu tư vào công nghệ phần cứng và phần mềm, mà còn là một sự chuyển đổi toàn diện trong quản lý tài nguyên nước Sự chuyển đổi này bao gồm cải thiện hệ thống kiểm soát và phân phối nước một cách công bằng và ổn định, đồng thời thay đổi các quy định và thể chế liên quan đến quyền sử dụng và dịch vụ phân phối nước Điều này đòi hỏi cơ quan quản lý hệ thống hoạt động có kế hoạch để quản lý hiệu quả cơ sở hạ tầng, kéo dài tuổi thọ công trình và phát huy hiệu quả nguồn vốn được giao Khi thực hiện hiện đại hóa tưới, cần lưu ý một số điểm quan trọng để đảm bảo thành công.
1 HÐH là một quá trình liên quan đến việc nâng cấp về kỹ thuật và công tác quản lý, vận hành của cả hệ thống Đặc điểm này khác và đối lập với khái niệm đơn thuần là
Khôi phục là quá trình làm lại hoặc sửa chữa công trình như trạng thái ban đầu của nó Ví dụ, việc lát lại một đoạn kênh bị hỏng hoặc thay thế một cánh cống bị hư hỏng được coi là hành động khôi phục.
2 Trong HÐH, các hạng mục sửa chữa nâng cấp nên đuợc xem xét để kết hợp với hiện đại hóa ở mức độ phù hợp với hiện trạng công trình và vốn có sẵn Ví dụ, khi sửa chữa nâng cấp một cống điều tiết cần cân nhắc giữa: (i) thay đổi hình thức điều tiết cho phù hợp yêu cầu vận hành theo yêu cầu HĐH hay chỉ cần thay thế một cánh cống mới; và (ii) thay hệ thống đóng mở thủ công hay bằng hệ thống đóng mở tự động với động cơ điện tại chỗ hoặc bằng hệ thống điều khiển từ xa vv…
3 Cải thiện dịch vụ phân phối nước là mục tiêu quan trọng nhất cần hướng tới của HĐH, do vậy mọi hoạt động đầu tư cho phần cứng và mềm đề phải hướng đến thỏa mãn yêu cầu này
4 HĐH bao gồm cả những thay đổi phần cứng (công trình) và phần mềm (quản lý, vận hành và bảo trì) trong hệ thống
5 HÐH có thể bắt đầu từ những buớc đi đơn giản bằng các giải pháp, hoạt động hay bất kỳ thay đổi ở những vị trí nào đó trong hệ thống nhưng tạo ra sự tác động tích cực tới dịch vụ phân phối nước Ví dụ như tạo thêm một đập dâng bằng vật liệu địa phương nhằm duy trì mực nuớc ổn định trên một đoạn kênh nào đó để đảm bảo lưu lượng vào các các cống lấy nuớc theo yêu cầu hay đơn giản hơn như lắp thiết bị làm sạch rác ở các công trình điều tiết nhằm giảm tổn thất nuớc
6 HÐH không nhất thiết phải đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị quản lý, vận hành hiện đại hay các phần mềm máy tính tinh vi mà yêu cầu sử dụng kiến thức, trình độ chuyên môn và khả năng phân tích, đánh giá hệ thống để đưa ra những lựa chọn và giải pháp phù hợp nhất cho “phần cứng” và “phần mềm” với mục tiêu cải thiện công tác phân phối nuớc một cách an toàn và kinh tế, công bằng, linh hoạt và tin cậy Từ đó, thay đổi và cải thiện đuợc lưu luợng và dịch vụ phân phối nuớc, giảm sự lãng phí và tranh chấp nuớc
7 HĐH không chỉ cải thiện được công tác quản lý nước mà còn góp phần quản lý lưu vực sông tốt hơn về thời gian phân phối nước, lưu lượng và tổng lượng nước sử dụng cho các ngành kinh tế khác nhau cũng như cân bằng nước trong toàn lưu vực.
