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 5]

CHƯƠNG IV: CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN BÙN LẮNG HỒ CHỨA

1. TỔNG QUAN

1.1 Định nghĩa

Việc xây dựng các hồ chứa trên dòng sông tự nhiên sẽ thay đổi điều kiện dòng chảy và đặc điểm vận chuyển bùn, dẫn đến sự lắng đọng bùn trong khu vực hồ chứa. 

Giám sát bùn hồ chứa đề cập đến việc kiểm tra lượng bùn xói mòn và lắng đọng, mô hình phân bố bùn và sự thay đổi của nó, cũng như đo liên tục hàm lượng bùn trong nước hồ chứa.

1.2 Mục tiêu và ý nghĩa

Giám sát bùn hồ chứa là rất quan trọng đối với vận hành an toàn và hiệu quả của hồ chứa. Mục tiêu là nắm bắt mô hình vận chuyển bùn và cung cấp dữ liệu cơ bản cho phân tích chuyển động bùn, thay đổi bùn vào và ra, mô hình xói mòn và lắng đọng trong hồ, cũng như ảnh hưởng của bùn đến các công trình thủy lực và đơn vị phát điện, từ đó có ý nghĩa quan trọng trong các khía cạnh sau:

1. Hỗ trợ vận hành an toàn và hiệu quả của hồ chứa: Giám sát bùn có thể kịp thời và hệ thống tạo ra dữ liệu giám sát liên quan đến lắng đọng bùn trong hồ chứa và xu hướng xói mòn kênh sông hạ lưu, cung cấp dữ liệu cơ bản và tham khảo cho việc điều phối và thực hiện các hoạt động như kiểm soát lũ, phát điện, giao thông thủy, cấp nước và sinh thái, cũng như bảo vệ dung tích hồ chứa, điều chỉnh kênh sông và sử dụng, bảo vệ bờ hồ chứa.

2. Cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho nghiên cứu liên quan đến bùn: Ngay cả trong giai đoạn tích nước bình thường, thường cần thực hiện quan sát mẫu về bùn thủy văn để nắm bắt kịp thời các thay đổi bùn vào và ra, lắng đọng bùn trong hồ, xói mòn kênh sông hạ lưu và tình trạng vận hành của các công trình thủy lực (ví dụ: đập), cung cấp dữ liệu cơ bản cho nghiên cứu về bùn hồ chứa.

1.3 Lịch sử phát triển

Trong suốt nhiều năm, vấn đề bùn đã được quan tâm rộng rãi trên toàn thế giới. Vào năm 1877, WOLLNY, một nhà đất học người Đức, đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc, phủ thực vật và các yếu tố khác đến xói mòn đất, và tạo ra phương pháp thí nghiệm dòng chảy độc đáo cho nghiên cứu xói mòn đất; từ những năm 1930, một loạt các nghiên cứu về xói mòn đất và vận chuyển bùn đã được thực hiện ở Mỹ, ví dụ như nghiên cứu về Dự án Cốt lõi Biến đổi Toàn cầu và Hệ sinh thái Đất liền (GCTE) và Thay đổi Sử dụng và Phủ đất; nghiên cứu về bùn ở Trung Quốc có thể được truy ngược lại từ những năm 1920, khi điều tra xói mòn đất và nước và giám sát bùn thủy văn được thực hiện ở Bắc Trung Quốc. Nghiên cứu quy mô lớn về bùn được bắt đầu vào những năm 1950, từ đó, công nghệ giám sát lắng đọng bùn cho hồ chứa đã phát triển nhanh chóng. Vào những năm 1990, công nghệ định vị không gian toàn cầu phát triển nhanh chóng, đặc biệt là Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia trong các lĩnh vực như khảo sát địa lý, điều hướng hải quân và thăm dò dầu khí. Vào tháng 4 năm 1991, một hệ thống khảo sát lắng đọng bùn dựa trên GPS đã được thiết lập ở Trung Quốc. Hệ thống này được sử dụng để khảo sát thể tích lắng đọng bùn trong Hồ chứa Guanting, và cũng cho mục đích giám sát bùn.

 

2. CÔNG NGHỆ CHÍNH

Giám sát bùn hồ chứa thường bao gồm việc kiểm tra xói mòn và lắng đọng bùn trong khu vực hồ chứa, cũng như giám sát bùn vào và ra.

