Chương 6. DỰ BÁO DÒNG CHẢY PHỤC VỤ HỒ CHỨA CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆNNước ta pps

114 Chương 6. DỰ BÁO DÒNG CHẢY PHỤC VỤ HỒ CHỨA CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN Nước ta có nhiều sông suối nên nguồn thủy năng rất lớn. Nhịp độ xây dựng công trình thuỷ điện ngày càng tăng. Số liệu khí tượng thuỷ văn có vai trò quyết định trong toàn bộ các khâu quy hoạch, thiết kế, thi công và quản lý công trình thuỷ điện, trong chương này nêu lên những nội dung chính của công tác khí tượng thuỷ văn nói chung và dự báo khí tượng thuỷ văn nói riêng phục vụ trực tiếp quá trình thi công, quản lý và khai thác công trình thuỷ đ iện. Do công trình thuỷ điện được xây dựng trên nhiều loại sông khác nhau, quy mô lớn nhỏ khác nhau, nhiệm vụ thiết kế khác nhau nên không thể đưa ra một mẫu chung cho tất cả các loại công trình thuỷ điện được. Tuy nhiên có thể giới thiệu những nhiệm vụ bắt buộc đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn mà bất cứ công trình thuỷ điện nào cũng cần đế n. Sau đó sẽ giới thiệu quá trình phục vụ cho vài công trình cụ thể làm ví dụ tham khảo. 6.1 Hình ảnh chung của công trình thuỷ điện và tài liệu khí tượng thuỷ văn có liên quan. Một công trình thuỷ điện bao giờ cũng có một đập chắn ngang sông (tạo ra một hồ chứa phía trên), một nhà máy thuỷ điện, một đập tràn xả lũ (để xả nước thừa khi mực nước lên cao quá mực nước thiết kế) hoặc đập tràn kết hợp với cống ngầm xả lũ. Một công trình thuỷ điện phải có các tài liệu liên quan sau đây. 6.1.1 Loại tài liệu địa lý tự nhiên của lưu vực và hồ chứa. - Đặc trưng hình thái lưu vực sông ngòi: tính từ tuyến đập lên thượng nguồn là: Diện tích hứng nước của lưu vực F, km 2 ; chiều dài sông L,km; độ dốc sông 115 i ‰. (Xem hình 6.1) - Đặc trưng tại tuyến đập: Độ cao đỉnh đập H Đ , đỉnh đập tràn H tr , kích thước cống ngầm xả lũ, số tổ máy, số cửa tràn, lưu lượng thiết kế cho mỗi tổ máy, lưu lượng xả tràn. Đường đặc tính lưu lượng với mực nước hồ xả Qxả = f (Hhồ). Mực nước dâng bình thường Hbt, mực nước chết H C , mực nước phòng lũ Hpl, mực nước cưỡng bức Hcb ( Xem hình 6.2) - Đặc trưng hồ chứa: Dung tích chết Wc, dung tích thiết kế Wbt, dung tích phòng lũ Wpl. Các đường đặc tính của hồ: dung tích với mực nước W=f(H), diện tích mặt nước với mực nước Fh = f(H) (Xem hình 6.3, hình 6.4) Hình 6.1 Lưu vực và tuyến đập Hình 6.2 Đập thuỷ điện và các đặc trưng. hồ đập V h Q v H bt H đ H h Q ra H cb H p l 116 Hình 6.4 Đường quan hệ mực nước Hình 6.3 Đường quan hệ mực nước và dung tích. và diện tích mặt thoáng. Các loại tài liệu và hình vẽ các quan hệ nói trên đã được tính toán trong quá trình thiết kế, ta chỉ cần thu thập đầy đủ trước khi dự báo thuỷ văn. 6.1.2 Loại tài liệu khí tượng thuỷ văn - Bản đồ lưu vực sông và lưới trạm quan trắc, gồm các trạm khí tượng, trạm thời tiết, các trạm