Điều hành hồ thủy lợi

ĐẶNG Đình Cung

Kỹ sư tư vấn

Chọn địa điểm, thiết kế và xây dựng một hồ thủy lợi thì phức tạp. Nhưng một khi đã xây xong thì công việc điều hành rất là dễ. Một chút ý thức chung dựa trên phương châm "an toàn của người dân là trên hết" và hệ luận của nó là phương châm "nước trong các hồ phải ở mức nước chết trước mùa mưa" là đủ.

Lưu trữ nước mưa, an toàn và tối ưu kinh tế

Điều hành một hồ thủy lợi tương tự như chuyện một máy nước và bồn nước mà các cô giáo tiểu học dạy cho học sinh để ở nhà khi tắm rửa thì các cháu phải cảnh giác không để cho nước tràn khỏi bồn tắm:

1. Nếu bồn tắm đầy nước thì lượng nước đổ vào bồn sẽ là lượng nước trào ra khỏi bồn.

2. Nếu trong bồn còn dung tích để chứa thêm nước thì máy nước có thể đổ nước trong một thời gian trước khi nước trào ra khỏi bồn.

3. Dung tích còn lại để chứa nước trong bồn càng lớn bao nhiêu thì máy nước có thể tiếp tục đổ nước vào bồn nhiều bấy nhiêu trước khi nước trào ra khỏi bồn.

Vào mùa mưa thì nước chảy xuống mạn xuôi gây ra lụt (hình 1a) hay chảy xuống một nơi trũng. Vào mùa khô thì người ta tát nước ở nơi trũng đó làm nước sinh hoạt, cho gia súc uống và để tưới vườn ruộng. Có khi người ta đào hồ ao để hứng nước không cho chảy đến một nơi trũng khác xa hơn. Để cho an toàn thì người ta định cư ở độ cao hơn những nơi trũng đó. Làm như thế thì có nhiều diện tích chỉ có thể dùng được ngoài mùa mưa để thả trâu bò gia súc ăn cỏ, tổ chức lễ hội văn hóa, tôn giáo và thể thao giải trí. Dưới áp lực của nhân mãn thì những chỗ trũng khi xưa dành để hứng mưa đã bị đô thị hóa và nhiều nơi ở một số đô thị lớn bị lụt chỉ sau một cơn mưa.

Hình 1 – Tác động của một hồ thủy lợi

Để có thể sử dụng những nơi đó một cách an toàn thì người ta xây ở thượng nguồn một đập chắn nước. Đập chắn nước đó chia lưu vực ra làm hai: mạn ngược đập và mạn xuôi đập (hình 1b). Vào mùa mưa thì nước mưa ở lưu vực từ trên đập trở lên, chảy vào một hồ nhân tạo và có thể dùng làm hồ chứa nước cho mùa khô. Còn mạn xuôi thì hứng nước mưa của lưu vực từ chân đập trở xuống. Như vậy ở mạn xuôi thì ít lụt hơn là khi chưa có đập, đời sống của cư dân mạn xuôi an bình hơn. Nếu hồ đầy mà mưa vẫn tiếp tục rơi thì nước sẽ vượt khỏi ngọn đập và tất cả nước mưa tiếp của lưu vực ở mạn ngược đập sẽ tràn xuống mạn xuôi. Như vậy hồ không còn chức năng cắt lũ nữa vì lụt lại tăng lên ở mức như khi xưa không có hồ thủy lợi (hình 1c).

Để tránh tình huống phải xả lũ thì người ta thiết kế dung tích hồ đủ để chứa tất cả nước mưa rơi xuống lưu vực ở phía trên đập và người ta tìm cách trút hay tua–bin tất cả lượng nước đó ra khỏi hồ trong suốt mùa khô (hình 2). Nước đó chủ yếu dùng để sản xuất điện và để làm nước sinh hoạt cho cư dân mạn xuôi.

Hình 2 – Hồ thủy lợi ngay đầu mùa mưa và ngay cuối mùa mưa

Có khi địa thế không cho phép xây một đập với một hồ duy nhất chứa được tất cả nước mưa của lưu vực mạn ngược. Trong trường hợp đó thì người ta xây nhiều đập, mỗi đập sinh ra một hồ chứa. Người ta gọi chuỗi hồ đó là thang thủy lợi (nếu không cần phân biệt một hay một thang nhiều hồ thì sau đây chúng tôi gọi là một công trình).

