- Nguyên lý hoạt động: Dòng chảy qua tràn ở dạng chảy tự do và lưu lượng được
xác định thông qua các thông số hình học thiết kế và được lập thành quan hệ giữa
lưu lượng Q và cột nước trên đỉnh tràn mực nước.
- Điều kiện áp dụng: Thường được xây dựng ở đầu kênh và/hoặc tại các điểm rẽ
nhánh và ở cuối kênh để theo dõi nước thừa (hình 6.26). Do đặc điểm của dạng
máng đo này muốn đảm bảo chính xác lưu lượng đo thì dòng chảy qua tràn phải là
dạng chảy tự do. Điều kiện lý tưởng để xây dựng máng dạng này là cao trình đáy
kênh ở hạ lưu tràn thấp hơn đáy kênh ở thượng lưu tràn, khi đó dễ tạo được dạng
dòng chảy tự do qua tràn.
Thiết kế dạng máng đo lưu lượng này áp dụng như đối với đập tràn đỉnh rộng đã
được nêu trong các giáo trình Thủy lực hoặc các quy phạm về thiết kế công trình
thủy lợi hiện hành.
164 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 27/02/2024 | Lượt xem: 46 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Thiết kế hệ thống tưới, tiêu (Phần 2), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
hợp này có thể áp dụng ở những hệ thống có điều kiện cho phép, nhất là
những hệ thống có tuyến kênh chính dài, địa hình thay đổi, yêu cầu cấp nước ở hạ lưu
cần linh hoạt, kênh có thể chuyển đổi sang điều tiết hạ lưu được, nhu cầu cấp nước lớn
mà khả năng điều tiết thượng lưu khó đáp ứng được về thời gian và lưu lượng.
Ví dụ về hình thức kết hợp này được thể hiện như trong hình 6.3.
Hình 6.3: Kênh vận hành kết hợp 2 loại hình điều tiết
292
Một số hệ thống có thể áp dụng điều tiết hạ lưu ở kênh chính và điều tiết thượng lưu
ở kênh cấp dưới hoặc ngược lại tùy theo điều kiện địa hình và công trình cho phép.
Điểm mấu chốt trong hình thức kết hợp này là có hồ điều hòa nhằm điều tiết cấp
nước cho phần hạ lưu của hệ thống khi nguồn nước cấp từ thượng lưu đến cần phải
có thời gian di chuyển dài.
Đây là hình thức chứa nước dự trữ trên hệ thống ở những nơi có thể nhằm trữ
nước lại trong hồ điều hòa khi phần diện tích tưới phía sau của hồ đã lấy đủ nước.
Nước trữ trong hồ sẽ được sử dụng đưa vào hệ thống để cấp nước khi có các yêu cầu
nước đột xuất ở hạ lưu nhưng nước đưa từ nguồn về cần phải mất một thời gian nhất
định. Hình thức này có thể giúp rút ngắn thời gian tưới của toàn hệ thống và tăng
khả năng linh hoạt và đảm bảo độ công bằng trong phân phối nước. Ngoài ra, nếu có
nhu cầu dùng nước nhỏ ở hạ lưu của hệ thống thì có thể chỉ cần dùng nước từ hồ
điều hòa mà không phải điều tiết nước từ đầu kênh chính, qua đó tiết kiệm nước một
cách đáng kể.
Khi thiết kế hồ điều hòa có 2 dạng có thể áp dụng:
Dạng thứ nhất:
Hồ điều hòa có thể sử dụng các ao hồ tự nhiên hoặc hồ nhân tạo có khả năng chứa
được lượng nước khá lớn đủ khả năng đáp ứng một phần đáng kể cho nhu cầu nước
ở nửa cuối hệ thống. Ở các nước tiên tiến, hồ điều hòa được xây dựng đa mục tiêu,
vừa làm nhiệm vụ cấp nước cho hệ thống tưới vừa nuôi trồng thủy sản, vừa là khu
vui chơi giải trí, tổ chức các sự kiện thể thao ở địa phương, cấp nước cho sinh hoạt,
góp phần cải tạo môi trường Khi thiết kế hồ điều hòa có thể chú ý áp dụng tương
tự nếu điều kiện cho phép. Cố gắng đa dạng hóa mục tiêu sử dụng của hồ, tạo nguồn
lợi để bổ sung cho vận hành và bảo dưỡng hệ thống.
Thông thường hồ điều hòa được xây dựng ở vị trí khoảng từ giữa tới 2/3 của
tuyến kênh (thường là kênh chính hoặc kênh cấp 2 lớn) ở các hệ thống có tuyến
kênh dài, thời gian đưa nước từ nguồn tới cuối hệ thống cần nhiều thời gian.
Thiết kế hồ điều hòa không có yêu cầu đặc biệt nào mà chủ yếu phụ thuộc vào điều
kiện có thể tạo ra được lòng hồ và ở vị trí phù hợp cho việc cấp nước vào hệ thống.
Có một vài chú ý cần quan tâm khi thiết kế xây dựng hồ điều hòa:
- Khi vị trí xây dựng hồ có mực nước trong hồ cao hơn mực nước thiết kế trong
kênh thì việc cấp nước cho hồ (thường là lấy nước từ kênh chính) được thực hiện
bằng trạm bơm và có cống xả nước tự chảy cấp trở lại cho hệ thống. Ngược lại, nếu
hồ ở vị trí thấp hơn so với tuyến kênh thì việc lấy nước vào hồ sẽ là cống lấy nước
293
(có cửa van điều tiết) và cấp nước lại hệ thống bằng trạm bơm hoặc dẫn nước tự
chảy về điểm nào đó ở phía hạ lưu.
- Hồ cần thiết kế có hệ thống tiêu khi cần thiết, tránh để nước thải đổ vào hồ.
- Nên chú ý đến bảo vệ môi trường xung quanh hồ.
- Nếu đất lòng hồ thuộc loại có độ ngấm cao thì nên thiết kế chống ngấm. Ví dụ
có thể dùng đất có hàm lượng sét cao để làm đáy và bờ hồ hoặc áp dụng màng chống
ngấm Geo-membrance.
Dạng thứ hai:
Có thể cải tạo tuyến kênh hay đoạn kênh thành các khoang chứa nước bằng cách
mở rộng mặt cắt nếu điều kiện địa hình, địa chất và kinh tế cho phép. Với cách áp
dụng này, các phương án thiết kế và lựa chọn theo cách so sánh về kinh tế-kỹ thuật
cho phương án hợp lý nhất.
6.3.2.5. Lựa chọn giải pháp lát kênh (kiên cố hóa kênh mương)
Lát kênh, theo định nghĩa về hiện đại hóa, không phải là một yêu cầu của hiện đại
hóa nhưng nó giúp cho kênh (đặc biệt là kênh đất, kênh đã bị hư hỏng, xuống cấp)
có thể đảm bảo chuyển tải lưu lượng theo thiết kế một cách an toàn, đáp ứng nhanh
hơn dịch vụ cấp nước cho các đối tượng dùng nước.
a) Mục đích của lát kênh:
(1) Chống ngấm và rò rỉ gây mất nước;
(2) Bảo vệ bờ và đáy kênh, tránh xói và sạt lở bờ;
(3) Cải thiện điều kiện thủy lực của kênh, giảm độ nhám, tăng lưu lượng kênh;
(4) Giảm diện tích chiếm đất của kênh, làm sạch kênh, tránh người, súc vật xâm
hại và cây cối mọc, giảm khối lượng công tác duy tu, bảo dưỡng;
(5) Kết hợp các mục đích trên.
b) Các hình thức (giải pháp) lát kênh:
Hình thức lát kênh được áp dụng khác nhau tùy vào mục đích và tình hình địa
hình, địa chất và địa chất thủy văn tại nơi dự kiến lát kênh, theo các yêu cầu về kỹ
thuật, tài chính, phương tiện thi công, thời gian thi công. Khi thiết kế lát kênh cũng
cần phải có sự tham gia của những người quản lý vận hành hệ thống cũng như người
sử dụng nước.