thuỷ văn hạng I, II, III, trạm có điện báo. - Chuỗi số liệu quan trắc từ ngày thành lập đến nay. Đặc biệt chú ý các loại số liệu lượng mưa, lưu lượng, tốc độ, mực nước. Riêng tại tuyến đập cần có các quan hệ lưu lượng- mực n ước Q = f(H), tốc độ- mực nước V= f(H), độ rộng- mực nước B= f(H) số liệu đặc trưng cao nhất, thấp nhất, trung bình. - Chuỗi quan trắc sau khi có hồ, ít nhất phải có tại trạm cửa vào, tại thượng lưu đập (mực nước hồ) và hạ lưu đập (cửa ra). - Để dự báo còn cần số liệu mưa của các trạm lân cận nếu trên lưu vực có ít trạm đo. 6.1.3 Tiến độ thi công Tiến độ thi công đã được quyết định sau khi cân nhắc nhiều phương án H ( m ) H pl H bt V c V h v(m 3 ) H(m) F(km 2 ) 117 khác nhau, căn cứ vào nhiều yếu tố như khả năng giải phóng mặt bằng, làm đường vào công trường, theo diễn biến của mùa khí hậu và thuỷ văn, theo khả năng cung ứng vật tư và kế hoạch cung cấp trang thiết bị .v.v.Tiến độ này được vạch ra khá chi tiết, có thể định ra khối lượng cho từng quý, từng tháng thậm chí đến từng ngày. Trong từng thời đoạn ngắn, công việc có th ể điều chỉnh cho hợp với thực tế qua các buổi giao ban hàng ngày. Người làm công tác dự báo khí tượng thuỷ văn cần phải biết rõ tiến độ này, kể các kế hoạch được điều chỉnh. Đặc biệt phải chú ý đến những việc có liên quan đến sông nước (như lũ hoặc cạn) đến thời tiết (như mưa nắng tại khu vực công trường).Đặc bi ệt là qui luật xuất hiện lũ đầu mùa, lũ cuối mùa, giai đoạn kiệt nhất trong năm. 6.1.4. Công tác vận hành hồ chứa Công tác này sẽ được tiến hành sau khi công trình thuỷ điện hoàn thành. Nhiệm vụ của dự báo thuỷ văn là phải dự báo ngắn hạn, hạn vừa và dài hạn quá trình lưu lượng, mực nước đến hồ. 6.2 Những yêu cầu của hồ chứa, nhà máy thuỷ điện đối với dự báo thuỷ văn. Ở đây đề cập đến các giai đoạn thi công và vận hành công trình thuỷ điện có liên quan trực tiếp đến yêu cầu của dự báo thuỷ văn . Các giai đoạn khác nhau ở trên có yêu cầu khác nhau đối với dự báo thuỷ văn. 6.2.1. Giai đoạn dẫn dòng thi côngbước một Thời gian này có các công việc giải phóng mặt bằng, làm đường vào công trường, làm cầu qua sông, đào đường hầm (tuy nen), đào kênh hoặc đắp đê quai xanh, xây dựng bến cảng Trong giai đoạn này cần có dự báo hạn ngắn, vừa và hạn dài, vậy cần cung cấp các giá trị đặc trưng cao nhất, thấp nhất, trung bình, thời gian xuất hiện lũ sớm, lũ muộn, thời gian kiệt nhất, phân phối trong năm để l ập kế 118 hoạch công tác đảm báo thi công đúng tiến độ, bảo vệ cầu thi công, vật tư, máy móc tại công trình. Về thời tiết cần dự báo mưa, số ngày mưa trong thời kì dẫn dòng. Nếu có cầu qua sông (thường là cầu phao, cầu tạm) cần phải báo trước các trận lũ có mực nước vượt quá ngưỡng cho phép, có thể làm trôi cầu. Hình 6.5 Sơ đồ mặt bằng đoạn sông đắp đê quai. Hình 6.6 M ặt cắt ngang đoạn sông đắp đê quai. 6.2.2. Giai đoạn ngăn dòng (hạp