Chương 6 HỆ THỐNG THỦY LỢI VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM
6.1. HỆ THỐNG THỦY LỢI VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA NÓ
6.1.3. Các hạng mục công trình trong một hệ thống thủy lợi
Trên đây chúng ta đã phân loại HTTL theo 3 tiêu chí khác nhau, hay 3 cách tiếp cận khác nhau. Đồng thời cũng khẳng định rằng, một HTTL dù đơn hay đa chức năng, đơn hay đa mục tiêu, bao giờ cũng là một tập hợp của một số hạng mục công trình không thể thiếu được đối với hệ thống. Trong mục này chúng ta sẽ phân tích về các hạng mục đó dưới góc độ kinh tế tổng hợp nguồn nước.
(1) Một số cách phân loại công trình thủy lợi
Như đã trình bày ở trên, công trình thủy lợi (CTTL) bao gồm rất nhiều loại hạng mục khác nhau về quy mô, và về các đặc điểm khác, tùy thuộc vào đặc trưng nguồn nước và nhu cầu khai thác nước của các đối tượng ngành sử dụng nước, cũng như nhu cầu của toàn bộ nền kinh tế quốc dân nói chung.
Dưới đây là một số phân loại theo các góc độ khác nhau.
a- Phân loại theo phạm vi ngành sử dụng
Về mặt này, CTTL được chia thành 2 nhóm lớn là:
+ Công trình đầu mối hay công trình chung
Công trình đầu mối có tác dụng phục vụ cho nhiều ngành sử dụng khác nhau.
Ví dụ đập và hồ chứa cho phép thay đổi chế độ nước để lấy nước tưới, phát điện, tạo môi trường nuôi trồng thủy sản, chống lũ, phục vụ vận tải thủy, v.v... Với đặc tính như vậy thì công trình dâng nước, công trình xả lũ, công trình lấy nước, v.v...
thuộc nhóm công trình đầu mối.
+ Công trình chuyên môn hay công trình đơn vị
Công trình chuyên môn được xây dựng để giải quyết một nhiệm vụ cụ thể nào đó. Thí dụ nhà máy thủy điện là công trình chuyên ngành dùng để biến thủy năng thành điện năng; âu tàu thuyền – dùng để phục vụ giao thông thủy, hệ thống tưới để cấp nước tưới cho nhu cầu sản xuất nông nghiệp, v.v...
b- Phân loại CTTL theo thời gian sử dụng
Theo cách phân loại này thì CTTL được chia thành 2 nhóm là công trình lâu dài và công trình tạm thời.
Công trình lâu dài là loại công trình được sử dụng thường xuyên trong suốt thời gian khai thác, trong đó thời gian phục vụ của công trình ít nhất phải trên 10÷20 năm.
Công trình tạm thời có thời gian làm việc ngắn hạn, chủ yếu là các công trình phục vụ cho việc xây dựng công trình chính ví dụ như các đê quai, công trình dẫn dòng thi công, v.v...
Trong trường hợp công trình tạm thời có kết cấu khá bền vững và vốn đầu tư xây dựng cao, ví dụ như đường hầm dẫn dòng thi công, thì thông thường phải xem xét khả năng tận dụng công trình này cho mục tiêu khai thác tiếp theo.
c- Phân loại công trình thủy theo tính chất làm việc và tác động đến nguồn nước Muốn khai thác tài nguyên nước phục vụ nhu cầu nước của các ngành kinh tế và đời sống, thì phải đầu tư xây dựng các CTTL, bởi lẽ chế độ nguồn nước tự nhiên diễn ra theo quy luật ngẫu nhiên phụ thuộc vào tác động của hệ thống các yếu tố tự nhiên. Sự phân bố về lượng, chất và theo không gian, thời gian của nguồn nước không phải lúc nào và ở đâu cũng có thể sử dụng được dưới dạng tự nhiên mà không cần đầu tư xây dựng các CTTL.