Lát kênh với mục đích (1):
- Lát bằng lớp bê tông (có hoặc không có cốt thép) đổ tại chỗ cho cả mặt cắt kênh.
294
- Lát bằng gạch xây, đá xây (các kênh nhỏ). Thường lát cả mái và đáy.
- Lát bằng kênh nhựa đúc sẵn lắp ghép (các kênh nhỏ, lát cả mái và đáy).
- Lát kênh có sử dụng nhựa chống ngấm PVC hoặc HDPE (Geomembrane) trên
có lớp bảo vệ bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép (có thể ở dạng miếng lắp ghép
hoặc đổ tại chỗ).
- Lát chống ngấm sử dụng lớp áo bằng loại đất có hệ số ngấm nhỏ (sét hoặc pha
sét) cho mái và lòng kênh.
- Lát kênh bằng bê tông nhựa đường (tương tự như mặt đường). Dạng này ít được áp
dụng do đòi hỏi kỹ thuật thi công phức tạp, nhưng nó có ưu điểm về độ co giãn linh
động tốt hơn do yếu tố nhiệt độ thay đổi và sự co rút của đất so với lát bằng bê tông.
Lát kênh với mục đích (2), (3), (4), (5):
- Lát bằng tấm bê tông (có hoặc không có cốt thép) đúc sẵn đặt trên lớp lọc cát sỏi
hoặc vải địa kỹ thuật. Các tấm lát được liên kết với nhau bằng cách nối cốt thép và
chít ở các góc hoặc chít các mạch. Nếu chít mạch thì các tấm cần đục lỗ thoát nước
để tránh áp lực đẩy ngược gây phá hoại lớp lát. Có thể chỉ bảo vệ mái hoặc cả đáy
kênh tùy vào mức độ giải quyết chống xói.
- Lát bằng lớp bê tông (có hoặc không có cốt thép) đổ tại chỗ. Phía dưới phải bố
trí các hàng lỗ thoát nước và lớp lọc ngược. Có thể chỉ bảo vệ mái hoặc cả đáy kênh
tùy vào mức độ giải quyết chống xói.
- Lát bằng đá lát khan xếp trong hệ thống khung BTCT hoặc rọ đá. Thường chỉ lát
mái, có bố trí hệ thống thoát nước ngầm kèm theo lớp lọc (ở những nơi địa chất xấu).
- Kênh bê tông cốt thép mặt cắt hình hộp hoặc mặt cắt chữ nhật hở, hình bán
nguyệt. Tùy thuộc vào lựa chọn thiết kế và khả năng thi công.
- Ống bê tông cốt thép, gang hoặc thép mặt cắt hình tròn (áp dụng cho các đoạn
kênh chìm).
- Lát bằng gạch xây, đá xây (các kênh nhỏ, lát toàn mặt cắt kênh).
- Lát bằng kênh nhựa đúc sẵn lắp ghép (các kênh nhỏ).
Việc tính toán thiết kế các hình thức lát kênh đã được giới thiệu trong các Quy
chuẩn, Tiêu chuẩn Việt Nam, các giáo trình, sổ tay thủy lợi và các tài liệu liên quan.
c) Một số điều chú ý khi lựa chọn lát kênh
- Lát kênh thường có chi phí rất cao (có thể tới 40% chi phí xây dựng kênh). Do
đó khi quyết định về lát kênh cần phải có các nghiên cứu đánh giá kỹ càng và đưa ra
được các lựa chọn giải pháp hợp lý và kinh tế nhưng cho hiệu quả cao.
295
- Cần phải có đánh giá ảnh hưởng của việc lát kênh đối với môi trường tự nhiên
và xã hội. Ví dụ tác động của lát kênh đến mực nước trong các giếng nước sinh hoạt
của người dân địa phương, đến hoạt động khai thác nước ngầm cho các hoạt động
sản xuất khác, đến các khu bảo tồn... để có các giải pháp cần thiết nếu cần. Thực tế
đã từng có một số trường hợp trên thế giới, sau khi lát kênh các giếng nước phục vụ
sinh hoạt của người dân bị cạn kiệt làm ảnh hưởng lớn đến điều kiện sống của họ
nên họ đã phá hoại lớp lát kênh để có nước cho sinh hoạt.
- Sự liên kết giữa các kết cấu lát kênh (khe giữa các tấm lát, khe nối giữa các
đoạn kênh lát bằng bê tông, khe nối dọc...) cần được quan tâm đúng mức trong thiết
kế để tránh sự hư hỏng của lớp lát cũng như giảm sự rò rỉ mất nước.
- Với các kênh lát không có yêu cầu chống ngấm, đối với kênh đào hoặc nửa đào
có mực nước ngầm cao cần bố trí kết cấu thoát nước, phía trong có lớp lọc cát sỏi
hoặc vải địa kỹ thuật. Với các kênh đắp thì không cần.
d) Điều kiện áp dụng
Kênh lát mái bằng các tấm bê tông đúc sẵn:
Hình thức này áp dụng tốt nhất khi lát cho
các đoạn kênh hay bị sạt lở, thời gian thi công
yêu cầu phải nhanh để hệ thống vẫn phục vụ
tưới trong khi tiến hành sửa chữa. Loại này có
độ bền vừa phải nếu không được duy tu, bảo
dưỡng thường xuyên và đầy đủ (hình 6.4).
Kênh lát mái bằng bê tông (cốt thép) đúc
tại chỗ:
Hình thức này áp dụng tốt nhất khi lát cho các đoạn kênh có hiện tượng hay bị sạt
lở có độ rò rỉ mất nước lớn. Hình thức này thường có độ bền khá cao, giảm được
công duy tu bảo dưỡng và chống cỏ dại. Khi thi
công cần chú ý đến việc để lỗ thoát nước mái để
giảm áp lực đẩy ngược tránh làm gãy lớp lát.
Nhược điểm là khi thi công yêu cầu thời gian
cắt nước dài.
Kênh bê tông cốt thép vỏ mỏng:
Hình thức này thường xây dựng theo kiểu lắp
ghép, áp dụng khi kênh phải đi qua vùng trũng
hơn khu tưới, vùng có địa chất xấu không đắp
Hình 6.4: Kênh được lát mái
bằng tấm bê tông đúc sẵn
Hình 6.5: Kênh được kiên cố
bằng bê tông cốt thép vỏ mỏng
296
được kênh hoặc kênh đi qua vùng đất cát có độ ngấm mất nước lớn. Kênh được đúc
sẵn hoặc đổ tại chỗ và đặt trên các trụ bê tông hoặc gạch, đá xây (xem hình 6.5).
Loại này phù hợp đối với những kênh nhỏ mặt ruộng. Kênh có độ bền cao, nhưng có
thể gây cản trở đối với việc canh tác bằng máy trên mặt ruộng.
Lát bằng gạch đá xây:
Hình thức này thường được áp dụng cho các kênh có lưu lượng nhỏ, kênh mặt
ruộng nhằm đưa nước tới được các khu tưới ở xa và giúp cho việc phân phối nước
mặt ruộng được đồng đều hơn, nhanh hơn (hình 6.8). Việc duy tu bảo dưỡng cũng
dễ dàng hơn so với kênh đất.
