Giao thông thủy nội địa là một hình thức đi lại lâu đời trên đất liền. Tuy nhiên, trong lịch sử lâu dài nó đã trải qua nhiều giai đoạn của sự phát triển kỹ thuật trên một số quốc gia từ sự thịnh vượng đến suy thoái, ngày nay nó khẳng định là một thành phần quan trọng và không thể tách rời trong các hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông của nhiều quốc gia trên thế giới.
Thời kỳ cổ xưa, giao thông thủy nội địa phát triển mạnh ở các thung lũng sông lớn (như sông Nile, Euphrates, Ganges, Dương Tử v.v…) và đường thủy nhân tạo đã được biết đến như ở Ai Cập cổ đại, Mesopotamia và Trung Quốc, nơi Vua Yantei (Triều đại Nhà Tùy năm 611 sau Công nguyên) đã xây dựng “Đại Vận Hà” – với 2400km đường thủy (nối các hệ thống sông ở phía bắc với các tỉnh phía nam).
Tại châu Âu vào năm 793 sau Công nguyên, Hoàng đế Charles đã bắt đầu có dự định xây một kênh nối vùng Rhine và Danube (Fossa Carolina), nỗ lực đó sớm bị hủy bỏ. Các tài liệu đầu tiên về âu thuyền vận tải từ năm 1439 và nó đã được xây dựng trên kênh Naviglio Grande ở miền nam nước Ý.
Sự công nghiệp hóa là một động lực hàng đầu cho sự phát triển hiện đại giao thông thủy trong thế kỷ 18 và 19 với mạng lưới sông, kênh sông giao thông ở Anh nơi đi đầu trong phát triển loại hình này (ví dụ như các kênh Bridgewater được xây dựng bởi James Brindley và kênh Ellesmere được xây dựng bởi Thomas Telford).
Hệ thống nâng tầu thuyền Anderton đã nâng được ở độ cao 15m giữa các kênh Trent, Mersey và sông Weaver ở Cheshire Anh, được xây dựng năm 1875 và là xà lan sắt nâng đầu tiên với một hệ thống nâng thủy lực.
Nửa thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã cho thấy việc xây dựng hai kênh giao thông thủy lớn có tầm quan trọng toàn cầu. Dài 160km, rộng 305365m, sâu 19,5m (nơi cạn nhất), kênh đào Xuyườ mở cửa vào năm 1869, rỳt ngắn tuyến đường biển giữa chõu Âu với cỏc nước Đông Á còn 16000km; ngày nay nó được sử dụng 15 000 tầu/năm trong đó bao gồm 150 000 tấn dầu. Kênh đào Panama dài 80km, mở cửa vào năm 1914, nối liền giữa Đại Tây Dương và Thái Bình Dương bằng đoạn kênh dài 13km và rộng 153m, cắt qua dãy núi và một hồ nhân tạo lớn, có 3 âu thuyền trên đoạn kênh này với tổng chiều cao nâng là 26m.
Hiện nay mạng lưới giao thông thủy nội địa lớn của châu Âu được hiện đại hóa và mở rộng dựa trên cơ sở các công trình giao thông thủy của thế kỷ 19, giống như việc áp dụng các công trình giao thông trên đường thủy lớn của người Mỹ, ví dụ như trên sông Mississippi và sông Ohio. Mặc dù trong thế kỷ 20, đường thủy nội địa thường không thể cạnh tranh được với
253
mạng lưới giao thông đường sắt và mạng lưới đường cao tốc sau đó, nhưng chúng vẫn được tồn tại – thậm chí còn tăng vai trò trong việc giao thông đi lại đạt hiệu quả, đặc biệt đối với hàng hóa rời.
