CHƯƠNG III. TIỀM NĂNG SÔNG NGÒI
IV. BẬC THANG THỦY ĐIỆN VÀ CÁC HỒ CHỨA
Do ảnh hưởng nhiều điều kiện tự nhiên, kỹ thuật, kinh tế, xã hội, môi trường nên một TTĐ không thể khai thác năng lượng của một đoạn sông dài. Vì vậy người ta phải chia đoạn sông đó thành một số đoạn nhỏ hơn và trên mỗi đoạn nhỏ xây dựng một hồ chứa và một trạm thủy điện. Nhiều trạm thủy điện được bố trí liên tiếp trên một dòng sông như vậy được gọi là bậc thang các TTĐ (hay TTĐ liên hệ nối tiếp với nhau). Thiết kế bậc thang các TTĐ nhằm sử dụng độ dốc sông một cách hoàn thiện và hiệu quả kinh tế nhất, tạo thành bậc thang các hồ chứa cũng rất hiệu quả về điều tiết dòng chảy và cấp nước hợp lý hơn cho các ngành kinh tế quốc daân.
Bố trí sơ đồ bậc thang các hồ chứa, trước hết cho phép sử dụng một các hiệu quả hơn dòng nước được điều tiết. Mỗi khối nước được điều tiết chẳng những có tác dụng điều hòa đối với bản thân TTĐ ở bậc thang đó, còn có tác dụng với trạm ở bậc dưới, do đó nâng cao điện năng và công suất bảo đảm của các trạm trong hệ thống bậc thang. Bố trí bậc thang còn cho phép giảm nhỏ tổn thất cột nước ở đoạn đường cong dâng nước (đường nước dềnh đuôi hồ) và tổn thất do tháo cạn hồ.
Trong nhiều trường hợp còn cho phép rút ngắn đường dây cao thế và cho phép các trạm làm việc cơ động hơn trong hệ thống điện. Hơn nữa trên quan điểm hiệu quả đầu tư và thứ tự ưu tiên trong xây dựng để đáp ứng nhu cầu tăng lên dần dần về năng lượng của nền kinh tế, khai thác theo kiều bậc thang cho phép sử dụng hợp lý từng đoạn sông, phù hợp và cân đối với nhu cầu về điện và khả năng đáp ứng của nguoàn voán.
Khi thiết kế bậc thang, sẽ xuất hiện một loạt các vấn đề cần giải quyết như:
phân đoạn dòng sông, lựa chọn quy mô hồ thích hợp cho mỗi đoạn, bố trí tương đối giữa các trạm, bố trí hồ chứa và vấn đề điều tiết dòng chảy giữa các hồ, vận hành liên hợp, thứ tự đưa vào khai
thác… Những vấn đề trên thường phải xuất phát từ điều kiện tự nhiên cụ thể của mỗi đoạn sông và thông qua tính toán kinh tế năng lượng mới
Hình 3.7. Sơ đồ bậc thang hồ chứa và ảnh hưởng giữa các bậc thang
có thể giải quyết được. Tuy vậy, vấn đề cần lưu ý nhất khi phân đoạn sông và chọn quy mô hồ chứa và TTĐ là sự ảnh hưởng tương đối giữa bậc thang dưới và bậc thang trên nó. Về mặt lý thuyết, hoàn toàn có thể xác định được vị trí hợp lý để phân đoạn nếu xuất phát từ hoặc điểm cuối phía hạ lưu hoặc phía thượng lưu, tuy nhiên về mặt thực tế thì tuyến phân đoạn lại phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa hình, địa chất, dân sinh kinh teá (hay tính khả thi và thực thi của tuyến phân đoạn sông đó).