Các nguyên tắc của hiện đại hóa hệ thống tưới
1) Luôn luôn suy nghĩ làm thế nào bất kỳ một thay đổi hoặc bổ sung các hạng mục công trình hay quản lý, vận hành sẽ cải thiện được DỊCH VỤ cho người nông dân;
2) Hiện đại hoá là một QUÁ TRÌNH không phải là một hạng mục hay hoạt động riêng lẻ;
3) Mỗi hệ thống có những đặc điểm và điều kiện riêng, và hầu hết các dự án đều có thể có những tác động tốt khi thay đổi cả về “phần cứng” (cơ sở hạ tầng công trình) và
“phần mềm” (quản lý, vận hành);
Hình 1-10: Có nhiều bài học kinh nghiệm về lát kênh
4) Chỉ có lát kênh và các chương trình quản lý bằng máy tính thì không gọi là Hiện Đại Hóa;
5) Tự động hoá điều khiển trung tâm bằng máy tính sẽ thiếu sự bảo đảm Tuy nhiên, sẽ rất tốt nếu kết hợp điều tiết phân phối nước bằng tự động hoá cục bộ với giám sát/ cảnh báo trung tâm;
6) Nắm vững các nguyên tắc cơ bản về kỹ thuật: i) Hiểu biết sâu về thuỷ lực; ii) Hiểu biết về lựa chọn các giải pháp công trình và phi công trình; iii) Đi thực địa đánh giá thực trạng hệ thống;
7) Cần thiết phải lập một kế hoạch phân phối nước trên toàn hệ thống và thử nghiệm kế hoạch đó để đánh giá việc phân phối nước trong toàn hệ thống trong điều kiện thủy lực dòng không ổn định và điều chỉnh kế hoạch cho phù hợp khi thấy cần thiết
8) Việc ứng dụng SCADA cần phải được nghiên cứu, đánh giá và xác định nhu cầu thực tế một cách chi tiết Hiện nay có nhiều bài học kinh nghiệm về thất bại của việc ứng dụng hệ thống SCADA do áp dụng một cách máy móc
9) Sử dụng những hiểu biết, những nguyên lý thiết kế cơ bản và những nguyên tắc quản lý hệ thống hiện đại để đưa ra các thiết kế HĐH công trình và kế hoạch quản lý, vận hành càng đơn giản càng tốt
10) Luôn làm cho hệ thống được quản lý và vận hành một cách đơn giản đồng thời cần quan tâm đúng mức đến việc quản lý tưới có sự tham gia (PIM), thông qua việc chuyển giao quản lý tưới các kênh mặt ruộng và kênh liên xã cho các tổ chức sử dụng nước (WUO).
Hình 1.11: Các giải pháp HĐH càng đơn giản càng tốt
Các bước thực hiện hiện đại hóa một hệ thống hiện có
Bước 1: Đánh giá hiện trạng hệ thống Sử dụng quy trình Đánh giá nhanh (RAP), nhằm:
- Đánh giá mức độ của “dịch vụ” phân phối nước tại tất cả các cấp kênh trong hệ thống
- Phát hiện và đánh giá những hạn chế về hạ tầng (kênh, công trình trên kênh, vv…) và công tác quản lý, vận hành, vv…
Để biết chi tiết về hướng dẫn thực hiện RAP, bạn có thể tham khảo trong Phụ lục 1-1 hoặc truy cập vào trang web www.watercontrol.org và www.fao.org.
Bước 2: Xác định mục tiêu và xây dựng kế hoạch HĐH (ngắn hạn và dài hạn)
Kết quả đánh giá nhanh (RAP) giúp đưa ra quyết định cần thiết bằng cách xác định mức độ dịch vụ tại các cấp kênh trong hệ thống, đồng thời tính toán cân bằng nước trong hệ thống.
Bước 3: Tính toán lựa chọn phương án HĐH hệ thống
Để lựa chọn phương án hiện đại hóa hệ thống tối ưu, đơn vị tư vấn thiết kế cần đề xuất nhiều phương án kỹ thuật khác nhau, phù hợp với mục tiêu đã được xác định cho việc hiện đại hóa.
Việc lựa chọn phương án hiện đại hóa hệ thống đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa chủ đầu tư, đơn vị tư vấn và các nhà quản lý vận hành Cần tham vấn ý kiến từ các đối tượng sử dụng nước để đảm bảo tính hợp lý về kỹ thuật, vốn đầu tư, thi công xây dựng và quản lý vận hành sau khi hoàn thành Phương án hiện đại hóa phải phù hợp với yêu cầu, nguồn lực hiện có và kế hoạch phát triển tương lai.