long) (đợt hai) Giai đoạn này thường ngắn nhưng phải chuẩn bị khá lâu, công việc có tính quyết định trong việc đắp đập. Tất cả các công trình thuỷ điện đều phải qua giai đoạn này vì có ngăn dòng mới đắp được đập. Lượng nước tự nhiên phải chảy về hạ lưu trong thời gian đắp đập. Tuỳ theo quy mô công trình và đặc điểm địa hình đoạn sông, người ta định ra ki ểu ngăn sông thích hợp. Về thời gian ngăn dòng thường được tiến hành trong mùa cạn. Về thuỷ văn phải đủ 3 yếu tố: tim đ ậ p đê 119 - Mực nước dâng tạm thời do mặt cắt thu hẹp. -Tốc độ, lưu lượng dòng chảy tại mặt cắt thu hẹp. - Lũ có xuất hiện khi ngăn dòng hay không. Giá trị định lượng là bao nhiêu. Cụ thể phải dự báo các đặc trưng dòng chảy hàng ngày, 5 ngày, 10 ngày, tháng. - Mực nước tại tuyến công trình. - Chênh lệch mực nước thượng hạ du công trình . - Tốc độ lưu lượng dòng chảy tại tuyến ch ặn dòng Trên cơ sở tốc độ, kích thước mặt cắt mà chọn vật liệu ngăn dòng. Vật liệu ngăn dòng thường là các khối bê tông đúc sẵn có kích thước tương ứng với tốc độ lắng chìm lớn hơn tốc độ dòng chảy tại mặt cắt thu hẹp. Qua nhiều kiểu công trình đã xây dựng, có thể quy về 3 kiểu ngăn dòng sau: 1. Lợi dụng địa hình đoạ n sông có bãi dài và lòng chính hẹp. Đắp một đê quai trong mùa nước cạn, thi công bên bãi trước. Sau đó ngăn dòng chính cho nước chảy sang bên đã thi công để đắp đập tiếp bên dòng chính, xem hình 6.5 và 6.6 Yêu cầu phục vụ trong giai đoạn này là dự báo thuỷ văn trung và dài hạn, khẳng định cấp lưu lượng, tốc độ trong thời gian ngăn sông. Dự báo trong thời gian ngăn sông có lũ không, nếu có thì lượng lũ xảy ra là bao nhiêu. Ngoài ra có thể yêu cầu tính chênh lệch mực nước th ượng- hạ lưu và tốc độ dòng chảy trong quá trình ngăn dòng. Về thời tiết phải dự báo mưa trên lưu vực (để dự báo lũ) và dự báo mưa trên khu vực công trường để phục vụ thi công. Ngăn dòng kiểu này thường được thực hiện trên các sông vừa và nhỏ, 120 kỹ thuật tương đối đơn giản và thời gian ngăn sông rất ngắn. 2. Làm kênh dẫn dòng song song với bờ sông. Lấn dòng chính, ép dòng cho chảy vào kênh để đắp đập trên dòng chính. Trước khi cho nước vào kênh, người ta đổ đất đá để ép dòng chảy, thu hẹp mặt cắt. Đến thời gian quy định sẽ ngăn hẳn dòng chảy, chuyển toàn bộ nước sang kênh để đắp đập chính. Xem hình 6.7 và 6.8 Yêu cầu đối với khí tượng thuỷ vă n tương tự như trên. Hình 6.7 Sơ đồ mặt bằng đoạn sông đào kênh. Hình 6.8 Mặt cắt ngang đoạn sông đào kênh. 3. Ngăn dòng nhiều đợt Đối với sông lớn, không thể đắp đập trong vòng 1-2 năm nên quá trình ngăn sông phải tiến hành nhiều đợt. Tiến độ như sau: - Đào một kênh dẫn dòng song song với sông. Đáy kênh ở một cao trình thích hợp, độ rộng của kênh phải đủ để tải lưu lượng lớn nhất trong mùa lũ tiếp theo, trong thời gian này phải đào một đường hầm xả lũ. Kênh lấ p Tim đập Kênh dẫn 121 - Ngăn dòng chính, chuyển