Lát kênh sử dụng màng nhựa chống ngấm geo-membrance (lát mềm):
Hình thức lát kênh này đang được áp dụng khá phổ biến ở các hệ thống được hiện
đại hóa ở các nước tiên tiến trên thế giới. Ưu điểm của phương pháp lát này là có thể
loại trừ khá triệt để hiện tượng rò rỉ mất nước, độ chống ngấm cao, thi công nhanh,
độ bền cao.
Một số ưu điểm của màng chống ngấm geo-membrance HDPE:
+ Cấu tạo có tính chống ôxy hoá.
+ Sức chịu lực cao.
+ Chịu được tác động của tia cực tím.
+ Chịu được hóa chất rất tốt.
+ Hệ số giãn nở nhiệt cao.
+ Có thể vận chuyển tới hiện trường ở dạng cuộn và hàn nối tại chỗ rất thuận tiện.
Các hình thức có thể áp dụng được trong lát kênh có sử dụng lớp màng chống
ngấm (geo-membrance) xem hình 6.6 và 6.7.
Hình 6.6: Lát kênh bằng lớp màng chống ngấm
và bảo vệ bằng miếng bê tông đúc sẵn lát bên trên
Hình 6.7: Bê tông đúc tại chỗ
trên lớp màng chống ngấm
297
Nhược điểm: Giá thành cao, nếu không được bảo vệ tốt dễ bị rách do tác động
của con người hoặc gia súc.
Lát mái kênh bằng đá lát khan trong khung bê tông cốt thép đúc tại chỗ:
Hình thức này áp dụng tốt nhất khi lát cho các đoạn kênh có nền địa chất yếu,
chịu tác động mạnh của mực nước ngầm cao hay gây sạt lở lòng kênh. Các khung bê
tông sẽ giữ ổn định cho lớp đá lát khan. Bên dưới lớp đá lát khan có lớp cuội sỏi
đệm và lớp vải lọc địa kỹ thuật để giữ đất mái kênh không bị kéo trôi vào trong lòng
kênh (xem hình 6.9). Độ bền của hình thức này thường khá cao, nhưng cần phải
quan tâm đến công tác duy tu bảo dưỡng, tránh để các dạng cây thân gỗ mọc cao
trên mái làm thủng lớp vải lọc.
Hình 6.8: Kênh được kiên cố
bằng gạch xây
Hình 6.9: Bảo vệ mái bằng đá lát khan
trong khung BTCT
e) Dạng mặt cắt ngang của kênh kiên cố hóa
Do khả năng chịu lực và một số đặc điểm khác nên mặt cắt ngang kênh kiên cố hóa
có thể được thiết kế theo nhiều dạng khác nhau. Sau đây là một số dạng thông thường:
Dạng mặt cắt hình chữ nhật không có thanh chống ngang (hình 6.10):
Với dạng mặt cắt này thường chỉ sử dụng cho kênh nhỏ, có trị số độ sâu nước
trong kênh dưới 1m. Khi thiết kế mặt cắt ngang cần hết sức chú ý kiểm tra khả năng
chịu lực của kết cấu kênh kiên cố. Cần đặc biệt chú ý đến lực đẩy ngang từ phía bờ
kênh vào lòng kênh.
Hình 6.10: Mặt cắt hình chữ nhật
Hình 6.11: Mặt cắt hỗn hợp
298
Mặt cắt hỗn hợp (hình 6.11):
Phần đáy dưới mặt cắt hỗn hợp có dạng hình cung, mái bên có góc nghiêng bằng
góc nghỉ của đất lòng kênh.
Mặt cắt hình thang:
Mặt cắt hình thang là dạng mặt cắt rất phổ
biến vì khả năng ổn định cao, dễ thi công.
Đây là một mặt cắt dễ chấp nhận khi so sánh
kinh tế - kỹ thuật. Với mặt cắt hình thang thì
ở phần đáy tiếp giáp với mái bên, mặt cắt
được lượn tròn, cung tròn có bán kính bằng
độ sâu nước trong kênh (hình 6.12).
f) Các bước thiết kế mặt cắt kênh kiên cố hóa
Các chỉ tiêu thiết kế và trình tự các bước thiết kế mặt cắt kênh kiên cố hóa cũng
tương tự như thiết kế mặt cắt kênh đất ở phần thiết kế kênh (Chương 3). Nhưng cần
chú ý một số vấn đề sau:
- Hình thức mặt cắt ngang nên tận dụng mặt cắt của kênh cũ để giảm khối lượng
đào đắp. Nếu mục đích của thiết kế kênh kiên cố hóa là giảm diện tích chiếm đất của
kênh thì nên thay đổi hình thức mặt cắt thành mặt cắt hình chữ nhật.
- Độ dốc và cao trình đường mực nước của kênh kiên cố hóa nên dựa vào độ dốc
và cao trình đường mực nước của kênh cũ để lựa chọn cho phù hợp.
- Hệ số hình dạng ( = B/H) của kênh kiên cố hóa nên tận dụng hệ số hình dạng
của kênh cũ để giảm khối lượng đào đắp, xây đúc và kênh được ổn định.
6.3.3. Thiết kế công trình trên kênh
6.3.3.1. Công trình điều tiết mực nước
a) Cống điều tiết dùng cửa van phẳng
- Hình thức kết cấu: Đây là dạng cống hở, đóng mở bằng cửa van phẳng, chảy
dưới cửa van.
- Nguyên lý hoạt động: Dùng cửa van phẳng để điều tiết mực nước hoặc lưu
lượng. Đây là dạng cống điều tiết thường thấy ở các hệ thống tưới hiện có ở Việt
Nam hiện nay. Đa số được vận hành bằng thủ công quay tay nên việc đóng mở khá
vất vả.
Việc hiện đại hóa vận hành cho các cống điều tiết dạng này thường chỉ tập trung
vào một số giải pháp sau:
Hình 6.12: Mặt cắt hình thang
299
- Lắp môtơ điện để vận hành được dễ dàng, giảm nhân lực điều khiển cửa.
- Cải tạo các cống này bằng cách tháo bỏ một (hoặc vài) trong số các cửa van
hiện có và lắp đặt tràn đỉnh dài tựa vào các trụ của cống hiện có.
- Đối với hệ thống có lắp đặt SCADA, bộ phận đóng mở của cống được cải tiến
để kết nối với thiết bị SCADA để có thể điều khiển tự động tại chỗ hoặc điều khiển
từ xa. Các thiết bị này cho phép đóng mở cửa với khẩu độ theo yêu cầu dựa trên tài
liệu quan trắc mực nước thượng, hạ lưu để có thể điều tiết được mực nước và lưu
lượng tại cống.
Việc thiết kế lắp đặt môtơ cho cống loại này đã được nêu khá đầy đủ trong các
sách giáo trình Thủy công hoặc trong Sổ tay kỹ thuật thủy lợi [22]. Việc cải tiến và
lắp đặt tràn đỉnh dài sẽ nói ở phần dưới đây. Kết nối với hệ thống SCADA sẽ đề cập
ở mục sau.
b) Tràn đỉnh dài
Trong hiện đại hóa các hệ thống kênh tưới thì đập tràn đỉnh dài thường hay
được áp dụng do đập tràn đỉnh dài có khả năng duy trì mực nước tương đối ổn định
mặc dù lưu lượng chuyển qua có thể thay đổi lớn.
Thiết kế đập tràn đỉnh dài:
- Hình thức kết cấu: Tràn đỉnh dài là loại tràn chảy trên, có chiều dài tràn qua
nước lớn hơn (có thể là một số lần) chiều rộng của kênh.
