CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG LỰC CỦA HỒ CHỨA NƯỚC 1.1 Tổng quan về hồ chứa và các nghiên cứu nâng cao năng lực hồ chứa nước trên Thế giới 1.1 Tổng quan về hồ chứa [1] Hồ chứa nước là những công trình hoàn chỉnh gồm có nước hồ, bờ hồ và đáy hồ. Địa hình mà nước tụ lại ở một nơi thấp hơn so với xung quanh thì gọi là hồ. Hồ chứa nước gồm hai nhóm: Hồ tự nhiên và hồ nhân tạo. Hồ tự nhiên là loại hồ được hình thành và phát triển một cách tự nhiên mà không do bàn tay của con người can thiệp.
Hồ nhân tạo tạo ra theo chủ đích của con người để phục vụ cho cuộc sống của chính con người. 4 Từ việc biết sử dụng vật liệu tại chỗ để đắp đập ngăn sông, suối thành hồ chứa. Đến thời kỳ cổ đại có hồ Vicinity tại Menphis thuộc thung lũng sông Nin (Ai Cập) có xây đập đá đổ cao 15m, dài 45m.000 năm trước Công nguyên, cùng với sự phát triển rực rỡ của các nền văn minh cổ đại, kỹ thuật xây dựng hồ đập trên thế giới cũng không ngừng phát triển đã xây dựng xây đập đá đổ với chiều cao và chiều dài đập lớn hơn. Đến nay sự phát triển của các hồ chứa lớn trên thế giới đã được khẳng định với từng quốc gia là khác nhau.
Hồ chứa nước trên thế giới có lịch sử lâu đời, được xây dựng và phát triển rất đa dạng, phong phú. Hiện tại, trên thế giới có hơn 1.450 hồ có dung tích mỗi hồ trên 100 triệu m3 nước, với tổng dung tích 4. Theo tiêu chí phân loại của hội đập lớn thế giới (ICOLD), hồ có dung tích từ 3 triệu m3 nước trở lên hoặc chiều cao đập trên 15m được xếp loại là hồ đập lớn(có hơn 45.000 hồ , Châu Mỹ có hơn 8.000 hồ, Châu Âu có 5.430 hồ, châu Phi có 1.260 hồ, châu Úc có 580 hồ. Trong số đó, các nước có nhiều hồ nhất là Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản, Ấn Độ.
Hồ chứa mang đến nhiều lợi ích khác nhau, nhưng cũng có những hạn chế: Mặt tích cực: Hồ chứa nước được xây dựng đóng vai trò cấp nước cho các ngành kinh tế xã hội vùng hạ du; ngoài ra, thực hiện điều tiết dòng chảy, phòng chống thiên tai; tạo nguồn thủy năng cho phát điện; cải tạo cảnh quan môi trường, sinh thái; cấp nước duy trì dòng chảy trong sông về mùa kiệt. Mặt hạn chế: Nếu có sai soát trong thiết kế, thi công xây dựng, vận hành khai thác hoặc trình độ kỹ thuật quản lý sử dụng chưa cao sẽ có thể gây ra sự cố dẫn đến những hậu quả hết sức nghiêm trọng, ảnh hưởng phát triển kinh tế xã hội khu vực. Cụ thể: có thể gây ra trượt lở đất ở thượng lưu, xói lở hạ lưu, gia tăng các hoạt động địa chất trong vùng, làm ô nhiễm một số vùng ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống con người, thảm thực vật và sự phát triển các loài thuỷ sản. Ngập lụt làm mất đi một lượng đất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, khoáng sản, di tích lịch sử, văn hoá.2 Tình hình xây dựng hồ chứa nước trên thế giới Hạng mục chính để tạo lên hồ chứa nước là đập dâng nước, thường được sử dụng nhất là đập đất (đập vật liệu địa phương).