Trong mùa khô thì các hồ chia nhau tua–bin lưu lượng nước tùy nhu cầu của hệ thống điện Quốc gia (HTĐQG) và nhu cầu nước sinh hoạt của cư dân mạn xuôi. Trong mùa mưa thì hồ cao nhất phải có thể chứa được nước mưa rơi xuống lưu vực ở thượng nguồn đập, các hồ khác phải có thể chứa được nước mưa rơi xuống lưu vực giữa hai đập kẹp hồ đó. Cũng như với một hồ duy nhất, để tránh tình huống phải xả lũ thì người ta thiết kế tổng dung tích của tất cả các hồ đủ để chứa tất cả nước mưa rơi xuống lưu vực ở phía trên đập thấp nhất và người ta tìm cách trút hay tua–bin tất cả lượng nước đó trong suốt mùa khô cho tới mức nước chết của mỗi hồ (hình 3).

Hình 3 – Thang hồ thủy lợi ngay đầu mùa mưa và ngay cuối mùa mưa

Thực ra thì đây là những tính huống lý tưởng. Người ta cũng vẫn phải xả lũ vì ba lý do:

1. Khi người ta tính dung tích của một hồ thì người ta lấy dung tích bằng lượng nước mưa của năm có nhiều mưa nhất đã được ghi nhận từ một thế kỷ nay. Như vậy có nghĩa là trung bình một lần mỗi trăm năm hồ không thể chứa được hết nước của mùa mưa và phải xả lũ.

2. Với biến đổi khí hậu thì có nhiều năm lượng mưa nhiều hơn lượng đã tính khi thiết kế công trình hiện có. Sẽ có nhiều năm lượng mưa vượt trội dung tích thiết kế của các hồ hiện đã xây và phải xả lũ thường xuyên hơn là trung bình mỗi trăm năm một lần như kể ở trên.

3. Ngoài hai chức năng chính, cắt lũ và sản xuất điện thì một công trình thủy lợi có nhiều công dụng khác như là nuôi thủy sản, trồng rau cỏ, khu du lịch giải trí, tuyến đường sông, nguồn làm nguội bộ ứng của các nhà máy nhiệt điện... Người ta phải tối ưu hóa những lợi ích đó so với vốn đầu tư. Tính tối ưu hóa dẫn tới một công trình có tổng dung tích nhỏ hơn là dung tích lý thuyết mô tả như ở trên và năm nào cũng phải xả lũ.

Ở một trong những tình huống bất khả kháng đó mà nếu trước mùa mưa đã trút hay tua–bin hết nước trong các hồ chứa cho đến mức nước chết thì các hồ sẽ có thể hứng được tối đa nước mưa trước khi phải xả lũ. Như vậy các công trình bị bắt buộc phải xả lũ sẽ xả vào cuối mùa mưa, khi lụt ở mạn xuôi bắt đầu giảm, và lượng nước phải xả sẽ tối thiểu. Nhờ đó cư dân mạn xuôi sẽ bị lụt ít và trong ít ngày. Nếu không thì công trình sẽ phải xả sớm hơn, xả nhiều nước hơn và cư dân mạn xuôi sẽ phải chịu lụt nhiều hơn và lâu hơn.

Thêm vào lý do an toàn đó thì còn có lý do kinh tế. Nước trút khỏi hồ chảy qua các tua–bin của công trình để sản xuất điện. Khi xả lũ thì một phần nước xả không qua tua–bin để sản xuất điện và lượng nước đó không có giá trị kinh tế cho nông nghiệp thậm chí còn có thể là một đe dọa cho sinh mạng và tài sản của cư dân mạn xuôi.

Để giảm thiểu rủi ro và lãng phí nước mưa thì công trình thủy lợi quản lý lượng nước trong các hồ theo hai phương châm "an toàn của người dân là trên hết" và "nước trong các hồ phải ở mức nước chết trước mùa mưa".

Quy trình vận hành

Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia (TTĐĐHTĐQG) có chức năng điều độ HTĐ Quốc gia để¹:

1. Cung cấp điện an toàn, liên tục;

2. Đảm bảo sự hoạt động ổn định của toàn bộ HTĐ Quốc gia;

3. Đảm bảo chất lượng điện năng;

4. Đảm bảo HTĐ Quốc gia vận hành kinh tế nhất.