- Nguyên lý vận hành: Điều tiết tự động mực nước thượng lưu tràn và giữ cho
mực nước này thay đổi trong phạm vi cho phép theo yêu cầu. Do chiều dài lớn nên
cho dù lưu lượng trong kênh thay đổi lớn thì cột nước tràn cũng chỉ thay đổi ít nên
có thể duy trì mực nước thượng lưu tràn ổn định. Như vậy sẽ duy trì mực nước trong
khoang giữa 2 điều tiết ổn định dẫn đến lưu lượng lấy qua các cống lấy nước vào
kênh cấp dưới cũng ổn định.
Mặt bằng
Cắt dọc
Hình 6.13: Thiết kế điển hình điều tiết dạng đập tràn đỉnh dài không cửa
300
Có một số dạng đập tràn đỉnh dài như sau:
- Loại không có cửa cống;
Loại này thường áp dụng cho các kênh cấp dưới sau kênh chính và kênh mặt
ruộng với chiều rộng và chiều sâu nước nhỏ, nước ít phù sa, dễ dàng nạo vét.
- Loại có cửa cống (dạng kết hợp):
Loại này thường áp dụng cho các kênh chính và các kênh cấp dưới có lưu lượng
lớn. Tràn làm việc như một điều tiết mực nước tự động. Cửa van phẳng được sử dụng
chủ yếu để xả bùn cát, rác thải lắng đọng ở thượng lưu tràn, giúp xả cạn kênh khi cần
kiểm tra, sửa chữa và khi lưu lượng thay đổi lớn có thể điều chỉnh cửa van cống để
duy trì mực nước theo yêu cầu nếu không có nhu cầu lấy nước ở thượng lưu.
Mặt bằng
Cắt dọc
Hình 6.14: Đập đỉnh dài có 1 cửa ở giữa
Tràn đỉnh dài dạng zic zắc (có cửa van phẳng):
Hình 6.15: Đập đỉnh dài dạng zic zắc có 1 hoặc 2 cửa
301
Dạng này có cửa thường được áp dụng khi lòng kênh rộng, lưu lượng của kênh
lớn nhằm giảm bớt chiều dài tổng thể cho toàn cụm công trình mà vẫn đảm bảo mục
tiêu điều tiết mực nước ít dao động theo yêu cầu.
Chi tiết việc tính toán các thông số tràn đỉnh dài được nêu đầy đủ trong “Sổ tay
hiện đại hóa hệ thống tưới” [21].
c) Cải tạo điều tiết hiện có
Về nguyên tắc là có thể giữ nguyên cửa điều tiết cũ, xây thêm đập tràn đỉnh dài
về 1 bên hoặc 2 bên, mở rộng lòng kênh (nếu cần) để tải đủ lưu lượng thiết kế. Ví
dụ: cống điều tiết có 2 cửa van phẳng có thể giữ một cửa và cải tạo phần cửa bên
bằng cách bỏ 1 cửa (có thể không phá bỏ nhưng tháo bỏ cánh cống hoặc kéo lên mở
hoàn toàn), xây 1 tràn đỉnh dài (hình 6.16).
Mặt bằng
Trắc dọc
Hình 6.16: Thiết kế cải tạo cống điều tiết hiện có bằng việc thêm tràn đỉnh dài
Nếu điều tiết 3 cửa có thể bỏ 2 cửa hai bên giữ cửa ở giữa và làm 2 tràn đỉnh dài ở
hai bên, làm cầu công tác ra cửa ở giữa. Khi đó công trình có dạng giống với hình 6.14.
d) Cống điều tiết dạng cửa lật (Flap gate)
Công trình này được áp dụng để dùng cho điều tiết mực nước tự động cho kênh
áp dụng điều tiết thượng lưu (hình 6.17, 6.18).
Điều kiện áp dụng: Phù hợp cho điều tiết mực nước có độ sâu từ 1,0m trở xuống.
Dòng chảy qua cửa cống phải ở dạng chảy tự do. Mực nước hạ lưu không được ngập
đáy của cửa lật.
Chi tiết về tính toán thiết kế, chế tạo cửa điều tiết dạng cửa lật tham khảo tại website:
302
Hình 6.17: Cống điều tiết dạng cửa lật
(Flap gate) của ITRC lắp trên kênh lớn
để điều tiết mực nước tự động
Hình 6.18: Cống điều tiết dạng cửa lật
với kết cấu đơn giản (lưu lượng của cống
này được tối đa là 0,6m3/s)
6.3.3.2. Công trình điều tiết lưu lượng
a) Cống điều tiết có cửa van phẳng chảy dưới cửa cống
- Kết cấu: Các công trình điều tiết lưu lượng có cửa van phẳng, chảy dưới cửa
cống, điều tiết đóng mở bằng thủ công hay bằng điện.
Dạng điều tiết này hiện nay vẫn tiếp tục được sử dụng ở nhiều hệ thống nhưng
trong hiện đại hóa chúng thường được điện khí hóa, đồng thời nếu điều kiện cho
phép có thể được kết nối với hệ thống SCADA để đảm bảo điều tiết lưu lượng được
nhanh chóng và chính xác.
Thiết kế dạng công trình này đã được trình bày trong các giáo trình ngành Công
trình Thủy lợi cũng như các quy phạm thiết kế hiện hành.
Hình 6.19: Cống điều tiết lưu lượng
trên kênh có kết nối với hệ thống SCADA
Hình 6.20: Cống điều tiết lưu lượng
trên kênh chính và vào kênh cấp 2
b) Tràn sự cố
Đây là dạng tràn trên có cao trình đỉnh ngưỡng tràn được thiết kế đảm bảo mực
nước trong kênh trong mọi trường hợp không được vượt quá mực nước cho phép lớn
nhất của kênh.
303
Hình 6.21: Tràn sự cố trên kênh chính
Các bước thiết kế tràn sự cố cho cống điều tiết đã được giới thiệu trong các tài
liệu hướng dẫn thiết kế hiện hành.
Chú ý rằng: Khi thiết kế hiện đại hóa, nếu công trình điều tiết ngang kênh là tràn
đỉnh dài thì không cần thiết phải có tràn sự cố phía trước.
c) Công trình chia nước theo tỷ lệ
Kết cấu: thường được xây bằng bê tông hoặc gạch, đá xây và có kết cấu tương
tự như hình 6.22 cho tuyến kênh có lưu lượng lớn và như hình 6.23 áp dụng cho
kênh nội đồng.
Hình 6.22: Công trình chia nước theo tỷ lệ áp dụng cho các kênh có lưu lượng lớn
Nguyên lý hoạt động: Là dạng công trình phân chia lưu lượng nước đến theo
các hướng khác nhau với lưu lượng tỷ lệ với diện tích mà nó phụ trách.
Điều kiện áp dụng: Công trình dạng này thường áp dụng cho các kênh cấp dưới
kênh chính, đặc biệt là các kênh mặt ruộng và có khu tưới được tưới đồng thời.
304
Ngoài ra, khi áp dụng dạng công trình này việc quản lý phân phối nước được tập
trung hơn, giảm bớt nhân lực cho điều tiết phân phối nước. Nó rất phù hợp với tình
huống 1 con kênh cấp nước cho nhiều khu ruộng khác nhau theo các hướng khác
nhau được tưới đồng thời.
Hình 6.23: Công trình chia nước theo tỷ lệ áp dụng cho kênh nội đồng
d) Cống lấy nước với lưu lượng không đổi (Baffle distributor)
Đây là dạng cống lấy nước có độ nhạy thấp với sự biến đổi của mực nước trước
cống.
Kết cấu: Cấu tạo của cống được thể hiện trong hình 6.24 có 1 hoặc 2 màng
mỏng bằng thép đặt trong kết cấu bê tông. Chúng thường được thiết kế và xây dựng
theo dạng tiêu chuẩn cho từng cửa cống. Một cống lấy nước đầu kênh có thể được
lắp đặt một vài cửa cống với tổng lưu lượng tương đương với lưu lượng thiết kế qua
cống (hình 6.25).