Ở Việt Nam, hệ thống sông ngòi dày đặc ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ là điều kiện thuận lợi để phát triển giao thông thủy từ rất sớm. Thời nhà Đinh, nhà Tiền Lê (thế kỷ thứ 10) đã cho khai mở các kênh đào lớn để phục vụ chuyển nước và vận tải thủy ở Thanh Hóa, Nghệ An. Cuộc dời đô từ Hoa Lư ra Thăng long năm 1010 đã được thực hiện bằng đường thủy. Thời nhà Lý (thế kỷ 11,12), dòng sông Tô Lịch đã trở thành trục giao thông chính của kinh thành Thăng Long nhộn nhịp trên bến dưới thuyền. Sông Thiên Đức (sông Đuống ngày nay) nối sông Hồng với sông Thái Bình là trục giao thông thủy quan trọng nối Thăng Long với vùng Kinh Bắc và đồng bằng phía Đông và Đông nam Kinh đô.
Ngày nay, giao thông thủy tiếp tục được phát triển mạnh ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ (hệ thống sông Hồng – sông Thái Bình), đồng bằng ven biển miền Trung (các hệ thống Sông Mã, Sông Lam, Nhật Lệ, Sông Hương, Thu Bồn, Trà Khúc, Đà Rằng…). Đặc biệt đồng bằng Nam Bộ với hệ thống sông Đồng Nai – Sài Gòn ở miền Đông và sông Cửu Long ở miền Tây là khu vực có hoạt động giao thông thủy phát triển nhất trên cả nước. Hệ thống sông, kênh rạch chằng chịt ở đồng bằng sông Cửu Long không những có tác dụng to lớn trong việc tưới tiêu, thau chua rửa mặn mà còn là hệ thống giao thông huyết mạch của một vùng dân cư và kinh tế quan trọng của đất nước
Hình 7-1. Giao thông thủy trên kênh Quản Lộ - Phụng Hiệp
Trong sự phát triển nhanh chóng của một số loại hình vận chuyển khác, thì vận chuyển bằng giao thông thủy nội địa vẫn có một số lợi thế (Cabelka và Gabriel, 1985):
1.Yêu cầu về năng lượng thấp (tiêu thụ năng lượng trong giao thông thủy khoảng 80% so với đường sắt và ít hơn 30% của mức tiêu thụ đối với giao thông đường bộ);
254 2.Hiệu quả công việc cao trên mỗi phương tiện vận tải;
3.Yêu cầu về trang thiết bị thấp trên mỗi đơn vị vận chuyển (vận tải đường sắt và đường cao tốc gấp 2 đến 4 lần);
4.Ảnh hưởng về môi trường thấp nhất (tiếng ồn ít, khói xả ít);
5.Yêu cầu về địa chất thấp (trong trường hợp những con sông giao thông);
6.Tỷ lệ tai nạn thấp so với các loại vận tải khác;
7.Có khả năng dễ dàng vận chuyển các loại hàng hóa rời và các sản phẩm công nghiệp lớn.
Các thảo luận chi tiết về các phương thức vận tải trên đường thủy nội địa, thiết kế, sự hoạt động của các liên kết thủy lực xem như các độc giả đã được làm quen với những khái niệm và phương trình của dòng chảy kênh hở và một số công trình trên sông.
7.1.2. Phân loại, phân cấp đường thủy nội địa 1. Phân loại:
Đường thủy có thể được phân ra 3 loại sau:
Sông, kênh tự nhiên, tức là các con sông, hoặc một phần của sông, dòng chảy không bị thay đổi lòng sông có thể được cải tạo bằng một số công trình chỉnh trị sông.
Sông được kênh hóa, dòng chảy của nó có thể ở mức độ lớn nhỏ và được điều khiển bởi các công trình chuyên môn.
