GIỚI THIỆU

Mục đích của bài này có hai phần: (1) trình bày một số khái niệm căn bản của kỹ thuật thủy điện (hydropower engineering) cho những người không ở trong ngành chuyên môn này; và (2) bàn về vấn đề lũ lụt ở Việt Nam và vai trò các hồ chứa thủy điện. Một số danh từ kỹ thuật tiếng Việt được chua thêm tiếng Anh trong ngoặc đơn để làm rõ nghĩa hơn. Trong trường hợp phải đề cập một chi tiết nặng về kỹ thuật, phần chú thích ở cuối bài sẽ giải thích rõ hơn, tuy rằng khá vắn tắc, cho những độc giả “hiếu kỳ”.

Tác giả hy vọng là phần (1) sẽ giúp người đọc có một vốn liếng tối thiểu để có thể hiểu rõ hơn khi đọc một bản tin trên báo chí có ít nhiều liên quan đến thủy điện. Ví dụ lũ lụt làm vỡ đập có phải là một chuyện tự nhiên hay là một sai sót trong thiết kế và xây dựng? Thủy điện có thể giúp chống lũ được không hay có thể làm tình hình lụt lội ở hạ lưu trở nên tồi tệ hơn?

Phần (2) sẽ bàn về một vấn đề có tính thời sự ở Việt Nam là hồ chứa thủy điện và nhiệm vụ chống lũ (flood control) hay điều tiết lũ (flood regulation), và một số biện pháp đề nghị

KIẾN THỨC CĂN BẢN VỀ KỸ THUẬT THỦY ĐIỆN

Vì sức hút của trái đất (trọng lực) nên nước chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp. Chênh lệch độ cao càng nhiều (độ dốc lớn) thì nước chảy càng nhanh càng mạnh. Cái lực của nước chảy này có thể khai thác để tạo ra năng lượng, và lưu lượng nước (flow rate, discharge) càng nhiều thì càng tạo ra nhiều năng lượng. Như vậy thủy điện là cách tạo ra năng lượng điện dùng sức nước chảy để quay máy phát điện (generator) qua trung gian tuộc-bin thủy lực (hydraulic turbine).

Nói chung hiệu suất (efficiency) của tuộc-bin và máy phát điện rất cao, hơn 95%, nên công suất của một nhà máy phát điện tùy thuộc phần lớn vào thế năng của nước và lưu lượng nước chảy qua tuộc-bin. Đây là hai thông số quan trọng khi thiết kế và xây dựng một nhà máy thủy điện.

Đập và hồ chứa

Các nhà máy thủy điện cỡ vừa và cỡ lớn thường có hồ chứa, vì hồ chứa đáp ứng được hai mục đích:

1. nâng cao mực nước phía thượng lưu của nhà máy thủy điện, nghĩa là làm tăng thế năng của nước – nói cách khác là tăng công suất của nhà máy; và
2. trữ nước trong mùa mưa để dùng trong mùa khô.

Giống như một trương mục tiết kiệm ở ngân hàng để cất giữ tiền dư cho những lúc thiếu hụt, hồ chứa dùng để tích trữ lượng nước thừa trong mùa mưa lũ và sử dụng khi cần thiết trong mùa khô hạn. Muốn có hồ chứa thì phải xây đập trừ phi có thể dùng hồ thiên nhiên để làm hồ chứa.

Đập càng cao thì mực nước hồ càng cao và sức chứa càng lớn nhưng chi phí đầu tư và diện tích đất đai bị chìm dưới lòng hồ cũng lớn theo. Như vậy người thiết kế phải tìm ra kích thước tối ưu của đập và hồ chứa. Điều này không đơn giản. Trước tiên phải xác định mục đích của hồ chứa: ngoài thủy điện thì hồ chứa còn nhiệm vụ gì khác, ví dụ như cấp nước cho nông nghiệp, cho thành phố, hay chống lũ, giao thông đường thủy, v.v..

