Ứng dụng các công nghệ giám sát online để vận hành hiệu quả nhà máy và hồ chứa thủy điện (ICOLD Bulletin CL 2026) [Bài 4]

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN ĐỘNG ĐẤT KHU VỰC HỒ CHỨA

1. TỔNG QUAN

1.1 Định nghĩa

Động đất khu vực hồ chứa đề cập đến các trận động đất xảy ra trong hoặc ảnh hưởng đến khu vực hồ chứa. Công nghệ giám sát trực tuyến động đất khu vực hồ chứa là việc áp dụng công nghệ số và thông tin để thu thập, giám sát tập trung và phân tích, xử lý hiệu quả dữ liệu và thông tin giám sát động đất khu vực hồ chứa, dựa trên các công nghệ truyền thông, mạng và cơ sở dữ liệu hiện đại.

1.2 Mục tiêu và ý nghĩa

Với dải động học quan sát rộng, độ chính xác cao và mức độ tự động hóa cao trong xử lý dữ liệu, giám sát trực tuyến động đất khu vực hồ chứa có thể cung cấp lượng lớn dữ liệu giám sát hoàn chỉnh, chính xác và liên tục về hoạt động động đất khu vực hồ chứa, kịp thời và hiệu quả giám sát hoạt động động đất khu vực hồ chứa, phân tích và đánh giá xu hướng hoạt động động đất trong khu vực hồ chứa, từ đó nâng cao khả năng phòng ngừa và giảm thiểu thiên tai động đất trong khu vực hồ chứa và cung cấp cơ sở cho việc ra quyết định trong quản lý vận hành hồ chứa và cứu trợ thiên tai động đất.

1.3 Lịch sử phát triển

1.3.1 Phát hiện và nghiên cứu động đất khu vực hồ chứa

Việc phát hiện động đất khu vực hồ chứa có thể truy ngược lại từ cuối những năm 1920 đến đầu những năm 1930. Năm 1928, hồ chứa Marathon ở Hy Lạp bắt đầu tích nước. Kể từ năm 1931, các trận động đất nhỏ thường xuyên xảy ra trong khu vực hồ chứa khi hồ được tích nước. Một trận động đất M5.7 xảy ra bảy năm sau đó vào năm 1938. Hồ Hoover trên hồ Mead ở Hoa Kỳ bắt đầu tích nước vào năm 1935. Hồ được tích đầy cơ bản vào năm 1938, và năm sau đó, một trận động đất M5.0 xảy ra trong khu vực hồ chứa. Thông qua nghiên cứu về động đất khu vực hồ Hoover, cộng đồng khoa học đã xác nhận mối liên hệ giữa tải trọng hồ chứa và động đất vào năm 1945. Kể từ đó, động đất khu vực hồ chứa bắt đầu thu hút sự chú ý từ nhiều lĩnh vực.

Trong những năm 1960, các trận động đất mạnh hơn đã xảy ra ở hồ chứa Xinfengjiang ở Trung Quốc, đập Koyna ở Ấn Độ, hồ chứa Kremasta ở Hy Lạp và hồ chứa Kariba ở Zambia-Zimbabwe, với cường độ chấn tâm từ VIII đến IX. Tất cả chúng, ngoại trừ hồ chứa Kariba, đã gây ra thảm họa động đất, một số thậm chí gây thương tích cho con người. Ngày càng có nhiều sự chú ý được dành cho nghiên cứu về động đất khu vực hồ chứa.

Kể từ cuối những năm 1960, nhiều nghiên cứu và hội nghị học thuật đã được tổ chức trong lĩnh vực nghiên cứu động đất khu vực hồ chứa. Năm 1970, Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên Hợp Quốc (UNESCO) đã thành lập Nhóm Công tác về Hoạt động Động đất của Các Hồ chứa Lớn, tổ chức cuộc họp đầu tiên vào tháng 12 cùng năm. Tại cuộc họp, Nhóm Công tác đã đánh giá các trường hợp từ 30 hồ chứa lớn trên toàn thế giới. Dựa trên quan sát và nghiên cứu lâu dài về động đất khu vực hồ chứa cũng như các trường hợp động đất khu vực hồ chứa điển hình, các nhà nghiên cứu đã mở rộng nghiên cứu về động đất khu vực hồ chứa từ việc nghiên cứu mối tương quan giữa hoạt động động đất và mực nước trong khu vực hồ chứa trước và sau khi xây dựng hồ chứa ở giai đoạn đầu, đến nghiên cứu về địa chất động đất, địa chấn học, cơ chế vật lý và phương pháp đánh giá và dự báo nguy cơ động đất khu vực hồ chứa.