Hình 6.24: Kết cấu của cống lấy nước với lưu lượng không đổi màng kép
305
Nguyên lý hoạt động: Là dạng công trình điều tiết lưu lượng giữ cho lưu lượng
qua cống ít thay đổi (ổn định) mặc dù mực nước trước cống có thể thay đổi rất lớn.
Kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy lưu lượng qua cống chỉ thay đổi ± 5% khi
mực nước thay đổi từ mực nước min tới mực nước max.
Hình 6.25: Cống lấy nước với lưu lượng không đổi được lắp đặt trên đầu kênh cấp 2.
Thiết kế chi tiết cho loại kết cấu này có thể tham khảo trên web:
com/wpcontent/themes/watermantheme/Product%20Information/WaterControl/
6.3.3.3. Công trình đo lưu lượng
a) Một số thông tin chung về đo nước
Mục đích:
Đo nước chính là thực hiện chức năng theo dõi của hệ thống nhằm hai mục đích
chính là: (i) đánh giá được hoạt động của hệ thống (lượng nước tiêu thụ từng khu
tưới hoặc toàn hệ thống) và (ii) đưa ra các quyết định điều tiết nước (vận hành hệ
thống) nhằm đáp ứng nhu cầu nước tức thời của từng đối tượng sử dụng nước.
Hình 6.26: Vị trí kiến nghị bố trí các công trình đo nước
Bố trí công trình đo nước:
Để đạt được mục đích (i) thì công trình đo nước phải được bố trí tại ranh giới các
đơn vị quản lý và để đạt được mục đích (ii) thì tại các vị trí gần các công trình điều
306
tiết. Do đo đòi hỏi chi phí xây dựng và chi phí nhân công nhất định nên các nhà
quản lý cần bố trí mạng lưới công trình đo nước một cách tối ưu, dựa vào nhu cầu
quản lý và vận hành. Phương án tốt nhất là sử dụng được một công trình đo nước
vào hai mục đích.
Phân loại công trình đo nước:
Dựa vào loại hình công trình sử dụng làm công trình đo nước, ta có ba loại công
trình đo nước với những ưu nhược điểm như mô tả dưới đây:
- Đoạn kênh dẫn có sẵn.
- Công trình có sẵn như cống điều tiết, cầu máng, xi phông, đập tràn đỉnh ngắn,
đỉnh dốc nước
- Công trình chuyên dụng.
b) Một số công trình chuyên dụng đo lưu lượng
Các công trình chuyên dụng thường được áp dụng cho các hệ thống được hiện đại
hóa vì chúng cho kết quả với độ chính xác cao, đồng thời cách xác định lưu lượng
qua chúng dễ dàng hơn đối với người vận hành hệ thống. Nếu chúng được lắp đặt
thiết bị giám sát mực nước (trong hệ thống SCADA) thì việc xác định lưu lượng
càng dễ dàng hơn.
Máng đo dạng đập tràn đỉnh rộng (Replogde):
- Hình dạng kết cấu: Đây là dạng công trình đo nước cố định có hình thức là một
đập tràn đỉnh rộng. Mặt cắt ngang ngưỡng tràn thường có dạng hình thang (có thể
chọn là hình chữ nhật). Công trình thường được xây dựng bằng bê tông (có hoặc
không có cốt thép) và có kết cấu như hình 6.27.
Hình 6.27: Máng đo lưu lượng dạng Replogle
307
- Nguyên lý hoạt động: Dòng chảy qua tràn ở dạng chảy tự do và lưu lượng được
xác định thông qua các thông số hình học thiết kế và được lập thành quan hệ giữa
lưu lượng Q và cột nước trên đỉnh tràn mực nước.
- Điều kiện áp dụng: Thường được xây dựng ở đầu kênh và/hoặc tại các điểm rẽ
nhánh và ở cuối kênh để theo dõi nước thừa (hình 6.26). Do đặc điểm của dạng
máng đo này muốn đảm bảo chính xác lưu lượng đo thì dòng chảy qua tràn phải là
dạng chảy tự do. Điều kiện lý tưởng để xây dựng máng dạng này là cao trình đáy
kênh ở hạ lưu tràn thấp hơn đáy kênh ở thượng lưu tràn, khi đó dễ tạo được dạng
dòng chảy tự do qua tràn.
Thiết kế dạng máng đo lưu lượng này áp dụng như đối với đập tràn đỉnh rộng đã
được nêu trong các giáo trình Thủy lực hoặc các quy phạm về thiết kế công trình
thủy lợi hiện hành.
Máng đo lưu lượng kiểu ngưỡng tam giác (kiểu Crump):
Hình 6.28: Thiết kế máng đo lưu lượng ngưỡng tam giác tại kênh chính
- Hình thức kết cấu: Máng đo này có dạng đỉnh ngưỡng tràn có mặt cắt ngang
hình tam giác được thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 4360. Đây là loại công trình
308
đo lưu lượng được biết đến với tên là máng “Crump", được phát triển và áp dụng
rộng rãi ở Anh để đo lưu lượng trên kênh.
Ngưỡng tam giác của máng đo nước có độ dốc phía thượng lưu là 1:2 và phía hạ
là 1:5 (xem hình 6.28). Chiều dài dốc ở 2 phía có thể được cắt giảm để giảm tổng
chiều dài công trình.
- Điều kiện áp dụng: Khi vị trí dự kiến xây dựng tràn Crump có đáy kênh
thượng, hạ lưu gần bằng nhau và theo tính toán thủy lực cho độ tổn thất mực nước
tối đa qua tràn cho phép đảm bảo vận hành kênh theo thiết kế thì có thể áp dụng
loại công trình này.
Hình 6.29: Máng đo lưu lượng dạng Crump tại kênh chính
Để có độ chính xác, vị trí của tràn đo nước cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- Tràn phải đặt ở vị trí kênh thẳng, dòng chảy ổn định.
- Đập tràn phải đặt thẳng đứng và vuông góc với hướng dòng chảy.
- Đỉnh tràn phải nằm ngang để cột nước tràn không thay đổi dọc theo chiều dài
của đỉnh tràn.
- Đỉnh tràn phải cao hơn đáy kênh thượng lưu một khoảng ít nhất bằng hai lần lớp
nước trên đỉnh tràn (H).
- Chiều cao lớp nước tràn ở tràn đỉnh rộng không nên nhỏ hơn 5cm và không nên
lớn hơn 2/3 chiều rộng đỉnh tràn.
- Chiều cao từ hai đầu của ngưỡng tràn (đỉnh tràn) tới đỉnh bờ kênh phải lớn hơn
2 lần lớp nước trên đỉnh tràn.
- Thước đo mực nước (thủy trí) đặt về phía thượng lưu một khoảng bằng 4 lần lớp
nước tràn. Mức chuẩn "0" ở thước đo mực nước có cùng độ cao với đỉnh tràn.
c) Các thiết bị đo lưu lượng
Hiện nay thường sử dụng các máy đo lưu tốc để đo lưu lượng gián tiếp qua lưu
tốc dòng chảy.
309
Lưu tốc dòng chảy được xác định bằng máy đo, sau đó nhân với diện tích mặt cắt
ướt của mặt cắt đo để xác định ra lưu lượng chảy qua mặt cắt. Cách thức đo lưu
lượng bằng lưu tốc kế đã được trình bày trong giáo trình ngành Thủy văn nên ở
trong tài liệu này sẽ không nêu chi tiết.
Ngoài ra còn có thể sử dụng máy đo siêu âm (ADFM) để đo lưu lượng dòng chảy.
Nguyên lý hoạt động: Sử dụng sóng siêu âm để xác định lưu lượng qua một mặt
cắt nhất định.