Trong hình 7 có bốn bậc thang hồ chứa, bậc 1 trên cùng có cột nước tĩnh là H1, tiếp đến bậc 2 có cột nước tĩnh H2, bậc 3 có cột nước tĩnh H3 và bậc 4 có cột nước tĩnh H4. Nếu thay vì xây dựng bốn bậc mà chỉ làm một bậc với đập cao và quy mô lớn tại vị trí bậc cuối cùng thì cột nước tĩnh có thể sử dụng được là H* còn cột nước toàn phần tương ứng là H*tp
Rõ ràng tổng cột nước tĩnh của các bậc sẽ nhỏ thua cột nước tổng cộng H*, tức là:
H1 + H2 + H3 + H4 <H*
Theo hình vẽ, đại lượng cột nước không được sử dụng là h1. Cột nước không được sử dụng h1 giữa hồ 1 và hồ 2 là do mực nước hồ dưới thấp hơn mực nước có thể khai thác được tại chân đập 1 (điểm B). Trường hợp này được gọi là bậc thang hở chân tay hay nối tiếp gián đoạn, lúc này cột nước của đoạn sông B_C không được sử dụng
Trường hợp hồ 2 và hồ 3 thì mực nước hồ dưới vừa bằng với mức nước có thể khai thác được tại chân đập 2 (điểm C). Trường hợp này được gọi là nối tiếp giáp đầu, không bỏ phí năng lượng của đoạn sông giữa đập 2 và đập 3.
Với hồ 3 và hồ 4 thì sự trùng lắp về cột nước sử dụng đã dẫn đến phí phạm cột nước h3 (giữa điểm K và G). Trường hợp này gọi là bậc thang ngập chân tay hay nối tiếp gối đầu.
Trong thực tế tính toán, khi khai thác trong khoảng một chu kỳ điều tiết dài (một năm hay nhiều năm), sự đan xen giữa các tình huống ngập chân hay hở chân sẽ xảy ra vì mực nước hồ dao động từ mực nước cao nhất xuống mức nước thấp nhất thiết kế củứa hồ. Do đú việc tớnh toỏn chớnh xỏc đũi hỏi khối lượng lớn. Ngày nay, tin học là một công cụ quan trọng và không thể thiếu trong những bài toán điều tiết nhiều bậc thang trong hệ thống.
V. CHỨC NĂNG CỦA CÁC THÀNH PHẦÂN TRONG HỒ CHỨA
Sau đây chỉ giới thiệu về chức năng của một số thành phần chủ yếu của hồ
chứa. Những thành phần này có tác dụng quyết định đến vai trò nhiệm vụ hồ chứa, đến sự biến đổi chế độọ thuỷ văn thượng, hạ lưu cụng trỡnh, đến tuổi thọ cụng trỡnh ...
I. Dung tích phòng lũ: Ở đây công tác phòng lũ có khi bao gồm phòng lũ cho bản thân công trình và phòng lũ cho hạ lưu (tuỳ theo tính chất công trình mà cơ quan thiết kế đặt cho nó nhiệm vụ).
II. Dung tích hữu ích: Đây là thành phần vô cùng quan trọng quyết định nhiệm vụ của công trình. Dung tích hữu ích đảm nhận việc phát điện, tưới, cấp nước sinh hoạt, nuôi trồng thuỷ sản, giao thông, góp phần cho du lịch, cải tạo môi trường... Tuỳ theo từng công trình mà nó có hết tất cả nhiệm vụ hay một số nhiệm vụ ...Nếu có hết những nhiệm vụ nêu trên thì công trình mang tính lợi dụng tổng hợp cao.
III. Dung tích chết: Nhiệm vụ của phần thể tích này bao gồm những nội dung sau:
(quyết định tuổi thọ công trình, khống chế khu tưới, nuôi trồng thuỷ sản, môi trường trong vùng bán ngập ...).
I (1)
(2)
II III (3)
Tường chắn sóng
Hình 3.8: Mô tả các thành phần chính của hồ chứa Ghi chuù:
I - Dung tích phòng lũ (1) Mực nước phòng lũ
II - Dung tích hữu ích (2) Mực nước dâng bình thường III- Dung tích chết (3) Mực nước chết
IV- Sóng trong hồ chứa do gió:
- Độ cao sóng: h = 0,0208 ω3/4D1/3 ( theo V.G.Andreanob) - Chiều dài bước sóng: λ = 0,304 ω D0.5 ( theo V.G.Andreanob)
- Năng lượng sóng: E = 2 8 g h
ς λ (trên 1 mét chiều dài đỉnh sóng)
( Ở đây: D: đà sóng (km)- chiều dài lớn nhất gió có thể chuyển động trên mặt nước . ω: tốc độ gió (m/ giây)
h: chiều cao sóng tính bằng mét.