Khi tính toán các phương án hiện đại hóa hệ thống, cần thực hiện các công việc sau: Tính toán yêu cầu cấp nước, bao gồm lưu lượng, mực nước, thời gian và thời điểm cấp, cũng như khả năng cung cấp từ các nguồn và cân bằng nước cho năm thiết kế và năm thiếu nước để xác định phương thức vận hành tưới phù hợp Tiếp theo, cần tính toán thủy lực hệ thống kênh theo các phương thức điều tiết khác nhau và mức độ tự động hóa Sau đó, thiết kế sơ bộ kênh và công trình trên kênh, bao gồm cả hệ thống SCADA nếu có Đồng thời, đánh giá các tác động môi trường và xã hội, tính toán vốn đầu tư và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác cho các phương án Cuối cùng, phân tích và đề xuất phương án chọn lựa.
Phương án chọn phải khẳng định được các nội dung sau:
- Hình thức điều tiết trên hệ thống (kênh chính và các kênh nhánh lớn)
- Mức độ hiện đại hóa
Khi số lượng công trình và hạng mục công việc vượt quá khả năng đầu tư hiện tại, cần phải sắp xếp các công trình theo thứ tự ưu tiên dựa trên tầm quan trọng và sự cần thiết của chúng.
Khi lập kế hoạch HĐH, cần lưu ý rằng việc thực hiện các công việc có thể khác nhau tùy thuộc vào hiện trạng của hệ thống về mặt công trình, quản lý và vận hành Trong dự án VWRAP, các hệ thống như Yên Lập (Quảng Ninh) và Kẻ Gỗ (Hà Tĩnh) đã áp dụng hầu hết các hạng mục công việc, trong khi đó, phần Kênh Đông – Củ Chi chỉ thực hiện một số nội dung nhất định do CT TNMTV QL-DV TL TP.
Hồ Chí Minh đã phát triển một hệ thống kênh và cống thoát nước hoàn chỉnh, với nhiều điều tiết lớn được vận hành bằng điện Do đó, công việc hiện đại hóa hiện nay không cần thực hiện toàn bộ các bước trước đó, mà nên tập trung vào việc nâng cấp điều hành hệ thống thông qua công nghệ SCADA.
Dựa trên khả năng nguồn vốn đầu tư, cần xác định thứ tự ưu tiên cho các hạng mục hiện đại hóa, bao gồm cả phần công trình và các hoạt động quản lý, vận hành, cũng như duy tu bảo dưỡng.
Khi lập thứ tự ưu tiên, cần xem xét các thay đổi nhỏ với chi phí thấp nhưng mang lại hiệu quả lớn, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Nên tập trung vào các công trình và thiết bị giúp đơn giản hóa quản lý vận hành hệ thống, giảm chi phí và nhân lực, chẳng hạn như lắp đặt máy đóng mở điện và xây dựng các công trình điều tiết mực nước tự động Cần ưu tiên nâng cấp và hiện đại hóa hệ thống kênh chuyển nước và các công trình điều tiết trước khi tiến hành các công trình khác Cuối cùng, các công trình đo đếm cũng rất quan trọng để giám sát mức độ sử dụng nước trong toàn hệ thống và đến từng hộ dùng nước.
Hình 1-12: Tạo thêm hai tràn bên sẽ giúp ổn định mức nước và giảm được công vận hành cống điều tiết
Bước 4: Thiết kế kênh và các công trình trên kênh cần đảm bảo đáp ứng các yêu cầu vận hành, nhằm phục vụ hiệu quả cho kế hoạch hiện đại hóa đã được đề ra.
Bước 5: Thực hiện kế hoạch từng bước nhằm nâng cao dần hiệu quả phân phối nước
- Sắp xếp các loại công việc theo nhóm ưu tiên theo: (i) Về hạ tầng (kênh và công trình); và (ii) Về công tác quản lý, vận hành
- Tổ chức đào tạo và thi công công trình
Bước 6: Thiết lập quy trình vận hành và bảo trì hệ thống theo yêu cầu của hợp đồng Đồng thời, xây dựng kế hoạch quản lý hàng năm cho công ty quản lý và khai thác công trình (IMC).
Bước 7: Theo dõi và đánh giá hệ thống theo hệ thống tiêu chí định chuẩn (Benchmarking)
Thiết kế và quản lý dự án thủy lợi là một quá trình phức tạp, với mỗi dự án có những thách thức riêng Để đảm bảo sự thành công trong việc hiện đại hóa hệ thống, các nhà quản lý và tư vấn thiết kế cần nắm vững kiến thức về hệ thống thủy lợi, từ đó đưa ra các chiến lược và lựa chọn tối ưu.