Đập đất là một loại đập xây dựng bằng vật liệu chủ yếu là các loại đất hiện có ở vùng xây dựng như: sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, có khả năng cơ giới hóa cao trong quá trình thi công và giá thành thấp, nên được ứng dụng rộng rãi nhất. Thời gian trước đây, xây dựng hồ chứa phát triển mạnh cả về số lượng và quy mô, hình thức. Chiều cao đập từ chỗ vài mét của buổi ban đầu, đến chiều cao tăng dần và đếnhiện nay đã cao trên 300m. Kết cấu cũng đã thay đổi từ đập vật liệu địa phương, từ đập bê tông thường đến đập bê tông đầm lăn.1 Một số hồ cao trên thế giới Chiều cao TT Tên đập (m) 1 Nurek (Tajikistan) 300 2 Oroville (Mỹ) 234 3 Đập Miel 1 (Columbia) 188 4 Đập Miyagase (Nhật Bản) 156 5 Đập Tokuyama (Nhật Bản) 161 6 Đập Toulnustouc (Canada) 77 7 Đập Nukui (Nhật Bản) 156 Trong những năm gần đây, thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất cao.
Tổng số những đập đất có chiều cao hơn 75m xây dựng và thiết kế từ giữa thế kỷ XX trở lại đây chiếm khoảng 80%. Con số đó thể hiện xu hướng và triển vọng của đập đất trong sự nghiệp xây dựng công trình thủy lợi. Hiệu quả của hồ chứa nước đem lại rất lớn cho sự phát triển kinh tế xã hội, nhưng nếu gặp rủi ro vỡ đập, thiệt hại cũng sẽ thật khủng khiếp. Hiện tượng vỡ đập thực tế đã xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới và trong nước.
Trên thế giới, theo số liệu thống kê (Lemperiere-2000) số đập lớn bị vỡ đã lên đến 205/17.200 đập và gây thiệt hại anwgnj nề về người với khoảng trên 17.1 Đập đất Oroville (Mỹ) và Đập đất Nurek (Tajikistan) Hình 1.2 Đập Bê tông đầm lăn Miel 1 (Columbia) Hình 1.3 Đập bê tông trọng lực Miyagase (Nhật Bản) 7 Hình 1.4 Đập đá đổ, lõi đất Tokuyama (Nhật Bản) Hình 1.5 Đập đá đầm nện có bản mặt bê tông cốt thépToulnustouc (Canada) Hình 1.3 Những kết quả nghiên cứu về nâng cao năng lực hồ chứa nước trên thế giới Vận hành và nâng cao năng lực hồ chứa phục vụ đa mục tiêu để mang lại lợi ích tổng hợp cho xã hội (xả lũ, phát điện, cấp nước, đảm bảo an toàn công trình.) là một trong những vấn đề được chú ý nghiên cứu tập trung nhất trong lịch sử hàng trăm năm của công tác quản lý hồ chứa, quản lý hệ thống nguồn nước. Một số nghiên cứu tiêu biểu: Nâng cao năng lực cấp nước phục vụ đa mục tiêu như nghiên cứu về dung tích trữ phục vụ cấp nước (Ripp, W,1883) và các nghiên cứu gần đây về phương pháp luận trong vận hành tối ưu hệ thống liên hồ chứa phục vụ đa mục tiêu (Lund, J. 8 Nâng cao năng lực phòng, chống giảm thiểu thiệt hại do lũ: Một trong các mục tiêu sử dụng hồ chứa là chống lũ. Để chống lũ hồ chứa phải để trống một dung tích nhất định gọi là dung tích phòng lũ, thay đổi theo thời gian trong năm tuỳ theo diễn biến khả năng xuất hiện và tổng lượng lũ có thể xuất hiện.