Vì vậy nhiệm vụ của CTTL là biến đổi các chế độ nước tự nhiên (Qtn, Htn, Vtn...) thành chế độ nước phù hợp với tính chất và nhu cầu sử dụng các đối tượng ngành kinh tế (Qs, Hs, Vs...), đảm bảo hiệu quả khai thác sử dụng cao nhất với chi phí hợp lý nhất trên nguyên tắc duy trì và góp phần nâng cao chất lượng và sự phát triển bền vững của các nguồn nước.
Để thực hiện mục tiêu trên, các CTTL có thể phân loại thành 5 nhóm lớn sau đây.
Công trình dâng nước
Nhiệm vụ chính của công trình dâng nước (đập dâng) là tạo nên sự dâng cao hơn về mực nước so với tự nhiên ở phía thượng lưu tuyến đập theo nhu cầu sử dụng nào đó (hình 6.4, 6.5 và 6.6). Ví dụ đập Bái Thượng ở Thanh Hóa, nó có nhiệm vụ nâng mực nước sông Chu vào mùa khô ở phía trước tuyến đập để có thể lấy nước tự chảy từ sông vào cống lấy nước tưới của hệ thống nông giang Bái Thượng. Lẽ dĩ nhiên vào mùa mưa mực nước tự nhiên của sông đã cao, vả lại vào thời kỳ mưa cũng không có nhu cầu tưới nhân tạo, vì lượng mưa tự nhiên đã đủ thậm chí còn lớn hơn nhu cầu nước của cây trồng, cho nên còn phải tiêu bớt nước thừa để chống úng. Trong ví dụ trên, đập dâng không tạo ra hồ chứa điều tiết nước (cột nước dâng chỉ vài ba mét).
Trường hợp đập dâng dùng để tạo hồ chứa điều tiết dòng chảy ví dụ đập Hòa Bình, thì chế độ tự nhiên của nguồn nước thay đổi hoàn toàn. Vận tốc ở phía thượng lưu đập giảm dần theo hướng chảy v1 > v2 > ... > vđ (vđ - vận tốc nước ở sát tuyến đập ), còn độ sâu nước lại tăng dần h1 < h2 < ... < hđ (hđ - chiều sâu nước ở sát tuyến đập). Sự thay đổi vận tốc và độ sâu nước sẽ dẫn đến quá trình bồi lắng bùn cát trên tuyến dòng chảy vào hồ, làm cho dòng chảy xả xuống hạ lưu ít bùn cát hơn. Yếu tố này sẽ tạo nên quá trình xói lở ở lòng dẫn phía hạ lưu, vì nước trong khả năng vận chuyển và mang theo nó lượng bùn cát lớn hơn so với tự nhiên trước khi có hồ chứa.
Một sự biến đổi khác của chế độ nguồn nước là lượng thấm ngấm và bốc hơi nước từ hồ chứa tăng lên đáng kể so với khi chưa có hồ. Các hiện tượng này có mặt lợi (cải thiện khí hậu do nhiệt độ không khí giảm) nhưng cũng có mặt bất lợi (gây tổn thất nước do bốc hơi và thấm ngấm, điều này rất đáng quan tâm đối với những vùng khan hiếm nước).
Ngoài ra, khi có hồ chứa, mực nước trong hồ sẽ dao động, gây ra quá trình ngập úng không thường xuyên, có thể kéo theo sạt lở, kết hợp tác động sóng do gió, hoặc hình thành vùng nước nông có nhiệt độ và môi trường thích hợp cho sự phát triển các loại côn trùng như muỗi...
Tóm lại, công trình dâng nước tạo hồ chứa cho phép khai thác nước với nhiều mục tiêu (phát điện, chống lũ, cấp nước, v.v... như đã nói ở trên ), song cũng gây ra nhiều tác động thay đổi chế độ thủy văn tự nhiên của nguồn nước, trong đó có cả mặt lợi và bất lợi.