2.1 Kiểm tra xói mòn và lắng đọng bùn trong hồ chứa

Việc kiểm tra xói mòn và lắng đọng bùn bao gồm việc kiểm tra sự thay đổi dung tích hồ chứa và xói mòn, lắng đọng. Dữ liệu kiểm tra lắng đọng bùn được phân tích để hiểu về mất mát dung tích hồ chứa, mô hình phân bố lắng đọng bùn và mô hình thay đổi dưới các điều kiện nước và bùn khác nhau, và để lập kế hoạch hợp lý cho việc chuyển hướng cát và nước và điều chỉnh khu vực hồ chứa. Có ba phương pháp kỹ thuật cơ bản:

1. Phương pháp mặt cắt ngang: Mặt cắt ngang cố định của khu vực hồ chứa được đo lặp đi lặp lại để phản ánh hình dạng mặt cắt ngang của khu vực hồ chứa và tính toán dung tích hồ chứa, số lượng và phân bố của xói mòn và lắng đọng bùn. Phương pháp này dễ vận hành và thời gian đo ngắn, và kết quả có thể được nộp kịp thời với độ chính xác nhất định.

2. Phương pháp địa hình: Khảo sát địa hình được thực hiện trong khu vực hồ chứa để xác định toàn diện dung tích hồ chứa, và các bản đồ thu được trong quá trình khảo sát được sử dụng để tính toán số lượng và phân bố của xói mòn và lắng đọng. Phương pháp này có thể phản ánh chính xác điều kiện tổng thể trong khu vực hồ chứa.

3. Phương pháp kết hợp: tức là sự kết hợp của phương pháp mặt cắt ngang và phương pháp địa hình: Khảo sát địa hình được thực hiện ở một số đoạn hồ chứa, và thêm nhiều mặt cắt ngang tạm thời giữa các mặt cắt ngang cố định ở các đoạn hồ chứa khác để đo mặt cắt ngang; sau đó bản đồ địa hình được vẽ, hoặc kết quả tổng hợp được sử dụng, để tính toán dung tích hồ chứa, và số lượng và phân bố của xói mòn và lắng đọng.

2.2 Giám sát bùn vào và ra

Kiểm tra bùn đề cập đến việc quan sát và đo lường chuyển động của bùn với dòng chảy nước trong cơ thể nước hồ chứa, số lượng bùn và sự tiến hóa của nó, thường bao gồm khảo sát lưu lượng bùn lơ lửng, lưu lượng bùn đáy, địa hình dưới nước và thành phần đáy sông, xác định vật liệu đáy sông và phân tích kích thước hạt.

1. Kiểm tra tải trọng lơ lửng

Tải trọng lơ lửng là thuật ngữ chung cho bùn lơ lửng trong nước và di chuyển cùng với dòng chảy nước, và các mục kiểm tra của tải trọng lơ lửng bao gồm kiểm tra lưu lượng bùn mặt cắt ngang và kiểm tra hàm lượng bùn cho mẫu nước đơn vị bằng cách sử dụng các phương pháp sau: 

§  phương pháp điểm kiểm tra, tức là mẫu được lấy một cách riêng biệt tại các điểm kiểm tra khác nhau của mỗi tọa độ thẳng đứng; 

§  phương pháp trộn tỷ lệ cố định, tức là mẫu được lấy theo một tỷ lệ thể tích nhất định tại mỗi điểm, và sau đó được trộn lại với nhau; 

§  phương pháp trộn tỷ lệ lưu lượng, tức là thể tích mẫu được xác định theo tỷ lệ lưu lượng tại mỗi điểm, và các mẫu được lấy sau đó được trộn lại với nhau; 

§  phương pháp lấy mẫu tích hợp chiều sâu, tức là một mẫu lấy mẫu kiểu chai hoặc kiểu chiết được hạ xuống và nâng lên dọc theo tọa độ thẳng đứng trên đó tất cả các mẫu nước được lấy.

 

2. Kiểm tra tải trọng đáy

Tải trọng đáy đề cập đến các hạt cát lăn, di chuyển và nhảy dọc theo bề mặt đáy sông, và lượng tải trọng đáy đi qua một mặt cắt ngang nhất định của kênh sông trong một đơn vị thời gian được gọi là lưu lượng bùn đáy. Các phương pháp kiểm tra lưu lượng bùn đáy bao gồm: 

§  phương pháp lấy mẫu thiết bị, tức là một mẫu lấy bùn đáy được đặt trực tiếp trên bề mặt đáy để thu thập mẫu bùn đáy, phương pháp này được áp dụng rộng rãi; 

§  phương pháp hố, tức là các hố thử được sắp xếp trên đáy sông để kiểm tra bùn đáy, phương pháp này chỉ được yêu cầu trong các trường hợp đặc biệt.