dòng chảy qua kênh dẫn dòng để đắp đập chính. - Ngăn kênh dẫn dòng, chuyển dòng chảy qua đường hầm. đắp đập chính trên đoạn kênh dẫn dòng, xây dựng đập tràn xả lũ. - Lấp đường hầm thi công, dòng chảy lũ chuyển sang đập tràn. Thời gian này là mùa cạn, lưu lượng nhỏ, tiếp tục tôn cao đập. I, II, III, IV tuyến đo lưu lượng. Hình 6.9 Sơ đồ lưới trạm quan trắc thuỷ văn phục vụ ngăn dòng Hoà Bình. Khí tượng thuỷ văn phục vụ ngăn sông kiểu này phức tạp hơn. Do thời gian duy trì dòng chảy trong kênh hoặc trong hầm thoát lũ khá dài kể cả trận lũ lớn nhất nên rất cần dự báo thuỷ văn về các đặc trưng dòng chảy lũ. Ngoài ra việc đo đạc trên khu vực thi công cũng phải được tăng cường thêm nhiều để kiểm soát toàn bộ tình hình dòng ch ảy trên toàn khu vực như mặt nước, tốc Đường hầm xả lũ S.Đà Tim đập Thượng l ư Hạ lư u I II III IV tuyến đo mực nước. 122 độ và phân bố tốc độ trên mặt cắt ngang. Tình hình mưa như lượng mưa, thời gian mưa, để quyết định phương án thi công thích hợp. Tin tức thực đo thuỷ văn và dự báo được công bố hàng ngày. Sơ đồ lưới trạm quan trắc - xem hình 6.9. 6.2.3 Giai đoạn vận hành công trình thuỷ điện Khi công trình đã xây dựng xong, nhà máy bắt đầu phát điện, nhiệm vụ đã thay đổi. Giai đoạn này sẽ tuỳ thuộc vào các chức năng của công trình thuỷ điện để đáp ứng yêu cầu tương ứng với từng chức năng đó. Các chức năng này đã được đặt ra từ khi thiết kế công trình thuỷ điện, chúng bao gồm: dự báo dòng chảy đến trước 1- 2 ngày, 5- 10 ngày, 1 tháng, 1 mùa. 1. Chứ c năng cắt lũ phục vụ phòng lũ cho hạ du Đây là loại công trình lớn. Khi thiết kế đã có một dung tích để dành cho việc cắt lũ. Trong mùa lũ phải điều hành sao cho dung tích đó sẵn sàng chứa được trận lũ thiết kế. Nói cách khác mực nước hồ phải giữ ở mức quy định như thiết kế. Nếu lũ về phải xả đi để mực n ước luôn bằng hoặc thấp hơn mực nước quy định. Mực nước này gọi là mực nước trước lũ. Nếu có một trận lũ lớn (dự báo được) trong khi ở hạ du mực nước đang cao, đang đe doạ nghiêm trọng cần được bảo vệ. Cửa xả được đóng lại để chứa lũ trong hồ không cho chảy xuống hạ du. Khi mực nướ c hạ du đã rút xuống sẽ xả nước từ hồ xuống, thời gian xả có thể ở hạ du duy trì mực nước cao kéo dài nhưng không còn nguy hiểm nữa. Để đáp ứng việc điều hành cắt lũ, điều cốt yếu là phải dự báo được trận lũ trong tương lai và nắm được tình hình nước ở hạ du. Khi cần thiết phải cắt thì phải chọn th ời điểm cắt cho đúng. Nếu không có thể phản tác dụng, thậm chí còn tăng mức nguy hiểm cho hạ du. Có thể qui về 3 trường hợp sau: - Nếu tích sớm, hồ đầy trước khi đỉnh lũ xuất hiện, khi đó toàn bộ lưu vực trên sông đều chảy về hạ lưu (kể cả lưu lượng đỉnh lũ) không cắt được lũ cho hạ du. Xem hình 6.10 - Tích đúng lúc vào thời gian gầ n đỉnh lũ sẽ cắt được lũ có hiệu quả cao 123 nhất khi lũ xuống sẽ xả lượng nước từ hồ ra, sẽ không