Thiết kế kênh và công trình trên kênh theo hướng hiện đại hóa
Một số thông tin chung về thiết kế theo hiện đại hóa hệ thống
2.1.1 Nguyên tắc thiết kế theo hiện đại hóa
1 Trong quá trình khảo sát, thiết kê và xây dựng, cần có sự tham vấn của các đối tượng có liên quan như các nhà quản lý, vận hành hệ thống, các hộ, tổ chức sử dụng nước từ hệ thống Thiết kế HĐHT cần tạo điều kiện việc quản lý tưới có sự tham gia (PIM)
2 Việc thiết kế phải đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế, an toàn, ổn định và dễ vận hành; thỏa mãn yêu cầu của hiện đại hóa tưới là phân phối nước một cách công bằng, ổn định, tin cậy và linh hoạt theo yêu cầu của các dịch vụ cung cấp nước hiện tại và trong tương lai (bao gồm yêu cầu về mực nước, lưu lượng và thời gian cấp); đồng thời tạo điều kiện để tiếp tục hiện đại hóa ở mức độ cao hơn khi có điều kiện
3 Lựa chọn được phương thức điều tiết phù hợp với điều kiện địa hình và đảm bảo yêu cầu HĐHT và các yêu cầu kinh tế kỹ thuật khác
4 Hình thức, quy mô và vị trí công trình trên kênh phải phù hợp với phương thức điều tiết đã lựa chọn; kết cấu đơn giản; xây dựng, quản lý vận hành dễ dàng và hiệu quả, đảm bảo việc điều tiết chính xác về lưu lượng và mực nước theo yêu cầu của hiện đại hóa
5 Nên chú ý tận dụng cải tạo các công trình hiện có theo thiết kế hiện đại hóa để có để giảm chi phí và thời gian xây dựng
6 Xem xét để lắp đặt và sử dụng hệ thống SCADA với quy mô hợp lý khi có điều kiện; lắp đặt các các thiết bị điện khí hóa hoặc tự động ở những nơi phù hợp để giúp cho việc giám sát, điều hành theo hướng HĐH một cách dễ dàng thuận lợi, phát huy tốt hiệu quả công trình
7 Việc thiết kế kênh và các công trình phải tuân theo các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Nhà nước và ngành, trường hợp là công trình mới chưa có tiêu chuẩn trong nước thì có thể tham khảo các tiêu chuẩn nước ngoài theo danh mục các tiêu chuẩn đã được Bộ Xây dựng cho phép
8 Lập Quy trình vận hành và duy tu bảo dưỡng phù hợp với kết cấu của hệ thống kênh và công trình trên kênh sau khi được hiện đại hóa và thuận lợi cho việc sử dụng
2.1.2 Cơ sở để thiết kế HĐHT
Việc thiết kế HĐH hệ thống tưới cần dựa trên các cơ sở sau đây:
1 Các tài liệu về tự nhiên, kinh tế, xã hội thu thập được như: các đặc điểm địa hình địa chất, khí hậu, khí tượng thủy văn, thủy triều tình hình dân sinh, kinh tế, xã hội; Kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội của khu hệ thống đang phục vụ; vv…
2 Kết quả điều tra, khảo sát đánh giá hiện trạng công trình của hệ thống tưới (phần cứng) và công tác tổ chức quản lý vận hành và bảo dưỡng hệ thống (phần mềm)
3 Mục tiêu và nhiệm vụ của hệ thông tưới
4 Kế hoạch chuyển giao quản lý tưới trước mắt và trong tương lai của khu tưới
5 Các yêu cầu cấp nước hiện tại và trong tương lai gồm cấp nước nông nghiệp (diện tích cách tác, chủng loại và thời vụ cây trồng) yêu cầu cấp nước cho công nghiệp, sinh hoạt, môi trường, thủy sản vv … gồm lưu lượng, thời gian cấp và mực nước yêu cầu
6 Yêu cầu quản lý, vận hành, bảo dưỡng một cách có hiệu quả hệ thống kênh và công trình theo hướng hiện đại hóa
7 Điều kiện kinh tế, kỹ thuật và khả năng đầu tư cho hiện đại hóa
8 Các văn bản pháp luật liên quan, các quy chuẩn, tiêu chuẩn, quy định hiện hành liên quan đến thiết kế, xây dựng, quản lý vận hành và bảo trì hệ thống tưới
2.1.3 Lựa chọn phương án thiết kế hiện đại hóa cho hệ thống kênh
Trước khi tiến hành thiết kế hiện đại hóa hệ thống kênh, việc xác định phương án thiết kế là rất quan trọng Như đã đề cập trong phần 1.5, phương án hiện đại hóa sẽ được lựa chọn trong Bước 3 của quy trình thực hiện hiện đại hóa.