Kế tiếp là phân tích số liệu thủy văn (hydrology) để biết được lượng nước vào hồ (reservoir inflow) thay đổi từng năm từng mùa như thế nào (seasonal distribution), tần suất nước mùa khô và mùa lũ ra sao (low flow frequency, flood flow frequency). Thường thì số liệu thủy văn không đầy đủ nên phải ước tính lưu lượng nước dựa trên các số liệu khí tượng bằng cách dùng một mô hình thủy văn (hydrologic model, rainfall-runoff model). Nếu số liệu khí tượng cũng thiếu thì có thể dùng các mô hình khí tượng để ước tính. Phương pháp dùng mô hình thủy văn để kéo dài số liệu về dòng chảy thường hiệu quả hơn là dùng các phương pháp thống kê (statistical methods)(1). Phẩm chất và số lượng của số liệu thủy văn có tính quyết định lên tất cả các tính toán của một dự án thủy điện, do đó cần sử dụng những phương pháp tân tiến nhất cho giai đoạn quan trọng này.

Có một sự tương quan giữa dung tích hồ chứa và lượng nước vào hồ; đó là chu kỳ tích nước và xả nước của hồ chứa, chu kỳ có thể là một năm cho hồ chứa khá lớn: tích nước dư vào mùa mưa để dùng thêm trong mùa khô. Chu kỳ này cũng có thể là một tuần lễ cho các hồ nhỏ: tích nước vào ngày nghỉ cuối tuần khi nhu cầu điện thấp để phát điện nhiều hơn trong những ngày làm việc khi nhu cầu điện cao hơn. Những hồ chứa thật lớn mất nhiều năm mới có thể làm đầy hồ thường không có năng suất sử dụng cao. Như vậy người thiết kế phải cân nhắc giữa chi phí xây đập và lợi ích mà hồ chứa sẽ mang lại.

Một tương quan khác là dung tích hồ chứa và công suất tối đa của nhà máy. Đây là một tương quan nghịch chiều và một lần nữa người thiết kế phải tìm một phối hợp tối ưu. Nhà máy có công suất nhỏ quá khi nước nhiều thì phải xả thừa (spill) nếu không còn chỗ chứa trong hồ, như vậy là chưa sử dụng hết tài nguyên nước. Nhà máy công suất lớn quá thì một phần lớn thời gian sẽ không chạy hết công suất, như vậy là hiệu quả sử dụng thấp. Có một điểm cần lưu ý là phần công suất dư không xài có thể dùng để dự phòng cho hệ thống (reserved capacity). Phương pháp isoquant(2) có thể dùng để phân tích kinh tế tương quan giữa hai thành phần đắt tiền nhất của một dự án thủy điện là hồ chứa và nhà máy.

Đập thường làm bằng các vật liệu dễ có như đất, đá, bê-tông. Trừ đập tràn (overflow dam) là loại đập cho phép nước chảy tràn qua đỉnh đập, các loại đập khác đều được xây như thế nào để mức nước hồ không thể vượt qua đỉnh đập. Nghĩa là đập phải có chỗ để xả nước (spillway) khi có lũ lớn và hồ đã đầy không thể chứa thêm. Chỗ xả nước - là phần đắt tiền nhất của đập - có thể là một đường hầm xuyên qua lòng đập có van đóng mở hoặc một đoạn đập tràn có cửa đóng mở hoặc cả hai. Khi hồ đã đầy và lượng nước vào hồ lớn hơn sức xả tối đa của đập thì nước sẽ tràn qua đỉnh đập và có nguy cơ làm vỡ đập. Người thiết kế đập phải cân nhắc giữa chi phí xây dựng chỗ xả nước và nguy cơ vỡ đập làm thiệt hại ở hạ lưu. Nếu vỡ đập có thể làm thiệt hại nhân mạng thì đập phải được thiết kế như thế nào để có thể xả được lượng nước của cơn lũ cực đại (probable maximum flood - PMF)(3).