làm tăng mực nước ở hạ lưu mà chỉ duy trì và kéo dài mực nước ở hạ du khi nước rút. Xem hình 6.11 - Tích quá muộn, khi mực nước đã đến đỉnh thì không có ý nghĩa gì. Xem hình 6.12 Rõ ràng qua 3 trường hợp trên ta thấy muốn cắt lũ có hiệu quả phải tiến hành dự báo thuỷ văn. Đặc biệt là dự báo hạn vừa. Không có d ự báo thì không thể điều hành việc cắt lũ được. Nếu dự báo sai có thể dẫn đến tai hoạ. Đó là trường hợp sau khi tích chưa kịp xả hết lại xảy ra một trận lũ lớn lớn hơn đổ về. Như vậy toàn bộ trận lũ lớn đó chồng hoàn toàn lên trận lũ trước, sẽ uy hiếp nghiêm trọng vùng hạ du. Nói chung khi phục vụ cắt lũ phải đặt tình trạng hồ vào trong một hệ thống phải tính thử cho nhiều phương án khác nhau để lựa chọn. Trong khi xử lý trận lũ đang diễn ra phải phân tích xem sau đó có xuất hiện trận lũ tiếp theo không. Điều này dự báo thời tiết hạn vừa đóng vai trò quan trọng. Hình 6.10 Cắt sớm Hình 6.11 Cắt đúng lúc. w cắt Q Qmax W cắt t 0 t Q t 0 t Q max [...]... trong dự báo nghiệp vụ Phương pháp tính toán, dự báo các đặc trưng hồ chứa phục vụ thi công và quản lý vận hành được kiến nghị trên đã được ứng dụng trong dự báo nghiệp vụ thi công và quản lý khai thác các hồ chứa Hoà Bình, Thác Bà từ năm 1986 cho đến nay cho kết quả đáng tin cậy (xem biểu thống kê mức đảm bảo dự 137 báo hàng năm) Biểu 6.2 Mức đảm bảo dự báo phục vụ thi công và quản lý vận hành công trình. .. giá trị phục hồi được ghép nối với các số liệu trước khi có hồ Mọi phương án dự báo đều được tiến hành trên chuỗi số liệu phục hồi 6.3 Cơ sở và phương pháp dự báo thuỷ văn cho hồ chứa Để phát huy khả năng và tác dụng của hồ chứa đảm bảo cho việc điều hành, điều phối và khai thác hồ chứa được tốt, việc dự báo thuỷ văn hồ chứa trở thành một đòi hỏi cấp thiết Hiệu ích của hồ, việc tích nước của hồ chứa. .. tính toán thuỷ văn và trong dự báo thuỷ văn Nếu quan hệ w∼q là ổn định với một điều kiện xả cụ thể nào đó thì 6.1 hoặc 6.3 0 là hoàn toàn giải được và bài toán dự báo chỉ còn là tính toán điều tiết hồ sau khi đã có lượng dòng chảy đến hồ được dự báo độc lập từ dòng chảy tuyến trên hay tổng hợp dòng chảy từ mưa được xấp xỉ với giá trị dòng chảy tính được bằng phương pháp phục hồi thời kỳ tiền dự báo Thực... nay là dựa vào phương trình cân bằng hồ chứa 6.3 .1.Cơ sở của phương pháp 1- Phương trình cân bằng hồ chứa- cơ sở dự báo thuỷ văn cho hồ chứa Phương trình cân bằng nước hồ chứa có dạng: X ω + Q + Q = Q + Eω ± Δ W Q Q Q m X+ Trong đó: ω m + n ω n = c ω c + E ± ΔH (6.1 ) (6.2 ) X và E là lượng mưa và bốc hơi trên mặt hồ Qm là lượng vào hồ Qn là lượng dòng chảy ra khỏi hồ ΔW là chênh lệch thể tích của hồ ΔH... 6.3 .4 Phương pháp phục hồi dòng chảy đến hồ Từ (6.1 ) ta có thể viết phương trình dưới dạng: QΔt - qΔt =Δw q= ΔW Δt (6.2 9) suy ra Q = ΔQ + q (6.3 0) Giải (6.3 0) bằng phương pháp lập bảng kết hợp với các quan