B
K h
H Ho
2 -§Ëp d©ng
3 - NMT§
1 - Hồ chứa
1 2
3 B
K
Hình 6.4: Sơ đồ đập dâng, hồ chứa và NMTĐ sau đập Công trình lấy nước
Nhiệm vụ của công trình lấy nước là lấy một phần lượng nước của nguồn (bằng nhiều phương pháp và giải pháp kỹ thuật – công nghệ khác nhau như cống lấy nước tự chảy, lấy nước bằng động lực). Tùy theo tỷ lệ lượng nước lấy so với lượng nước nguồn mà tác động làm thay đổi nguồn nước sẽ khác nhau.
Đối tượng sử dụng nước thông qua công trình lấy nước có thể là lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp (cấp nước nông nghiệp), sinh hoạt (cấp nước sinh hoạt), năng lượng (lấy nước vào nhà máy thủy điện, nhiệt điện ) v.v...
Nguồn nước cấp có thể là sông, hồ hoặc nước ngầm, do đó hình thức lấy nước, giải pháp lấy nước, quy mô công trình và vốn đầu tư cho công trình lấy nước sẽ khác nhau.
Tuy nhiên, phải khẳng định rằng quy mô tác động làm thay đổi chế độ nguồn nước do công trình lấy nước gây nên sẽ nhỏ hơn so với công trình dâng nước tạo hồ chứa.
Công trình dẫn nước
Công trình dẫn nước được hình thành để chuyển nước từ một vị trí nào đó đến một vị trí khác theo nhu cầu khai thác sử dụng nước. Việc phải chuyển nước như vậy là do đối tượng sử dụng nước và nguồn cung cấp nước không ở cùng một vị trí. Bằng công trình dẫn nước chúng ta đã tạo nên một dòng chảy mới nhân tạo.
Loại hình của công trình dẫn nước có thể là kênh hở hoặc đường ống kín (còn gọi là đường hầm thủy công). Chế độ chảy của nước trong công trình dẫn nước có thể là không áp hoặc có áp tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, còn các thông số thủy lực như vận tốc chảy, kích thước tiết diện chảy, lưu lượng nước của đường hầm phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng nước và quy mô (kích thước) của công trình dẫn nước.
Đối tượng sử dụng nước cũng rất khác nhau. Có thể dẫn nước để tưới, dẫn nước vào nhà máy thủy điện hoặc nhiệt điện, để phục vụ nhu cầu cấp nước, tiêu thoát nước để phục vụ vận tải thủy, hoặc chuyển một phần nước ở vùng có nguồn nước phong phú sang vùng khan hiếm nước (trên thế giới có rất nhiều dự án chuyển nước từ lưu vực nọ sang lưu vực kia, kể cả từ quốc gia này sang quốc gia khác ).
Tùy theo địa hình, địa chất, trên tuyến dẫn nước còn có các công trình vượt chướng ngại được xem là công trình bổ trợ. Loại hình của công trình này bao gồm các dốc nước hay bậc nước (chuyển nước qua địa hình có độ dốc lớn), cầu máng (để dẫn nước qua các khe suối, các kênh, máng, rạch v.v…), cống luồn hay xiphông ngược (dẫn nước qua dưới đường giao thông). Ngoài ra còn có các biện pháp và công trình để chống thấm, ngấm, chống bồi lắng và xói lở lòng dẫn, các công trình để phân chia nước hoặc tạo chế độ nước thích hợp cho nhu cầu sử dụng nước dọc theo tuyến dẫn nước (các dạng cống khác nhau).