Điện là một sản phẩm không thể tích trữ được. Nếu trong HTĐQG mà có một cơ sở phát điện sinh ra nhiều điện quá thì phải giảm ngay công suất của một cơ sở khác. Ngược lại, nếu HTĐQG thiếu điện thì một cơ sở nào đó phải tăng công suất để cân bằng ngay cung cầu của hệ thống. Nếu từ trạng thái ngưng hẳn (lò hơi lạnh, ổ phát điện không quay) thì một tổ nhiệt điện nguyên tử cần đến một tuần lễ để đạt công suất thiết kế, một tổ nhiệt điện hóa thạch cần đến một ngày và một tổ thủy điện chỉ cần mươi mười lăm phút. Vậy thủy điện dùng để cân bằng cung cầu của HTĐQG và nhiệt điện dùng làm công suất nền, nghĩa là bảo đảm liên tục tối thiểu nhu cầu điện của toàn quốc. Nước ta có tài nguyên thủy lực phong phú nên thủy điện cũng dùng để sản xuất điện nền như nhiệt điện.

Nhiệt điện phải mua năng lượng cơ bản để sinh ra điện. Thủy điện thì không vì năng lượng cơ bản là nước mưa trời cho. Năng lượng cơ bản để sản xuất điện gió và điện mặt trời thì cũng trời cho. Nhờ đó mà EBITDA² của điện tái tạo là rất cao, cao nhất và sản xuất điện tái tạo thay cho nhiệt điện phải là ưu tiên.

Vì hai lý do đó mà TTĐĐHTĐQG hoàn thành chức năng của mình theo phương châm "ưu tiên sản xuất điện tái tạo". Còn công trình thủy lợi địa phương thì theo phương châm "nước trong các hồ phải ở mức nước chết trước mùa mưa" để vừa thỏa mãn nhu cầu nước sinh hoạt của cư dân mạn xuôi, giảm thiểu những trường hợp bắt buộc phải xả lũ vừa bảo đảm an toàn khi phải xả lũ. Trong trường hợp hai bên không nhất trí thì quyết định cuối cùng thuộc về quản đốc công trình thủy lợi. Như viết ở phần trên, nước trút ra khỏi hồ phải chảy qua các tua bin của công trình để sản xuất điện. Công trình thủy lợi sản xuất bao nhiêu điện thì TTĐĐHTĐQG phải nhận lượng điện đó và điều chỉnh công suất của các cơ sở sản xuất điện khác của HTĐQG để cân bằng cung cầu.

1. Trong mùa khô và cho tới một tháng trước mùa mưa thì công trình thủy lợi tua–bin nước tùy theo đòi hỏi điện của TTĐĐHTĐQG và đòi hỏi nước sinh hoạt của cư dân mạn xuôi. Nếu cư dân cần nhiều nước sinh hoạt hơn là lượng nước cần thiết để thỏa mãn đòi hỏi điện của TTĐĐHTĐQG thì thỏa mãn đòi hỏi của cư dân.

2. Một tháng trước mùa mưa thì trong hồ có thể có đủ nước để thỏa mãn đòi hỏi về điện và nước sinh hoạt cho tới trận mưa đầu tiên nhưng không được chứa nhiều hơn. Công trình thủy lợi tua–bin lượng nước để "nước trong các hồ phải ở mức nước chết trước mùa mưa".

3. Nhân nước trong hồ ở mức nước chết thì quan trắc mặt trong của đập và các diện tích chắn thấm trong lòng hồ để kiểm tra có gì phải sửa chữa hay không³.

4. Trong mùa mưa thì công trình thủy lợi cố gắng tua–bin theo nhu cầu của TTĐĐHTĐQG với phương châm "an toàn của người dân là trên hết", nghĩa là khi có nguy cơ lụt quá thì ngưng sản xuất điện bằng cách đóng tất các van tua–bin và các van tháo nước khác. Khi nào có một hồ sắp tràn thì mới xả nước của hồ đó và chỉ hồ đó thôi.

Hình 4 – Thí dụ quy trình thang thủy lợi xả lũ

Làm theo quy-trình này thì sẽ không tránh được phải xả lũ. Nhưng xác-suất phải xả lũ sẽ giảm đi đáng kể và, nếu phải xả, thì hậu quả cũng sẽ giảm đáng kể.

Đặng Đình Cung