hệ đặc trưng địa hình lòng hồ w = f(H) dễ dàng xác định các đặc trưng cần dự báo Khi dự báo cần xác định: 1 Xác định lượng dòng chảy đến hồ (q1) Như đã biết, muốn sử dụng phương trình cân bằng (6.1 )... vào dự báo trước hết phải xác định được dòng chảy đến tuyến công trình trong thời gian dự kiến Q2 Vì không có trạm quan trắc lượng nước vào hồ nên có thể xác định sơ bộ dòng chảy đến hồ thông qua việc tính dòng chảy tuyến trên về tuyến công trình Thí dụ: để dự báo dòng chảy đến hồ Hoà Bình, chúng tôi đã tính diễn toán Muskingum từ Tạ Bú về Hoà Bình: 134 Qd2 = 0,07 Qtr,1 + 0,63 Qtr,2 + 0,30 Qd1 (6.3 1)... lượng dòng chảy gia nhập cần có phải có tài liệu mưa dự báo trên khu giữa trong thời gian dự kiến Nghĩa là dựa vào tài liệu mưa khu giữa dự báo để xác định hệ số gia nhập kq bằng phương pháp tối ưu Trong dự báo nghiệp vụ để đơn giản có thể xác định lượng dòng chảy gia nhập bằng cách tổng hợp dòng chảy từ mưa của một số trạm đài biểu trên lưu vực khu giữa Dự báo một số đặc trưng hồ chứa khác Ngoài dự báo. .. hợp dòng chảy mưa từ tuyến công trình trong thời gian dự kiến Nói cách khác là sử dụng lưu lượng tính được bằng phương pháp cân bằng để xấp xỉ quá trình lưu lượng dự báo được tính bằng các phương pháp trên Dòng chảy đến hồ chứa vào thời kỳ tiền dự báo được tính theo (6.3 0) như biểu 6.1 trên đây 135 Xác định dòng chảy từ hạ lưu Trước hết cần thấy rõ sự khác biệt khi sử dụng phương trình 6.1 hay 6.3 0... dự báo Nội dung dự báo hồ chứa rất đa dạng 125 bao gồm cả hạn ngắn và hạn dài, cả cho hồ chứa đã khai thác sử dụng, cả cho các hồ chứa đang thi công Tuy nhiên hiện nay dự báo thuỷ văn hồ chứa chưa được nghiên cứu sâu về lý thuyết, các phương pháp cụ thể độ chính xác chưa cao, trong tương lai vấn đề này cần được đi sâu nghiên cứu hơn Sau đây là cơ sở lý luận và các phương pháp dự báo cơ bản cho hồ chứa. .. báo dòng chảy đến hồ, lưu lượng xả qua công trình , trong quá trình thi công còn đòi hỏi dự báo chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu, dự báo tốc độ dòng chảy tại tuyến co hẹp dòng Rõ ràng là có thể dựa vào bài toán điều tiết với lưu lượng phục hồi để tính toán mực nước thượng, hạ lưu kết hợp việc xử lý qua hệ (Hthượng -Hhạ) thích hợp cho từng trận lũ để dự báo chênh lệch đầu nước như cách tính lặp đã trình . 114 Chương 6. DỰ BÁO DÒNG CHẢY PHỤC VỤ HỒ CHỨA CÔNG TRÌNH THUỶ ĐIỆN Nước ta có nhiều sông suối nên nguồn thủy năng rất lớn. Nhịp độ xây dựng công trình thuỷ điện ngày càng. thành. Nhiệm vụ của dự báo thuỷ văn là phải dự báo ngắn hạn, hạn vừa và dài hạn quá trình lưu lượng, mực nước đến hồ. 6. 2 Những yêu cầu của hồ chứa, nhà máy thuỷ điện đối với dự báo thuỷ văn tính toán ta được quá trình lưu lượng chảy ra và mực nước hồ chứa. 3. Phương pháp mô hình hồ chứa. Để phát huy hơn nữa khả năng dự báo hồ chứa người ta đã xây dựng một mô hình dự báo lũ.