g: gia tốc trọng trường ς: mật độ nước
VI. ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 1. Khái niệm về đất ngập nước
Ngày 2-2-1971 tại Ramsar, một thành phố nằm trên bờ biển Caspi của nước cộng hoà hồi giáo Iran, các nhà khoa học đã họp bàn về sự tồn vong của một loài chim nước rất quý hiếm. Đó phỏt hiờọn nhiều vấn đề về đất ngập nước mà con người chưa biết đến. Cho nên tiếp theo đó năm 1999 với khẩu hiệu “Con người và đất ngập nước – mối liên kết sống còn”, các nhà khoa học mong muốn con người nên tìm hiểu thêm về tài nguyên đất ngập nước. Rồi năm 2001, một khẩu hiệu khác “Đất ngập nước – một thế giới cần khám phá” kêu gọi nhân dân toàn thế giới nên đánh giá đúng tiềm năng to lớn của vùng đất quý mà đến nay con người còn lãng quên...
Cả thế giới có hơn 800.000 km2 đất ngập nước quan trọng mang tính quốc tế.
Giá trị của hệ sinh thái tự nhiên toàn thế giới là 33 nghìn tỷ USD thì trong đó 45%
thuộc về đất ngập nước ...
2. Thế nào là đất ngập nước? Theo định nghĩa của các nhà khoa học họp tại Ramsar đưa ra thì “đất ngập nước là những vùng đầm lầy, than bùn hoặc những vùng nước bất kể tự nhiên hay nhân tạo, thường xuyên hay tạm thời với nước chảy hay nước tù, nước ngọt hay nước lợ, nước biển ... kể cả những vùng biển có độ sâu không quá sáu mét khi mực nước biển thấp...”
Theo định nghĩa trên thì các hồ chứa của những công trình thủy lợi – thuỷ điện đều thuộc về “Đất ngập nước nhân tạo“. Lợi ích và tác động tiêu cực của những vùng đất ngập nước hình thành từ việc xây dựng các công trình đem đến là những vấn đề khá quan trọng mà chúng ta cần đi sâu tìm hiểu thêm từ môn học
“Đánh giá tác động môi trường “ hoặc môn “Thuỷ văn ao hồ – đầm lầy”.
Bảng 3.10: Các thông số chính của công trình Thuỷ điện Trị An
(Nguoàn BQL CTTẹ Trũ An)
STT Các chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị
01 Mực nước dâng bình thường (MNDBT) m 62,00
02 Mực nước chết (MNC) m 50,00
03 Mực nước lớn nhất (MNmax) m 63,90
04 Chiều dài lòng hồ km 43,5
05 Chiều rộng lớn nhất của hồ chứa km 12
06 Diện tích mặt thoáng của hồ chứa ứng với MNDBT km2 323 07 Dung tích toàn bộ hồ chứa ứng với MNDBT 106m3 2,765 08 Dung tích toàn bộ hồ chứa ứng với MNC 106m3 218
09 Dung tích hữu ích của hồ chứa 106m3 2,547
10 Mức nước lớn nhất ở hạ lưu nhà máy khi xả lũ
- Lũ P = 0,1% tương ứng Q xả HL = 19,260 m3/s m 22,5 - Lũ P = 1% tương ứng Q xả HL = 13,200 m3/s m 20,0 - Lũ P = 5% tương ứng Q xả HL = 8,800 m3/s m 17,2 - Lũ P = 10% tương ứng Q xả HL = 6,700 m3/s m 15,6 11 Cột nước phát điện ứng với điện lượng bình quân m 52,06
12 Cột nước tính toán Htt m 52,00
13 Cột nước lớn nhất Hmax m 61,5
14 Cột nước nhỏ Hmin m 44,4
15 Khả năng xả lớn nhất qua một tuốc bin m3 /s 222 16 Khả năng xả lớn nhất qua nhà máy m3 /s 880 17 Tổng lượng xả lớn nhất qua CT ứng với MNDBT m3 /s 15,811
Trong đó : - Qua nhà máy 811
- Qua đập tràn 15,000
18 Tổng lượng xả lớn nhất qua CT ứng với MNDBT 19,260
Trong đó : - Qua nhà máy 812
- Qua đập tràn 18,448
19 Số tổ máy tổ 4
20 Công suất định mức của một tổ máy MW 100
STT Các chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị
21 Công suất định mức của toàn nhà máy MW 400
22 Công suất bảo đảm tính toán (ứng với TS 90%) MW 104 23 Điện lượng bình quân nhiều năm Ebq Tỷ Kwh 1,76 24 Điện lượng trong năm nhiều nước Emax Tỷ Kwh 2,29
25 Điện lượng trong năm ít Emin Tỷ Kwh 1,41
VII. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY VÀ ĐIỀU TIEÁT LUÕ
I. ẹIEÀU TIEÁT NAấM
Chúng ta biết rằng nhu cầu dùng nước của tất cả các ngành kinh tế quốc dân trong một năm trên một lưu vực nào đó lúc nào cũng mâu thuẫn với lượng nước đến (Khi cần nhiều thì nước đến ít, khi cần ít thì nước đến nhiều…). Do đó cần phải tìm biện pháp công trình để điều tiết lại chế độ dòng chảy trong năm. Biện pháp công trình đó là điều tiết năm.