1.3.2 Số hóa thông tin quan sát địa chấn

Hiện nay, thiết bị phổ biến để quan sát chuyển động mặt đất và động đất khu vực hồ chứa là máy địa chấn hoặc seismometer. Khi mặt đất dao động, máy địa chấn có thể chuyển đổi dao động mặt đất thành tín hiệu điện tương ứng làm đầu ra của bộ chuyển đổi. Tín hiệu đầu ra của máy địa chấn được khuếch đại và lọc bởi bộ điều hòa tín hiệu, sao cho phù hợp hơn với việc ghi và sử dụng. Kể từ cuối thế kỷ 19, khi máy địa chấn hiện đại được phát minh, một thiết bị ghi chép địa chấn đã được sử dụng cho đến nay là máy ghi "loại trống". Bộ chuyển đổi của máy ghi có thể chuyển đổi tín hiệu điện nhận được thành độ lệch của cột ánh sáng hoặc dao động của đầu bút ghi, và bản vẽ kết quả là địa chấn đồ. Tín hiệu điện phản ánh chuyển động mặt đất và đường cong ghi chép chuyển động mặt đất trên địa chấn đồ là liên tục, do đó địa chấn đồ được gọi là tín hiệu/địa chấn đồ tương tự.

Dựa trên việc mô phỏng thiết bị ghi chép địa chấn, hệ thống quan sát địa chấn kỹ thuật số đã được phát triển dần dần. Máy địa chấn chuyển đổi tín hiệu chuyển động mặt đất mà nó cảm nhận thành giá trị điện áp và xuất nó đến bộ thu thập dữ liệu. Bộ thu thập dữ liệu lọc và khuếch đại tín hiệu điện áp tương tự và chuyển đổi nó thành mã dữ liệu thông qua chuyển đổi tương tự-số. Dữ liệu địa chấn của dạng sóng địa chấn có thể được thu thập sau khi mã dữ liệu được lọc bởi bộ xử lý thông tin kỹ thuật số để hiện thực hóa số hóa thông tin quan sát địa chấn.

1.3.3 Giám sát động đất khu vực hồ chứa

Động đất khu vực hồ chứa là một loại động đất đặc biệt. Tiến bộ trong công nghệ giám sát của nó có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của công nghệ giám sát động đất tự nhiên. Việc giám sát động đất khu vực hồ chứa bắt đầu từ những năm 1960. Trong những ngày đầu, máy địa chấn dùng để quan sát động đất kiến tạo tự nhiên được sử dụng, và các tham số cơ bản của động đất được tính toán thông qua quan sát thủ công. Có những thiếu sót như ghi chép phân tán và độ chính xác thấp của việc vẽ bút và quan sát. Nó có thể được gọi là "mô hình quan sát thủ công".

Trong những năm 1980, cùng với sự phát triển của thiết bị quan sát động đất tự nhiên, thiết bị truyền thông không dây dùng để quan sát động đất kiến tạo tự nhiên được sử dụng để quan sát động đất khu vực hồ chứa. Kết nối với truyền thông không dây, nó có thể hiện thực hóa việc ghi chép tập trung và phân tích thủ công, điều này đã cải thiện chất lượng giám sát động đất khu vực hồ chứa. Những thiếu sót là băng thông của thiết bị truyền thông động đất tự nhiên quá hẹp để phù hợp với động đất khu vực hồ chứa có tiêu điểm chấn nông và năng lượng tần số cao phong phú. Nó có thể được gọi là "mô hình truyền thông không dây không chuyên dụng".

Trong những năm 1990, để thực hiện tốt hơn việc giám sát động đất khu vực hồ chứa, thiết bị truyền thông băng thông rộng phù hợp với giám sát động đất hồ chứa đã được phát triển. Nó được trang bị thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu địa chấn với tốc độ lấy mẫu cao, và áp dụng xử lý thời gian thực bổ sung và tương tác người-máy để xử lý các tham số địa chấn cơ bản. Nó có thể được gọi là "mô hình truyền thông động đất hồ chứa chuyên dụng".