Kênh, toàn bộ lượng nước trên đường thủy nhân tạo được lấy từ các sông, trạm bơm hay từ các hồ chứa.
b) Phân cấp:
Trong sự cố gắng để đảm bảo dần dần sự hợp nhất của hệ thống đường thủy châu Âu và chuẩn hóa các thông số của nó, năm 1961 Ủy ban Kinh tế châu Âu đã thông qua và thống nhất cách phân cấp đường thủy nội địa. Cách phân cấp này dựa trên cơ sở về kích thước và tải trọng tiêu chuẩn truyền thống của tàu. Theo đó, đường thủy được phân thành 6 cấp (Qibelka, 1976; Cabelka và Gabriel, 1985): I<400t, II <650t, III<1000t, IV < 1500t, V <3000t, và VI>
3000t. Đối với mỗi cấp, các thông số cần thiết của đường thủy và kết cấu của nó được lấy căn cứ từ các thông số tiêu chuẩn của tầu thuyền.
Cùng với việc thông qua hệ thống phân cấp nói trên, hệ thống đường thủy quốc tế quan trọng của châu Âu sẽ được xây dựng, cải tạo lại, đảm bảo các thông số tương ứng phù hợp với các yêu cầu ít nhất là cấp IV và cho phép qua lại liên tục đối với các tầu thuyền có tải trọng từ 1350 đến 1500 tấn. Đường thủy cấp I – III có đặc tính theo vùng.
Các con sông lớn ở châu Âu, như sông Rhine, sông Danube và nhiều sông khác, đang được vận hành hiện nay phần lớn thuộc cấp V. Cấp VI bao gồm chủ yếu các con sông, các kênh vận tải ở Nga, hay phần hạ lưu của các con sông dài nhất châu Âu. Các sông tương tự hoặc thậm chí có kích thước lớn hơn đã được sử dụng cho vận tải thủy ở các châu lục khác, nhất là ở Bắc và Nam Mỹ.
255
Cách phân cấp theo tiêu chuẩn quốc tế được đề cập ở trên của giao thông thủy nội địa đã được chấp nhận trong khi đối với hầu hết các trường hợp đặc biệt như xà lan vận chuyển bằng các thuyền lai dắt thì vẫn được sử dụng theo cách riêng. Tuy nhiên, kể từ khoảng năm 1970, phần lớn các công nghệ vận chuyển truyền thống đã được thay thế hoàn toàn ở Châu Âu (sớm hơn nhiều so với ở Mỹ) vì lợi ích kinh tế và lợi ích vận hành của các loại xà lan và các các tầu thuyền đẩy (mục 7.2.2).
Việc giới thiệu công nghệ mới này đã đưa đến sự đề xuất sửa đổi bổ sung cách phân cấp đường thủy hiện có (Hilling, 1977). Xà lan đẩy loại II của nền kinh tế châu Âu, với kích thước 76.5m x 11.4m x 2.5m và tải trọng 1660t đã được Seiler đề xuất (1972) là tiêu chuẩn xà lan cho đường thủy có tầm quan trọng quốc tế, cùng với đề nghị là cấp IV đến cấp VI của đường thủy nên được thiết kế theo số lượng và sự sắp xếp các xà lan cho tầu đẩy (hình 72).
Những cải tiến trong cách phân cấp của châu Âu cũng đã tính toán đến sơ đồ, hình dạng, cấu trúc của hệ thống xà lan đẩy, kéo và khoảng lưu không của cầu (ECE,1992).
Hình 7-2. Tầu đẩy được sử dụng ở Châu Âu (Cabelka and Gabriel, 1985).
7.1.3. Đường thuỷ sử dụng đa mục đích
Đường thủy hiện đại thực tế luôn luôn thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong giao thông thủy nội địa. Các trường hợp phổ biến nhất là việc sử dụng năng lượng nước trong các nhà máy thủy điện được xây dựng cạnh các âu thuyền. Các ứng dụng khác của đường thủy là đường dẫn xả lũ cho các sông đã được cải tạo, có các cống để cấp nước, tiêu nước cho các vùng lân cận, xử lý nước thải v.v…Việc cung cấp các phương tiện giải trí và cải tạo môi trường cũng là một trong những bổ sung quan trọng về lợi ích tổng hợp của giao thông thủy nội địa.