Trong phương án được chọn, cần xác định rõ khả năng nguồn nước và cách thức điều tiết của hệ thống hoặc từng tuyến kênh cụ thể Điều này bao gồm các loại công trình dự kiến đưa vào hệ thống để đáp ứng mục đích điều tiết, khả năng cải tiến công tác vận hành, tính khả thi về kỹ thuật và tài chính, cũng như khả năng hỗ trợ cho việc thay đổi trong vận hành, bảo dưỡng và tổ chức quản lý tưới sau khi hệ thống được cải tạo, nâng cấp và hiện đại hóa.
Chương này sẽ trình bày các bước và các dạng thiết kế kênh thường được sử dụng trong quá trình hiện đại hóa hệ thống kênh tưới, cùng với những ưu điểm và nhược điểm của từng loại thiết kế Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, có thể áp dụng toàn bộ hoặc lựa chọn một số hình thức thiết kế phù hợp với phương án đã chọn.
Thiết kế kênh
2.2.1 Các bước thiết kế kênh
Thiết kế kênh phụ thuộc vào mức độ và phương án hiện đại hóa được lựa chọn, trong đó phương thức điều tiết của hệ thống và từng tuyến kênh sẽ xác định giải pháp kỹ thuật trong thiết kế.
Các bước tiến hành khi thiết kế kênh theo phương án hiện đại hóa được chọn:
1 Căn cứ vào sơ đồ bố trí kênh và công trình trên kênh, kết quả tính toán thủy lực hệ thống kênh của phương án chọn, tính toán xác định kích thước mặt cắt ngang, định cao độ đáy kênh vv…,
2 Thiết kế các giải pháp gia cố kênh
3 Lập mặt cắt dọc kênh các cấp
Việc thiết kế kênh cần tuân thủ các phương pháp và quy trình thiết kế theo tiêu chuẩn và quy chuẩn nhà nước hiện hành, bao gồm QCVN 04-02:2010/BNNPTNT về thành phần và nội dung hồ sơ thiết kế kỹ thuật, QCVN 04-05:2012/BNNPTNT về các quy định chủ yếu trong thiết kế công trình thủy lợi, và TCVN 8305-2009 về yêu cầu kỹ thuật trong thi công và nghiệm thu kênh đất.
2.2.2 Thiết kế hệ thống/tuyến kênh áp dụng điều tiết thượng lưu Đối với việc thiết kế chi tiết kênh điều tiết thượng lưu thì áp dụng theo các bước và phương pháp thiết kế đã được nêu trong các quy trình quy phạm về thiết kế kênh đã ban hành Chú ý rằng:
Cần cải tạo và bổ sung các công trình theo yêu cầu hiện đại hóa nhằm nâng cao hiệu quả phục vụ của hệ thống.
Khi tính toán thủy lực cho kênh, cần xem xét sự hiện diện của các công trình liên quan Đặc biệt, cần chú ý đến sự biến động của mực nước qua các công trình trong phương án hiện đại hóa đã chọn, để có thể điều chỉnh số lượng, vị trí và loại công trình cho phù hợp với đầu nước hiện có.
2.2.3 Thiết kế hệ thống/tuyến kênh áp dụng điều tiết hạ lưu
Trên toàn cầu, kênh điều tiết hạ lưu là phương pháp phổ biến cho các hệ thống tưới hiện đại, với cửa điều tiết tự động tại chỗ hoặc điều khiển từ xa Hệ thống này cho phép cung cấp nước một cách nhanh chóng và linh hoạt, đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
Loại hình điều tiết này có khả năng đáp ứng nhanh các yêu cầu nước đột xuất ở hạ lưu, vì vậy kênh thường phù hợp cho hệ thống tưới ở địa hình bằng phẳng Trong thiết kế cải tạo kênh điều tiết hạ lưu, có hai trường hợp cần xem xét: a) Kênh được thiết kế theo dạng các đoạn nối tiếp với đỉnh bờ nằm ngang, chỉ áp dụng khi độ dốc đáy rất nhỏ (