Trong thế kỷ 21, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số và thông tin, các máy địa chấn kỹ thuật số tiên tiến đã được sử dụng trong giám sát động đất khu vực hồ chứa. Mạng truyền thông địa chấn chuyên dụng cho động đất khu vực hồ chứa và hệ thống giám sát động đất khu vực hồ chứa cho các lưu vực thoát nước cụ thể đã được thiết lập. Chúng có đặc điểm quan sát động học trên diện rộng, băng thông tần số rộng, độ chính xác cao, ghi chép tập trung và xử lý tự động, và có thể hiện thực hóa việc giám sát toàn diện động đất, rung động mạnh, biến dạng mặt đất và nước ngầm. Mạng địa chấn có độ chính xác quan sát cao và khả năng phân tích giám sát tốt. Nó có thể được gọi là "mô hình truyền thông địa chấn kỹ thuật”.

Hình 3-1: Cấu trúc mạng lưới giám sát động đất trong khu vực hồ

Hình 3-1 minh họa cấu trúc mạng lưới giám sát động đất trong khu vực hồ chứa cụ thể. Mạng lưới này bao gồm 19 trạm địa chấn được phân bố chiến lược trong khu vực. Mỗi trạm được trang bị các thiết bị giám sát địa chấn liên tục thu thập dữ liệu về hoạt động động đất. Dữ liệu thu thập được truyền về một trung tâm phụ thông qua các phương thức truyền thông như sóng siêu ngắn, CDMA và cáp quang. Việc truyền tải dữ liệu tập trung này tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát và phân tích hiệu quả các sự kiện động đất trong khu vực hồ chứa.

Để có hình ảnh minh họa về mạng lưới giám sát như vậy, bạn có thể tham khảo sơ đồ mạng lưới giám sát vi chấn trong đường hầm chuyển nước của một nhà máy thủy điện, cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc hệ thống giám sát. 

2.2.2 Quan sát biến dạng vỏ trái đất

Việc quan sát biến dạng vỏ trái đất chủ yếu bao gồm:

- Quan sát biến dạng đứt gãy: Sử dụng các thiết bị như máy thủy chuẩn tự động bù, cột thủy chuẩn, nhiệt kế thủy ngân, máy thu tín hiệu vệ tinh, v.v.

- Quan sát biến dạng đất: Sử dụng thiết bị giãn kế và thiết bị thu thập dữ liệu.

- Quan sát nghiêng vỏ trái đất: Sử dụng máy nghiêng con lắc và bộ thu thập dữ liệu.

- Quan sát trọng lực: Sử dụng máy đo trọng lực, hệ thống thu thập dữ liệu kỹ thuật số và máy ghi dữ liệu.

- Quan sát GNSS (Hệ thống định vị toàn cầu): Sử dụng máy thu tín hiệu vệ tinh, thiết bị đo thời tiết kỹ thuật số, thiết bị ghi và lưu trữ dữ liệu, v.v.

2.2.3 Quan sát nước/chất lỏng dưới mặt đất

Các hạng mục quan sát chất lỏng dưới mặt đất thường bao gồm:

- Mực nước: Sử dụng máy đo mực nước.

- Nhiệt độ nước: Sử dụng máy đo nhiệt độ nước.

- Hóa học nước: Sử dụng các thiết bị như máy đo lượng mưa, máy đo áp suất khí quyển, máy đo lưu lượng, máy đo radon, nguồn radon rắn, máy đo thủy ngân, nguồn thủy ngân chuẩn, bộ thu thập dữ liệu, v.v.

2.3 Truyền tải dữ liệu

Phương thức truyền tải dữ liệu giám sát động đất được phát triển để đáp ứng nhu cầu quan sát địa chấn. Hơn một thế kỷ trước, một số trạm địa chấn đã lắp đặt máy điện báo Morse để truyền nhanh thông tin quan sát địa chấn. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền thông hiện đại, phương thức truyền tải thông tin giám sát động đất khu vực hồ chứa cũng trở nên đa dạng và đáng tin cậy hơn.