Dựa vào mức độ điều tiết có thể chia điều tiết năm thành hai loại:
1. Điều tiết hoàn toàn: Khi kho nước đủ dung tích chứa hết toàn bộ lượng nước thừa của năm trước để sử dụng cho năm sau thì ta gọi là điều tiết năm hoàn toàn (hình A).
2. Điều tiết không hoàn toàn (Điều tiết mùa): Khi nào tổng lượng nước đến của năm thiết kế nhiều hơn lượng nước dùng hoặc do điều kiện địa hình không cho phép mở rộng quy mô công trình nên kho nước không đủ sức chứa hết lượng nước đến và phải xả bớt đi, thì gọi là điều tiết năm không hoàn toàn, hoặc điều tiết mùa (Hình B). Theo nghĩa rộng của điều tiết dòng chảy thì điều tiết năm và điều tiết mùa cũng đều gọi là chung là điều tiết năm. Trong điều tiết dòng chảy thì điều tiết năm là biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất.
(Q~t)
(q~t)
t Q
q q
Q
t (q~t)
(Q~t)
Hình A: Điều tiết hoàn toàn. Hình B: Điều tiết không hoàn toàn
(ủieàu tieỏt muứa)
Hỡnh 3.9. ẹieàu tieỏt naờm II. ẹIEÀU TIEÁT NHIEÀU NAấM
Khi lượng nước dùng (kể cả tổn thất do thấm, bốc hơi…) mà lớn hơn tổng lượng nước đến của năm thiết kế thì phải chuyển sang hình thức điều tiết nhiều năm. Có nghĩa là phải tăng quy mô công trình. Nếu không, phải giảm bớt lượng nước dùng hoặc giảm bớt mức đảm bảo thiết kế nước dùng.
Nội dung nhiệm vụ cơ bản của điều tiết dòng chảy là nâng cao lưu lượng mùa kiệt và hạ thấp lưu lượng mùa lũ. Điều tiết năm hay điều tiết nhiều năm chủ yếu là nghiên cứu tìm cách nâng cao lưu lượng mùa kiệt hoặc lưu lượng năm ít nước. Còn điều tiết dòng chảy lũ là nghiên cứu tìm cách hạ thấp lưu lượng mùa lũ, lưu lượng đỉnh lũ lớn.
III. TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ
Mục đích việc nghiên cứu điều tiết lũ của hồ chứa là thông qua việc tính toán, tìm ra dung tích phòng lũ cần thiết của hồ chứa, phương thức trữ nước và tháo nước thích hợp, từ đó giảm bớt kích thước của công trình tháo lũ và thỏa mãn cột nước, hạn chế lúc tháo lũ (cột nước thấp nhất yêu cầu lúc vận hành nhà máy thủy điện). Thường người ta phải căn cứ vào năng lực thoát lũ của sông và mực nước hạn chế của phòng lũ và kích thước của công trình tháo lũ. Như vậy, để có cơ sở cho việc tính toán điều tiết lũ của hồ chứa, trước hết ta cần xác định tiêu chuẩn phòng lũ, phân tích về lũ thiết kế, lưu lượng tháo an toàn đối với hạ lưu và mực nước khống chế.