Điều kiện áp dụng:
- Khi không có đủ đầu nước để đặt máng (thường yêu cầu tối thiểu là 0,3m).
- Ở nơi kênh không thể đóng nước được để xây dựng máng đo.
- Ở con kênh quá rộng và kinh phí để xây dựng máng có thể quá lớn.
Vận hành: Thiết bị được kết nối với thiết bị hiển thị và lưu trữ số liệu (máy
tính) và được sử dụng theo yêu cầu của người vận hành.
Hình 6.30: Thiết bị đo lưu lượng bằng siêu âm (ADFM) đặt ở đáy kênh
6.3.3.4. Công trình thiết bị đo mực nước
Thủy chí (hình 6.31) là dạng công trình đơn giản để đọc mực nước trực tiếp
thường được áp dụng ở các công trình thủy lợi hiện nay. Cao độ trên thủy chí phải
thống nhất trong một hệ thống.
Trong chương trình hiện đại hóa tưới, việc áp dụng SCADA đã trở nên phổ biến
và việc sử dụng thiết bị hiện đại vào việc quan trắc, giám sát và thu thập số liệu về
mực nước (hoặc cả lưu lượng) đã được nhiều nhà quản lý các hệ thống tưới áp dụng.
Trong hình 6.32 là thiết bị giám sát mực nước bằng đầu đo siêu âm được lắp đặt
trên kênh chính. Trong hình 6.33 là các sensors đo mực nước bằng siêu âm được lắp
đặt trên mô hình vật lý dùng cho hệ thống SCADA.
310
Hình 6.31: Theo dõi
mực nước bằng thủy chí
Hình 6.32: Giám sát mực nước
bằng đầu đo siêu âm
Hình 6.33: Xác định mực nước bằng đầu đo siêu âm (sử dụng trong hệ thống SCADA)
Sơ đồ cơ bản của một hệ thống kênh được HĐH được biểu thị ở hình sau:
Hình 6.34: Các công trình chính trên hệ thống kênh tưới được hiện đại hóa
311
6.4. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÓ GIÁM SÁT VÀ THU THẬP
SỐ LIỆU (SCADA) TRONG HỆ THỐNG TƯỚI
6.4.1. Giới thiệu chung và ứng dụng SCADA trong quản lý hệ thống tưới
6.4.1.1. Giới thiệu chung về SCADA
SCADA là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Supervisory Control and Data
Acquisition (Điều khiển có giám sát và thu thập số liệu). SCADA thường được hiểu
là các hệ thống với các trang thiết bị hiện đại được sử dụng để giám sát và điều
khiển các quy trình công nghiệp, cơ sở hạ tầng hay sản xuất. Ví dụ như: sản xuất lắp
ráp ôtô, sản xuất và phân phối điện, quá trình chế biến thực phẩm, điều khiển các tòa
nhà (thang máy, cổng ra vào), điều khiển hệ thống cung cấp nước, xử lý nước thải,
mạng lưới đường ống dẫn dầu,
Như vậy, SCADA là một khái niệm rất rộng trong công nghiệp, nó không phải là
một hay một nhóm công nghệ hay thiết bị cụ thể nào. Có những trường hợp người ta
vẫn gọi là SCADA cho dù hệ thống đó chỉ có chức năng thu thập số liệu đơn thuần
(không có điều khiển).
6.4.1.2. Ứng dụng SCADA trong quản lý hệ thống tưới
Trong quản lý hệ thống tưới, SCADA được ứng dụng cho những việc sau:
- Phục vụ cho vận hành hệ thống tưới: Theo dõi mực nước, độ mở cống, lưu
lượng, độ mặn Ngoài ra còn có thể tích hợp các máy theo dõi thời tiết, theo dõi an
toàn đập vào trong cùng hệ thống.
- Điều khiển công trình (vận hành cống điều tiết, cống lấy nước, trạm bơm);
- Cảnh báo mực nước tại hồ chứa, đập: Mức cao hơn là hệ thống cảnh báo sớm
phục vụ cho ứng phó với thiên tai;
- Vận hành tự động: Vận hành tự động là cấp cao nhất của SCADA trong quản lý
hệ thống tưới.
Các phần sau đây của chương này được viết cho SCADA ứng dụng trong quản
lý hệ thống tưới. Do đó, các công nghệ, thiết bị, quy trình đều được gắn liền với
quản lý hệ thống tưới mà không phải là cho tất cả ứng dụng rộng rãi của SCADA
nêu trên [21].
6.4.1.3. Vai trò và lợi ích SCADA trong hiện đại hóa hệ thống tưới
Hệ thống hệ thống tưới có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ cho các đối tượng dùng
nước sao cho đảm bảo:
- Công bằng.
- Tin cậy.
312
- Linh hoạt (theo yêu cầu).
Hệ thống SCADA hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu nói trên về cung
cấp dịch vụ...
SCADA có các chức năng chủ yếu sau đây:
- Thu nhận dữ liệu từ các thiết bị vi xử lý, cảm biến và webcam,
- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý.
- Đưa ra các cảnh báo, báo động và thông tin cần thiết cho người quản lý để ra
các quyết định quản lý, khai thác và vận hành.
- Nhận và xử lý các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị
giám sát, điều khiển
Hệ thống SCADA có những ưu điểm nổi bật như sau:
- Cung cấp số liệu theo thời gian thực;
- Có thể hiểu rõ các quy trình;
- Khả năng quản lý nguồn lực hiệu quả;
- Quản lý tối ưu các nguồn năng lượng;
- Giảm được nhiều nhân lực;
- Dễ dàng hiển thị các kết quả bằng đồ họa;
- Có thể điều khiển, lưu trữ dữ liệu tập trung (hoặc phân tán);
- Cảnh báo, dự báo và báo động từ xa;
- Cho phép lập các báo cáo thống kê, phân tích
6.4.2. Các mức độ hiện đại của SCADA cho các hệ thống tưới
SCADA không đồng nghĩa với một công cụ toàn năng, hỗ trợ mọi hoạt động của
công tác vận hành hệ thống mà có thể được chia ra nhiều mức độ hiện đại từ cấp
thấp đến cao như sau:
Mức 1: Phụ trách thu thập thông tin từ các sensor, rơle, chuyển mạch Những
thông tin này cung cấp cho người quản lý thông tin tổng quan về trạng thái hệ thống;
Mức 2: Cài đặt các trạm đo đạc và truyền tin để các số liệu thu thập sẽ được
truyền tới người vận hành. Các thông tin cũng được lưu trữ, sẵn sàng cho việc xử lý;
Mức 3: Chức năng như mức 2 cộng thêm với hỗ trợ liên lạc cho vận hành;
Mức 4: Tại mức này, chức năng điều khiển được đưa vào;
Mức 5: Tại mức này, SCADA là một hệ thống hỗ trợ ra quyết định hoàn thiện
gồm cả việc tối ưu hóa, tự động hóa và vận hành tin cậy.
313
Việc ứng dụng SCADA ở mức độ nào là tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng
hệ thống cũng như khả năng và hiệu quả đầu tư.
6.4.3. Cấu trúc của một hệ thống SCADA
6.4.3.1. Cấu trúc
Hình 6.35: Ba thành phần của hệ thống SCADA
Hình 6.35 trình bày hệ thống SCADA bao gồm ba thành phần chính sau: (1) Các
trạm làm việc; (2) Hệ thống truyền tin; (3) Trung tâm điều khiển.
Hình 6.36: Phân bố các trạm SCADA trong không gian
314
Trong hình 6.36 cho thấy các hệ thống SCADA bố trí trong không gian: một
trung tâm điều khiển và nhiều trạm làm việc (cách xa nhau). Như vậy có thể thấy
mạng truyền tin bao gồm các thiết bị được bố trí ở trung tâm và tất cả các trạm.