Phương thức truyền tải dữ liệu giám sát địa chấn có thể được chia thành truyền tải có dây và không dây. Các phương pháp truyền tải có dây phổ biến bao gồm cáp xoắn, cáp đồng trục và cáp quang. Các phương pháp truyền tải không dây chính bao gồm truyền qua sóng trung, sóng ngắn, sóng siêu ngắn, sóng vi ba và truyền thông vệ tinh. Truyền tải có dây có ưu điểm là truyền tải dữ liệu đáng tin cậy và dung lượng mạng lớn, nhưng nhược điểm là lắp đặt phức tạp, khả năng mở rộng kém, chi phí xây dựng cao và tính linh hoạt thấp. Truyền tải không dây có ưu điểm là chi phí thấp, thời gian xây dựng ngắn, khả năng thích ứng mạnh mẽ, khả năng mở rộng tốt và bảo trì, mở rộng thuận tiện, nhưng nhược điểm là chất lượng truyền tải dữ liệu thấp hơn và dễ bị nhiễu điện từ (EMI).

2.4 Xử lý dữ liệu

Việc xử lý dữ liệu giám sát rung động mạnh trong khu vực hồ chứa chủ yếu dựa trên việc xử lý sơ bộ như hiệu chỉnh cơ sở, tính toán đỉnh, tính toán vận tốc và dịch chuyển, phân tích phổ của lịch sử thời gian gia tốc thu thập được, và cường độ động đất của khu vực hồ chứa được xác định thông qua phân tích tổng hợp. Sau đó, kết hợp với đặc điểm kết cấu kỹ thuật và xếp hạng động đất, tình trạng hư hỏng động đất có thể xảy ra được đưa ra. Ngoài ra, kết hợp với báo cáo đánh giá an toàn động đất, mối quan hệ suy giảm chuyển động mặt đất và đặc tính động của vị trí đập có thể được xem xét.

Hiện nay, việc xử lý dữ liệu tích hợp các phương tiện kỹ thuật số với công nghệ thông tin, và có các chức năng như trao đổi, lưu trữ và phân tích dữ liệu giám sát động đất khu vực hồ chứa, quản lý mạng và giám sát vận hành. Nó có thể cung cấp các dịch vụ như vận hành thiết bị từ xa, báo cáo nhanh động đất và phân tích dữ liệu địa chấn, như được minh họa trong Hình 3-2.

 

Ngoài ra, Mạng Địa chấn Tam Hiệp, giám sát hoạt động địa chấn tại Khu vực Hồ chứa Thượng lưu Tam Hiệp, cũng cung cấp cái nhìn về thiết kế và triển khai các mạng lưới giám sát địa chấn trong khu vực hồ chứa. 

Những ví dụ này nhấn mạnh tầm quan trọng của một mạng lưới giám sát địa chấn được cấu trúc tốt trong khu vực hồ chứa để đảm bảo an toàn và ổn định của các công trình thủy lợi.

Hình 3-2: Hệ thống giám sát và cảnh báo sớm động đất trong khu vực hồ chứa.

Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như sau:

1. Trạm giám sát động đất: Được bố trí tại các vị trí chiến lược trong khu vực hồ chứa, các trạm này liên tục thu thập dữ liệu về hoạt động địa chấn, bao gồm cường độ, tần số và vị trí của các trận động đất.

2. Hệ thống truyền tải dữ liệu: Dữ liệu từ các trạm giám sát được truyền về trung tâm điều hành thông qua các phương thức truyền tải có dây (như cáp quang) hoặc không dây (như sóng vô tuyến, truyền thông vệ tinh), đảm bảo việc truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy.

3. Trung tâm điều hành và phân tích dữ liệu: Tại đây, dữ liệu thu thập được được phân tích để xác định mức độ nghiêm trọng của các sự kiện động đất và dự báo tác động tiềm tàng đến hồ chứa và các công trình liên quan.

4. Hệ thống cảnh báo sớm: Dựa trên kết quả phân tích, hệ thống sẽ phát đi các cảnh báo sớm đến các cơ quan chức năng và cộng đồng dân cư trong khu vực, giúp họ kịp thời thực hiện các biện pháp phòng ngừa và ứng phó phù hợp.

5. Hệ thống thông tin công cộng: Cung cấp thông tin cập nhật về tình hình động đất và các biện pháp an toàn cho người dân thông qua các kênh truyền thông như truyền hình, phát thanh, internet và các ứng dụng di động.

Việc triển khai hệ thống giám sát và cảnh báo sớm động đất trong khu vực hồ chứa là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho các công trình thủy lợi và cộng đồng dân cư, đồng thời giảm thiểu thiệt hại do động đất gây ra.