Công trình tháo nước
Có nhiệm vụ tháo nước từ hồ chứa cho mục tiêu sử dụng nào đó (chẳng hạn tháo nước qua tuốc bin để tạo ra điện năng, tháo nước xuống hạ lưu để phục vụ nhu cầu sử dụng nước ở vùng hạ du, v.v...), hoặc tháo nước thừa ra khỏi hồ chứa khi mực nước hồ đã ở mức nước dâng bình thường (MNDBT) mà lưu lượng dòng
chảy đến hồ lớn hơn lưu lượng cần lấy cho sử dụng (hình 6.5). Trong trường hợp này công trình tháo nước còn được gọi là công trình xả lũ, nhằm đảm bảo sự an toàn cho tuyến đầu mối dâng nước tránh hiện tượng nước dâng cao có thể tràn qua đỉnh đập kéo theo các hậu quả phá hủy đập và các công trình của tuyến áp lực.
Loại hình công trình tháo nước rất phong phú, gồm công trình tháo mặt, tháo sâu, xả đáy, tháo tự tràn, tháo có cửa van điểu tiết lưu lượng tháo, tháo kiểu xiphông, kiểu phễu tràn vào giếng đứng hay giếng xiên, tháo bố trí ở trong thân đập hay ngoài thân đập, v.v...
Quy mô lưu lượng tháo cũng rất khác nhau, từ một vài mét khối giây đến hàng chục ngàn mét khối giây (m3/s).
Hình 6.5: Tràn xả lũ, trụ pin và van cung Công trình chuyển hóa năng lượng
Thuộc loại này có thể kể đến các nhà máy thủy điện, các nhà máy bơm và các nhà máy thủy điện tích năng.
Nhà máy thủy điện (hình 6.6) là một loại nhà công nghiệp, trong đó bố trí các thiết bị cơ khí, thủy lực, năng lượng, kiểm tra, đo lường,... để làm nhiệm vụ chuyển cơ năng của dòng chảy thành điện năng và đưa lên hệ thống điện.
Nhà máy bơm (hình 6.7 và 6.8) cũng là một loại nhà động lực bố trí các thiết bị tương tự như đối với nhà máy thủy điện nhưng có nhiệm vụ biến điện năng (hoặc dạng năng lượng khác) làm quay máy bơm để bơm chất lỏng đi xa và lên cao.
Thủy điện tích năng là nhà máy kết hợp cả thủy điện và bơm, làm việc theo cả hai chiều, chiều tuốc bin (phát điện) và chiều bơm (tiêu thụ điện). Trong tương lai những năm 2020, theo kế hoạch phát triển, ở nước ta sẽ xây dựng nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên.
Ngoài những hình thức phân loại CTT được đề cập ở trên còn có thể có các phân loại khác như theo vị trí nguồn nước (CTT trên sông, hồ, biển), theo kết cấu (mỏng, khối lớn, trọng lực, phi trọng lực), theo vật liệu xây dựng (đất, đá, bêtông...).
1-Cửa lấy n−ớc
2 -Đập dâng 3-Kênh dẫn 4-Bể áp lực
B
5-Đ−ờng ống áp lực
H Ho 6-NMT§
K h 2
B 1 3
4 6
5 K
Giếng điều áp
§Ëp d©ng B
Đ−ờng ống áp lực h
H Ho
NMT§
K
Đập dâng và Bể áp lực B
Đ−ờng ống áp lực NMTĐ
ngÇm H
Ho h
K
Đ−ờng hầm xả
Hình 6.6: Một số sơ đồ NMTĐ kiểu hở và ngầm
HL max
HL min
5
6
8
1
2
3
4
7
5
Hình 6.7: Sơ đồ bố trí nhà máy bơm ở lòng sông
1- sông; 2- công trình lấy nước; 3- đường dẫn nước; 4- giếng tập trung nước, bể hút; 5- ống hút; 6- nhà máy bơm; 7- trụ néo; 8- ống đẩy.
7
1
2
3 5
4 6
8
9 HL max
HL min
TL max
Hình 6.8: Sơ đồ bố trí NM bơm tiêu đặt trong thân đê
1- kênh dẫn vào; 2- công trình lấy nước; 3- miệng hút; 4 - ống đẩy;
5- máy bơm; 6- động cơ điện; 7- nhà máy bơm; 8- bể xả; 9- thân đê.