Mạng truyền tin đóng vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc của hệ thống
SCADA và đảm bảo độ tin cậy, độ nhanh nhạy của hệ thống.
6.4.3.2. Trạm làm việc
Các trạm làm việc thường được lắp đặt tại các công trình như trạm bơm, cống,
điều tiết nhằm thực hiện các chức năng của hệ thống đối với trạm đó (đo mực
nước, đo lưu lượng, vận hành cống, vận hành trạm bơm). Do đó, tùy thuộc vào
tính chất của công trình được lắp đặt mà chức năng và các thiết bị bên trong các
trạm làm việc khác nhau có thể giống hoặc khác nhau. Các thiết bị chính của một
trạm làm việc bao gồm:
- Bộ điều khiển định tuyến từ xa (Remote Terminal Unit): Có chức năng là trung
tâm kết nối tất cả các thiết bị, thu nhận thông tin và chuyển phát thông tin bên trong
cũng như vào/ra trạm;
- Các sensor đo đạc: Là các thiết bị thực hiện việc đo đạc các thông số cần thiết
như mực nước, độ mở cống, độ mặn;
- Thiết bị đo lưu lượng: Thực tế thì lưu lượng không được đo trực tiếp mà có hai
cách gián tiếp phổ biến dùng để đo lưu lượng trong kênh hở đó là: (1) đo lưu tốc của
nước chảy qua một mặt cắt nhất định cùng với diện tích mặt cắt đó rồi tính ra lưu
lượng và (2) cho nước chảy qua công trình đo lưu lượng được thiết kế trước sau đó
đo các mực nước và tính ra được lưu lượng. Tùy thuộc vào điều kiện thực tế của
từng đoạn kênh mà lựa chọn hình thức đo lưu lượng phù hợp. Trong các phần sau sẽ
nêu rõ hơn về cách lựa chọn;
- Thiết bị đóng mở cống: Bao gồm máy đóng mở, động cơ, sensor đo độ mở và
bảng điều khiển. Bảng điều khiển có thể chỉ đơn giản bao gồm 3 nút bấm (lên,
xuống, dừng) hoặc bảng điều khiển với đầy đủ phím số và màn hình để người vận
hành nhập độ mở và RTU sẽ tính toán điều khiển cống đến đúng vị trí yêu cầu. Với
các hệ thống có chức năng điều khiển từ xa, người vận hành có thể thực hiện lệnh
đóng mở cống từ trung tâm điều khiển hoặc sử dụng máy tính có nối mạng để kết
nối với máy chủ ở trung tâm điều khiển và thực hiện việc đó từ bất kỳ đâu;
- Thiết bị truyền tin để giao tiếp với trung tâm điều khiển, tùy theo loại mạng lưới
thông tin liên lạc mà thiết bị truyền tin có thể hoàn toàn khác nhau. Ví dụ nếu mạng
lưới truyền tin là hữu tuyến (cáp quang) thì các thiết bị truyền tin có thể bao gồm
cáp quang, bộ chuyển đổi tín hiệu quang - analog và modem.
315
- Thiết bị cấp nguồn: Hệ thống SCADA không thể hoạt động nếu thiếu điện, do
đó việc cấp điện cho các trạm cần được tính tới khi thiết kế. Tùy thuộc vào chức
năng của trạm mà nguồn điện và công suất cấp cho trạm có thể khác nhau. Với hệ
thống có điều khiển, yêu cầu sử dụng các động cơ thì nguồn điện lưới và máy phát
dự phòng là cần thiết. Nếu trạm chỉ có chức năng đo đạc thì nguồn điện có thể chỉ là
pin mặt trời hoặc ắc quy.
- Tủ thiết bị: Thông thường các thiết bị như RTU, modem, bộ chống sét sẽ được
đặt gọn trong một tủ gọi là tủ thiết bị. Tủ này cũng có thể bao gồm thiết bị hiển thị các
thông tin đo đạc được tại trạm và bàn phím hỗ trợ điều khiển (gọi chung là HMI).
- Các công trình và thiết bị phụ trợ: Ngoài các thiết bị chính ở trên, thì các trạm
SCADA còn phải có các thiết bị phụ trợ như bộ chống sét, công trình bảo vệ sensor
Hình 6.37 cho thấy các thiết bị trong một trạm SCADA có đo đạc - điều khiển.
Hình 6.37: Các thiết bị và bố trí thiết bị trong một trạm SCADA
6.4.3.3. Hệ thống truyền tin
Hệ thống truyền tin được sử dụng cho việc trao đổi thông tin giữa các trạm làm
việc và trung tâm điều khiển. Có nhiều loại công nghệ truyền tin như GSM, điện
316
thoại, radio, cáp quang và các thiết bị truyền tin ứng với mỗi công nghệ thường là
khác nhau. Tuy nhiên, các thiết bị sau đây là phần cơ bản của mỗi hệ thống truyền tin:
- Modem: Là thiết bị có nhiệm vụ kết nối và chuyển đổi tín hiệu đến và đi ra
khỏi trạm.
- Ăng ten hoặc cáp nối.
6.4.3.4. Trung tâm điều khiển
Các trạm làm việc truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển thông qua mạng truyền
tin. Trung tâm điều khiển là nơi mà dữ liệu từ các trạm làm việc được thu nhận, xử
lý, lưu trữ và chuyển đến các nơi khác nếu cần thiết. Người điều hành do đó có thể
theo dõi những tham số đã đặt, điều khiển các trạm và hỗ trợ quản lý hệ thống hiệu
quả hơn. Trung tâm điều khiển bao gồm:
(1) MTU hay máy chủ SCADA để xử lý dữ liệu, điều khiển các trạm làm việc;
(2) Các máy tính;
(3) Các máy in để in ấn các bảng biểu thông tin hệ thống;
(4) Thiết bị truyền tin radio (tùy thuộc vào loại mạng truyền tin);
(5) Các thiết bị phụ trợ.
6.4.4. Các nguyên tắc làm việc
Như đã nêu ở trên, hệ thống SCADA có các chức năng chính, bao gồm giám sát,
điều khiển và thu thập số liệu. Dưới đây là các nguyên tắc làm việc nhằm đáp ứng
các chức năng này.
6.4.4.1. Giám sát
Các RTU liên tục quét tín hiệu do trung tâm điều khiển yêu cầu các trạm làm việc
thu thập thông tin theo một tần suất nhất định. Trạm làm việc sẽ tự động gửi các
thông tin về trung tâm điều khiển khi có tình hình đặc biệt hoặc tại bất kỳ thời điểm
nào, người vận hành có thể ra lệnh cho trung tâm điều khiển yêu cầu một số hoặc
toàn bộ các trạm làm việc thu thập các thông tin hiện thời của hệ thống tưới.
6.4.4.2. Điều khiển
Việc điều khiển các cánh cống hay trạm bơm có thể được thực hiện từ trung tâm
hoặc tại trạm. Lệnh điều khiển từ trung tâm sẽ được thực hiện thông qua phần mềm
quản lý hệ thống SCADA. Tại trạm làm việc, việc vận hành được thực hiện từ bảng
điều khiển sau khi trạm được cài đặt sang chế độ làm việc “điều khiển tại chỗ”.