a. Tiêu chuẩn phòng lũ
-Tiêu chuẩn phòng lũ được biểu thị bằng loại lũ (bao nhiêu năm xuất hiện một lần) mà lưu vực có thể chịu được. Việc chọn tiêu chuẩn phòng lũ, một mặt, phải xuất phát từ tầm quan trọng của đối tượng phòng lũ, mặt khác phải thích ứng
với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Đó là một vấn đề phức tạp có liên quan đến các mặt chính trị, kinh tế và kỹ thuật mà ta cần nghiên cứu đầy đủ.
-Để nâng cao tiêu chuẩn phòng lũ thì nhà nước cần tốn thêm rất nhiều tiền của và sức lực để xây dựng công trình phòng lũ, để có thể chống được một trận lũ đặc biệt mà khả năng xuất hiện thì lại rất ít. Vì thế cần phải căn cứ vào điều kiện kinh tế, kỹ thuật của nước nhà, tầm quan trọng của đối tượng phòng lũ. Về bản thân tiêu chuẩn phòng lũ chỉ nói lên trình độ dự kiến khả năng phòng tránh thủy tai, nên chỉ là tương đối, do đó không thể chỉ lấy một tiêu chuẩn phòng lũ tương đối cao mà không thể xét đến những biện pháp khẩn cấp trong những trường hợp đặc bieọt.
-Khi nghiên cứu tiêu chuẩn phòng lũ, cần phân biệt tiêu chuẩn phòng lũ của khu vực được bảo vệ với tiêu chuẩn thiết kế của công trình thủy công. Tiêu chuẩn phòng lũ của khu vực được bảo vệ được quyết định theo tầm quan trọng của đối tượng được bảo vệ và điều kiện kinh tế. Tiêu chuẩn phòng lũ của địa điểm hay đoạn sông của thượng lưu có thể khác nhau. Tiêu chuẩn phòng lũ của các thành phố, xí nghiệp, hầm mỏ quan trọng, các khu công nghiệp đông người và phạm vi ảnh hưởng rộng lớn thì nên cao hơn một chút, còn các khu vực không quan trọng có thể thấp hơn một chút.
- Đối với công trình thủy lợi, nếu bị hỏng, có thể tạo nên những tổn thất vô cùng to lớn ở hạ lưu. Để bảo đảm an toàn, đối với các công trình thủy lợi chủ yếu thì có thể dùng tiêu chuẩn thiết kế tương đối cao (thường cao hơn tiêu chuẩn phòng lũ của khu vực bảo vệ).
* Khi nhiệm vụ của hồ chứa đã được xác định rõ, có thể chọn lũ thiết kế theo tình hình khu vực được bảo vệ và đặc điểm thủy văn của con sông. Nếu không có nhiệm vụ phòng lũ thì có thể chọn lũ thiết kế theo cấp của công trình.
b. Lưu lượng tháo an toàn và mực nước khống chế
* Lưu lượng tháo an toàn là lưu lượng lớn nhất có thể tháo xuống hạ lưu. Lưu lượng tháo an toàn ở hạ lưu phải được xác định qua luận chứng kinh tế đầy đủ về khả năng thoát lũ thực tế của sông hiện có. Lưu lượng tháo an toàn có ảnh hưởng đến các biện pháp phòng lũ. Lúc lưu lượng tháo an toàn nhỏ thì dung tích phòng lũ phải lớn, tổn thất ở thượng lưu tăng lên và đầu tư về công trình thủy công sẽ lớn (Đường 1 ở hình 3.10), hiệu suất kinh tế của các ngành dùng nước giảm nhưng đầu tư về đê điều và chi phí phòng lũ hàng năm ở hạ lưu sẽ giảm, hiệu ích phòng lũ ở hạ lưu sẽ tăng. Đường 2 ở hình 3.10 ngược lại, nếu tăng lưu lượng tháo an toàn ở hạ lưu thì dung tích phòng lũ sẽ giảm, chi phí về đê điều ở hạ lưu sẽ tăng, vấn đề đầu tư công trình thủy công và tổn thất ngập ở thượng lưu sẽ giảm, hiệu ích của các