Nhà máy và tuộc-bin

Đây là một bộ phận thuộc loại đắt tiền nhất nhì trong một dự án thủy điện, vì vậy kích cỡ của nhà máy cần được tính toán kỷ lưỡng về mặt kinh tế. Vì nước chảy vào hồ từ thượng nguồn của lưu vực thay đổi nhiều trong năm, lượng nước vào mùa mưa lũ có thể gấp trăm hay gấp ngàn lần lượng nước vào mùa khô kiệt nên câu hỏi cho nhà thiết kế là nên sử dụng tài nguyên nước đến mức nào (bằng cách xác định kích cỡ của tổ hợp hồ chứa và nhà máy) để có thể tạo ra hiệu quả kinh tế cao nhất trong việc sử dụng nguồn nước đồng thời giảm thiểu tối đa những ảnh hưởng xấu lên môi trường ở thượng nguồn cũng như ở hạ lưu của dự án.

Tuộc-bin được chọn lựa phần lớn tùy theo chiều cao cột nước (water column) – tức là chênh lệch độ cao giữa mực nước trên và dưới nhà máy - và lưu lượng nước, cũng như chi phí bố trí và xây cất nhà máy và các bộ phận thủy lực khác. Hiệu suất của mỗi loại tuộc-bin khác nhau và thay đổi theo mực nước cũng như lưu lượng nước. Đây là những yếu tố cần xem xét khi xác định bao nhiêu tổ máy (unit) nên có trong một nhà máy. Sử dụng một mô hình điện toán có khả năng tính toán tối ưu (optimization model) nhiều phương án khác nhau để so sánh và chọn lựa là phương pháp hay nhất hiện nay.

Ảnh hưởng lên môi trường của dự án thủy điện

Bất cứ một công trình xây dựng nào của con người đều tác động lên thiên nhiên không nhiều thì ít, từ một tòa nhà, một con đường, cây cầu, một cái đập nước, v.v.. Vì vậy bổn phận của người xây dựng, cũng như chính quyền cung cấp giấy phép xây dựng, là cân nhắc hai phương diện đối nghịch với nhau: (i) sự cần thiết và lợi ích mang lại cho con người của công trình sẽ xây dựng, và (ii) tác hại trước mắt cũng như lâu dài của công trình đó. Sự cân nhắc tính toán này chỉ được thực hiện đầy đủ và hợp lý khi những người có trách nhiệm biết đặt quyền lợi chung của công chúng lên trên hết, và sử dụng các phương pháp phân tích tân tiến nhất.

Xây dựng một cái đập trên một con sông cũng giống như xây một xa lộ qua một vùng hoang dã, nó sẽ chia cắt môi trường thiên nhiên thành hai không gian khác nhau. Trong trường hợp đập có hồ chứa để điều hòa dòng nước thì dòng chảy tự nhiên của con sông sẽ thay đổi. Sự thay đổi sẽ nhiều hay ít tùy theo hồ chứa được vận hành như thế nào. Khi dòng chảy tự nhiên của một con sông thay đổi thì hệ sinh thái trong lưu vực con sông đó cũng bị ảnh hưởng và có thể mất một thời gian khá lâu mới tìm được sự cân bằng mới. Quá trình này ảnh hưởng như thế nào lên môi trường sống của con người và thiên nhiên cần được nghiên cứu kỷ lưỡng để có thể đánh giá mức độ tác động của dự án.

Các dự án thủy điện thường nằm ở những vùng rừng núi nên khi xây dựng cần phải khai quang một diện tích lớn để xây các công trình như đường sá, đập, nhà máy, đường dây dẫn điện, v.v.. Phần lòng hồ sẽ bị ngập nước cũng phải được khai quang và dân cư trong vùng phải được dời đi chỗ khác. Những hoạt động này sẽ ảnh hưởng lên môi trường thiên nhiên đã có sẵn trước đó và tác động lên hệ sinh thái của khu vực. Đời sống của dân cư trong vùng cũng như các giá trị văn hóa lịch sử của khu vực dự án cũng sẽ bị thay đổi hoặc biến mất.
Để có thể đánh giá đúng đắn lợi ích của một dự án thủy điện, tất cả các yếu tố nêu trên cần được phân tích đầy đủ, kể cả những thiệt hại hay lợi ích không thể quy ra tiền.