 

3. Khảo sát địa hình dưới nước

Khảo sát địa hình dưới nước liên quan đến việc đo lường các gợn sóng và đặc điểm địa hình ở đáy sông. Như một phần mở rộng của khảo sát địa hình trên cạn trong nước, nó có đặc điểm là nhiều mục kiểm tra và yêu cầu độ chính xác cao. Các phương pháp truyền thống cho khảo sát địa hình dưới nước bao gồm phương pháp cần đo và phương pháp chì đo. Máy đo âm thường được sử dụng hiện nay. Trong điều kiện nước sâu, cần đo nhiệt độ nước. Khi có nhiệt độ phân tầng nước, độ sâu nước nên được sửa đổi theo lớp.

 

4. Khảo sát thành phần bùn cát đáy

Công nghệ khảo sát thành phần bùn cát đáy chủ yếu liên quan đến khoan địa chất, khảo sát hố đầm lầy, lấy mẫu vật liệu đáy dưới nước, phát hiện dưới nước với máy dò đáy, khảo sát thành phần đáy, v.v. Khoan địa chất chủ yếu nhằm tìm hiểu về thành phần đáy ở một độ sâu nhất định dưới bề mặt đáy sông. Khảo sát hố đầm lầy chủ yếu nhằm hiểu về thành phần đáy của bề mặt đáy sông. Lấy mẫu vật liệu đáy dưới nước chủ yếu nhằm biết về phân bố kích thước hạt vật liệu đáy trên bề mặt đáy sông. Máy dò đáy được sử dụng để phát hiện loại thành phần và độ dày của đáy sông.

Hình 4-1: Quá trình xói mòn và lắng đọng bùn trong Hồ chứa Tam Hiệp

Hình 4-1 minh họa quá trình xói mòn và lắng đọng bùn trong Hồ chứa Tam Hiệp từ năm 2003 đến năm 2019. Kể từ khi tích nước và vận hành, từ tháng 6 năm 2003 đến tháng 12 năm 2019, bất kể lượng bùn vào từ khu vực lưu vực, hồ chứa đã tích lũy khoảng 1,8 tỷ tấn bùn, tương đương với trung bình hàng năm khoảng 110 triệu tấn, chiếm khoảng 33% so với giai đoạn đầu. So với giá trị thiết kế ban đầu, lượng bùn vào đã giảm đáng kể, giúp giảm thiểu hiệu quả hiện tượng lắng đọng bùn trong hồ chứa Tam Hiệp. Việc lắng đọng bùn trong hồ chứa đã được giảm thiểu hiệu quả và hồ chứa vận hành trơn tru mà không cần thực hiện các biện pháp vận hành đặc biệt để xử lý đỉnh bùn.

 

4. TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ TRIỂN VỌNG

Giám sát bùn truyền thống chủ yếu dựa vào đo đạc thủ công tại chỗ, có nhược điểm như thời gian đo dài, quy trình vận hành phức tạp và cường độ lao động cao. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc lớn vào tính đại diện của mẫu thu thập, do đó không phù hợp cho việc giám sát thời gian thực quá trình động của dòng chảy nước. Từ thế kỷ 21, với sự phát triển của công nghệ radar, viễn thám vệ tinh, truyền thông dữ liệu và máy tính, cùng với việc phát triển và ứng dụng các cảm biến giám sát tự động, nhiều quốc gia đã tăng cường nỗ lực phát triển các công nghệ lấy mẫu bùn mới, như máy đo dòng chảy Doppler, máy đo cát tự động và hệ thống phát hiện bằng viễn thám, và đề xuất nhiều phương pháp đo lường và phân tích, bao gồm phương pháp tia X, siêu âm, hồng ngoại, laser và phương pháp kết hợp dữ liệu dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo. Hiện nay, công nghệ giám sát bùn hồ chứa trực tuyến đã phát triển mạnh mẽ và sẽ trở thành xu hướng chính trong giám sát bùn.

Để phục vụ tốt hơn cho các nhà máy thủy điện và vận hành tích hợp của các hồ chứa, việc kéo dài thời gian dự báo bùn dự kiến là rất quan trọng. Cụ thể, cần thực hiện giám sát bùn thời gian thực và dự báo lũ và bùn dọc theo dòng chính và các nhánh; tăng cường số lượng trạm giám sát bùn và diện tích phủ sóng; phát triển các phương pháp giám sát bùn thời gian thực chính xác hơn dựa trên dữ liệu quan sát mẫu; liên tục hoàn thiện mô hình dự báo bùn để cải thiện độ chính xác dự báo và mô phỏng chính xác quá trình lan truyền đỉnh bùn; và cuối cùng, thực hiện điều tiết bùn hiệu quả và chính xác hơn trong quá trình xói mòn và lắng đọng trong khu vực hồ chứa và dòng chảy bùn ra dưới các điều kiện nước và bùn vào khác nhau cũng như các chế độ điều tiết hồ chứa khác nhau.

[Còn nữa, đón đọc số tiếp theo: Giám sát chất lượng nước]