3. ỨNG DỤNG TRONG VẬN HÀNH TỔNG HỢP CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ HỒ CHỨA

3.1 Giám sát động đất khu vực hồ chứa

Giám sát động đất khu vực hồ chứa là một thành phần quan trọng trong hệ thống giám sát động đất. Việc giám sát trực tuyến động đất khu vực hồ chứa giúp xác định nhanh chóng vị trí và các tham số của động đất, cung cấp thông tin đáng tin cậy về động đất và làm cơ sở cho quyết định cứu trợ thiên tai động đất. Nó cũng hỗ trợ trong việc đánh giá kịp thời thiệt hại do động đất và nâng cao khả năng giám sát động đất của hồ chứa, từ đó đảm bảo an toàn vận hành của hồ chứa và thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội.

Ví dụ, Tập đoàn Tam Hiệp Trung Quốc (CTGC) đã thiết lập một hệ thống giám sát động đất khu vực hồ chứa quy mô lớn và lắp đặt nhiều thiết bị giám sát động đất trong khu vực hồ chứa của các nhà máy thủy điện như Xiluodu, Xiangjiaba, Wudongde và Baihetan trên hạ lưu sông Jinsha. Hệ thống này có thể giám sát hiệu quả các trận động đất có cường độ từ ML0.5 trở lên, với độ chính xác xác định vị trí chấn tâm khoảng 1 km, cung cấp bảo đảm kỹ thuật mạnh mẽ cho quản lý vận hành các nhà máy thủy điện thông qua giám sát liên tục 24 giờ.

Tại Nhật Bản, một số nhà máy thủy điện lắp đặt máy đo địa chấn ở những nơi mà các quan chức địa phương yêu cầu tạm dừng phát điện trong trường hợp xảy ra động đất quy mô lớn. Tại những nhà máy này, bằng cách thiết lập các điều kiện kích hoạt như cường độ địa chấn hoặc gia tốc nhất định, có thể thêm chức năng tự động đóng cổng vào và dừng phát điện khi xảy ra động đất quy mô lớn. Trong trường hợp chỉ lắp đặt máy đo địa chấn cho việc kiểm soát dòng chảy khẩn cấp, việc xác nhận rằng cường độ động đất đã đạt đến điều kiện kích hoạt là đủ, do đó không cần thiết phải lắp đặt máy đo địa chấn có độ chính xác cao có khả năng đo dữ liệu theo chuỗi thời gian.

3.2 Thúc đẩy nghiên cứu khoa học về động đất khu vực hồ chứa

Động đất khu vực hồ chứa là một hiện tượng tự nhiên phức tạp. Nghiên cứu về động đất khu vực hồ chứa liên quan trực tiếp đến an toàn của đập và tính mạng, tài sản của người dân. Ngoài ra, nó còn cung cấp một phương pháp quan trọng cho nghiên cứu về động đất tự nhiên về lý thuyết. Thông qua giám sát trực tuyến động đất khu vực hồ chứa, có thể thu thập kịp thời lượng lớn, toàn diện và chính xác dữ liệu về động đất khu vực hồ chứa, giúp các nhà địa chấn học nghiên cứu cơ chế động đất và làm cho việc dự báo và dự đoán động đất, kiểm soát động đất thảm khốc trở nên khả thi. Đồng thời, nó cũng có thể giúp các chuyên gia kỹ thuật dự đoán khả năng và cường độ của động đất khu vực hồ chứa trong quá trình thiết kế các hồ chứa mới để bảo vệ an toàn cho các công trình thủy lợi một cách hiệu quả hơn.

Kể từ những năm 1960, động đất khu vực hồ chứa đã dần trở thành một chủ đề nghiên cứu thông thường trong các dự án đập quy mô lớn. Một số đập đã có những thay đổi lớn sau khi xem xét tác động của động đất khu vực hồ chứa, chẳng hạn như Đập Auburn ở Hoa Kỳ. Việc xây dựng của nó đã bị tạm dừng do trận động đất M5.7 ở khu vực hồ chứa Oroville, và được tiếp tục sau khi xem xét cường độ gia cố động đất.

[Xin mời xem tiếp Bài 5: Công nghệ giám sát trực tuyến bồi lắng hồ chứa]