Rinaldi và Soncini - Sessa đã nghiên cứu về vận hành đơn hồ chứa Como phục vụ chống lũ, phát điện lưu vực sông Adda miền Bắc nước Ý. Trong đó đã phân tích số liệu vận hành trong quá khứ, đánh giá các thiệt hại cũng như hiệu ích đến các mặt phát điện, mức độ ngập lũ, cấp nước cho nông nghiệp để xây dựng mặt tối ưu Pareto làm cơ sở so sánh được mất, giúp cho nhà hoạch định có thể chọn được các phương án vận hành Como tốt hơn với quá khứ. Nghiên cứu về phân bổ dung tích chống lũ của hệ thống 8 hồ chứa lưu vực sông Paranaiba – Grande ở Brazin đề xuất phương án phân bổ dung tích phòng lũ cho từng hồ chứa theo thời gian nhằm đảm bảo mục tiêu chống lũ của liên hồ chứa. Về các giải pháp giảm nhẹ thiên tai do hạn hán gây ra các nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu đưa ra nhiều giải pháp về công trình cũng như phi công trình: Giải pháp công trình: Hoàn thiện hệ thống công trình đầu mối và công trình dâng nước nhằm tăng khả năng trữ nước của các hồ chứa, xây dựng những công trình bổ sung thêm nguồn nước cấp.
Duy tu, bảo dưỡng hệ thống công trình. Đầu tư đồng bộ các thiết bị trong quản lý khai thác vận hành công trình đầu mối và công trình dẫn nước. Giải pháp phi công trình: Nâng cao năng lực dự báo về khí tượng và thủy văn để có giải pháp tích nước phù hợp nhằm đảm bảo an toàn công trình và hạ du.Tuyên truyền sử dụng nguồn nước tiết kiệm và có hiệu quả. Chuyển đổi cơ cấu cây trồng hợp lý, đưa các tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến về tưới tiết kiệm nước vào sản xuất.
Áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào quản lý khai thác công trình thuỷ lợi, thuỷ điện.2 Tổng quan về hồ chứa và các nghiên cứu nâng cao năng lực hồ chứa nước ở Việt Nam 1.1 Tình hình xây dựng hồ chứa nước ở Việt Nam Nước ta có lượng nước dồi dào song phân phối không đều theo thời gian, phần lớn lượng nước tập trung vào mùa lũ. Vì vậy cần phải xây dựng các hồ chứa để tận dụng 9 lượng nước thừa vào mùa mưa. Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi năm 2017 [5], đến nay tổng số lượng hồ chứa đã tích nước có chiều cao đập từ 5m trở lên hoặc có dung tích hồ chứa từ 50.000m3 trở lên là 6.668 hồ chứa, trong đó, hồ chứa thủy điện là 332 hồ (chiếm khoảng 5%), số lượng hồ chứa thủy lợi là 6. Các hồ chứa nước phân bố tại 47/63 địa phương trên cả nước.
Một số địa phương có nhiều hồ chứa thủy lợi như: Nghệ An (629 công trình), Thanh Hóa (610 công trình), Đắk Lắk (608 công trình), Hòa Bình (513 công trình), Tuyên Quang (346 công trình)… Việc xây dựng hồ chứa ở Việt Nam mang một số đặc điểm chính như sau: Là biện pháp công trình chủ yếu cấp nước cho các ngành kinh tế, chống lũ cho các vùng hạ du; cải tạo môi trường. Hồ lớn tuy ít về số lượng, nhưng có vai trò quyết định tạo đà phát triển trong công nghiệp hoá, hiện đại hoá; phòng chống lũ, phát điện, khả năng vượt tải cao nên chống hạn tốt. Đa phần là hồ chứa vừa và nhỏ nằm rải rác khắp nơi tạo nên những thế mạnh nhất định (vốn ít, sớm đưa vào phục vụ, phù hợp với nền sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn, đi đến từng thôn bản phục vụ đắc lực cho phát triển nông nghiệp và nông thôn). Hồ chứa nước chỉ có thể xây dựng ở những vùng có địa hình, địa chất phù hợp.
Ở những vùng có ít hồ thì việc cung cấp nước cho các ngành kinh tế, phòng chống thiên tai, cải tạo môi trường sinh thái, còn gặp rất nhiều khó khăn.7 Biểu đồ phân bố hồ chứa toàn quốc (tài liệu tổng kết năm 2000) Bảng 1.2 Một số đập lớn ở Việt Nam Chiều cao TT Tên hồ Loại đập Năm XD (m) 1 Hòa Bình (Hòa Bình) Đất/Đá 128,0 1978 2 Yên Lập (Quảng Ninh) Đất/Đá 40,0 1980 3 Tả Trạch (Thừa T.