Những đường thủy sử dụng đa mục đích cũng có thể gây ra những vấn đề như: hoạt động của nhà máy thủy điện tạo nước dâng tràn trên sông, trên kênh. Nghiêm trọng nhất là nước dâng do đóng ngắt tổ máy đột ngột. Để không ảnh hưởng bất lợi đến việc đi lại, đến hiệu quả hoạt động của nhà máy thủy điện cần phải đưa ra các giải pháp thích hợp (Cabelka và Gabriel, 1985).
Các giải pháp này có thể là về điện (thay đổi phụ tải đầu ra của máy phát điện để đảm bảo ổn định mực nước), về cơ khí (ngắt nối các liên kết giữa van dẫn hướng và bánh xe công tác của tua bin Kaplan hoặc đưa ra các cửa van điều khiển tự động được nối trực tiếp với
256
buồng xoắn tua bin), hay về cấu tạo (lắp các thiết bị ra đặc biệt được thiết kế như các mũi phun cho các tua bin).
Trong trường hợp các nhà máy thủy điện nằm bên cạnh đập thì ảnh hưởng tiêu cực của sóng dâng trên các đường dẫn có thể giảm nhờ vận hành (tự động) các cửa van một cách phù hợp. Cuối cùng, bố trí tổng thể đập và nhà máy được thiết kế để giảm thiểu hiện tượng nước dâng (mở rộng kênh dẫn vào và ra, ngăn cách kênh giao thông và nhà máy thủy điện v.v…).
Hình 7-3. Một phương án bố trí mặt bằng âu thuyền
(1) Đập; (2) Nhà máy thủy điện; (3) Âu thuyền (Novak và Cabelka, 1981)
Các giải pháp trên có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc phối hợp. Tuy nhiên, cần khẳng định rằng mặc dù có thể làm giảm bớt nước dâng từ nhà máy thủy điện tới một mức độ chấp nhận được, nhưng không loại bỏ được hoàn toàn ảnh hưởng này. Việc điều khiển tối ưu cột nước của toàn bộ nhà máy thủy điện thường được xác định bằng cách sử dụng các mô hình toán kết hợp với đo lường thực tế.
Cách bố trí đập, nhà máy thủy điện, âu thuyền và vùng lân cận yêu cầu phải được xem xét cẩn thận về các chức năng tương ứng của từng bộ phận riêng lẻ trong tổng thể của một bài toán thủy lực phức tạp. Điều này có thể dẫn đến việc bố trí khác nhau trên các kênh, các sông vận tải có quy mô khác nhau.
Cách bố trí tổng thể trên các con sông nhỏ và tại các công trình cũ thường theo sơ đồ âu thuyền vận tải và nhà máy thủy điện theo hướng song song và nằm hai bên khác nhau của đập tràn hay đập dâng nước, với các âu thuyền ngăn cách với sông bằng các tường chia nước dài. Một giải pháp tốt hơn đã được chấp nhận trong cách bố trí là làm âu thuyền tách khỏi sông bởi một bãi bồi và tuyến năng lượng (từ bể áp lực đến kênh xả) được đặt ở một đầu đập phù hợp với hướng dòng chảy của sông (hình 73). Cách bố trí này đã loại bỏ được tường chia nước giữa nhà máy thủy điện và các âu thuyền, kết quả đã cải thiện hiệu quả của cả kênh vận tải và nhà máy thủy điện. Trên các con sông vận tải lớn, việc xem xét quản lý tổng thể là phức tạp hơn và cũng thường đưa các vấn đề vận chuyển bùn cát, băng đá vào tính toán v.v…
Thiết kế đập dâng với các nhà máy thủy điện và các âu thuyền trên sông đã trở thành hình mẫu phổ biến, thậm chí là có thể bố trí đối xứng, với hai nhà máy thủy điện và hai âu thuyền ở hai bên sông.
Bố trí chi tiết hợp lý của việc sử dụng tổng hợp nguồn nước là rất phức tạp, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến phát triển thủy điện và vận tải thủy, vấn đề này tốt nhất là nghiên cứu thông qua mô hình (Novak và Cábelka, 1981).