Các thông số phục vụ cho vận hành (mực nước, độ mở cống, v.v) được thu
thập trên hệ thống thông qua các trạm làm việc được chuyển tới trung tâm điều
317
khiển thông qua mạng truyền tin. Tại trung tâm điều khiển, các thông số này được
trình bày, xử lý và lưu trữ trên máy tính giám sát và người quản lý sẽ đưa ra quyết
định cho vận hành các công trình (cống điều tiết, cống lấy nước...), lệnh này sẽ
được đưa vào máy tính giám sát và sau đó chuyển đến trạm làm việc để thực hiện
thao tác vận hành theo yêu cầu. Trong trường hợp sử dụng phương thức “điều
khiển tại chỗ”, thay vì từ trung tâm điều khiển, bảng điều khiển sẽ được sử dụng để
gửi lệnh điều khiển.
6.4.4.3. Thu thập số liệu
Các số liệu về hệ thống mà chúng được đo theo thời gian, sẽ được lưu trữ trên
máy tính giám sát để giúp IMC theo dõi được tình hình hoạt động của hệ thống,
đánh giá tính hiệu quả của việc quản lý tưới và xác định được phương án vận hành
tốt nhất. Các số liệu này cũng được sử dụng làm cơ sở để tính toán mức thủy lợi phí
(cho cấp nước, nông nghiệp, v.v).
6.4.5. Các bước ứng dụng SCADA và các yêu cầu về vận hành và bảo dưỡng
hệ thống SCADA
6.4.5.1. Nguyên tắc và các bước quy hoạch, bố trí hệ thống SCADA
Nguyên tắc chung:
Quy hoạch bố trí hệ thống SCADA phải:
- Bắt đầu từ trung tâm điều khiển;
- Bố trí tập trung, theo tuyến;
- Đảm bảo truyền thông dễ dàng, liên tục;
- Triệt để lợi dụng các công trình, trang thiết bị sẵn có (văn phòng, nhà máy,
mạng máy tính, hệ thống điện thoại,...).
Nguyên tắc quy hoạch bố trí hệ thống SCADA:
(1) Trung tâm điều khiển nên bố trí trong khu vực văn phòng của Công ty QLKH
CTTL, ở nơi cao và gần cụm công trình đầu mối của hệ thống.
(2) Nếu hệ thống công trình thủy lợi phân bố trải dài (theo địa hình) thì có thể bố
trí trung tâm điều khiển tại một trạm quản lý công trình nào đó ở hoặc gần với trung
tâm hệ thống...
(3) Hệ thống truyền thông nên sử dụng mạng vô tuyến trải phổ rộng, nhất là đối
với các hệ thống thủy lợi có địa hình phức tạp, không bằng phẳng...
(4) Nếu hệ thống công trình thủy lợi ở miền núi, có địa hình cao thì nên quy
hoạch bố trí hệ thống cáp quang phục vụ công tác truyền thông tin.
318
(5) Với các hệ thống đã có mạng và dịch vụ điện thoại tốt thì có thể lắp đặt mạng
Ethernet LAN/WAN kết hợp.
(6) Những trạm giám sát điều khiển tại thực địa cần được bố trí trong phạm vi
văn phòng hoặc gần văn phòng làm việc của các xí nghiệp, trạm, cụm quản lý công
trình thủy lợi.
(7) Mỗi trạm giám sát điều khiển tại thực địa cần đảm nhận một số hoặc nhiều
công trình ở gần nhau.
(8) Với các hệ thống công trình thủy lợi có tuyến kênh chính kéo dài trên 25 30km
nên bố trí 1 trạm giám sát điều khiển có khả năng khống chế cho phần kênh từ 25
30km trở đi,...
(9) Các cảm biến và thiết bị đo,... nên được bố trí ở nơi có điều kiện môi trường
tốt, an toàn và dễ quản lý, dễ duy tu bảo dưỡng,...
(10) Vị trí bố trí các trạm giám sát điều khiển và các thiết bị đầu cuối (cảm biến,
thiết bị đo,) phải tiện lợi cho việc giao thông đi lại, vận chuyển trang thiết bị và
thi công, lắp đặt
6.4.5.2. Nguyên tắc và các bước thiết kế hệ thống SCADA
Nguyên tắc chung để thiết kế thống SCADA:
- Bắt đầu từ các trạm cảm biến, đo đạc, sau đó mới đến các trạm giám sát - điều
khiển...
- Tính toán xác định các biến giám sát và điều khiển (Tags) trước khi thiết lập cấu
hình thiết bị và mạng truyền thông.
- Cấu trúc và phần mềm cơ sở dữ liệu phải được nghiên cứu thiết kế ngay từ
đầu
- Thiết kế, xây dựng phần mềm ứng dụng rồi mới thiết kế, xây dựng phần mềm
hệ thống và phần mềm SCADA.
- Thiết kế và thiết lập cấu hình cho hệ thống truyền thông cần phải được tiến hành
đồng thời với thiết kế phần mềm SCADA
6.4.5.3. Nguyên tắc lựa chọn thiết bị SCADA
Lựa chọn thiết bị cảm biến:
- Loại thiết bị và hãng, công ty cung cấp: Tùy theo yêu cầu về độ chính xác và độ
nhạy cần thiết có thể chọn thiết bị cảm biến có độ chính xác cao của Allen Bradley,
National Instrument, Loại cảm biến siêu âm thường được dùng trong các hệ thống
SCADA cho ngành Thủy lợi.
319
- Phạm vi và dải đo: Cần căn cứ theo khoảng dao động của yếu tố cần đo (mực
nước, lưu lượng, độ mở,).
Lựa chọn và thiết kế phần mềm cho thiết bị điều khiển:
- Loại thiết bị và hãng, công ty cung cấp: Căn cứ theo yêu cầu về giám sát và điều
khiển, về truyền thông tin để chọn thiết bị điều khiển logic khả trình PLC, RTU của
hãng Allen Bradley, National Instrument, Siemens, Omron, Loại thiết bị điều
khiển được dùng trong các hệ thống SCADA cho ngành Thủy lợi là PLC của hãng
Omron - Nhật Bản và MOSCAD RTU của hãng Motorola,...
- Tính toán xác định số lượng đầu vào và đầu ra cần thiết trên cơ sở số các Tags
giám sát và điều khiển.
Thiết kế phần mềm SCADA - Giao diện người - máy (HMI):
Có thể lập trình bằng Bộ công cụ lập trình Visual Studio.NET, nhưng cũng có thể
cân nhắc mua các phần mềm chuyên nghiệp SCADA của các hãng: Wonderware,
National Instrument
6.4.5.4. Các yêu cầu về vận hành và bảo dưỡng hệ thống SCADA
- Vận hành hệ thống SCADA phải thực hiện theo đúng các quy trình vận hành và
bảo trì do nhà thầu cung cấp trang thiết bị SCADA đã lập.
- Bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ máy chủ, máy cơ sở dữ liệu, máy in, tại
trung tâm điều khiển.
- Làm vệ sinh sạch sẽ và tra dầu mỡ trang thiết bị, công trình của các trạm
SCADA (các thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, sensor đo mực nước và độ ẩm
cũng như các sensor đo độ mở cửa van, các công trình thước đo nước,...).
- Duy tu bảo dưỡng thường xuyên các trang thiết bị truyền thông tin.
- Hầu hết các trường hợp bảo trì trên thuộc loại bảo dưỡng định kỳ trong thời gian
vận hành bình thường sẽ do các nhân viên trạm quản lý thực hiện.
- Đối với những hư hỏng của các trang thiết bị đặc biệt cần gọi đến các chuyên
gia và nhà cung cấp dịch vụ hoặc các nhà thầu SCADA,
- Công ty xây dựng và duy trì một trạm sửa chữa nhỏ các trang thiết bị SCADA.
Mua sẵn những trang thiết bị SCADA dự phòng
6.4.5.5. Nâng cao năng lực về vận hành hệ thống SCADA
Thực tế cho thấy có khá nhiều hệ thống SCADA đã được xây dựng, lắp đặt
nhưng hiệu quả sử dụng chưa cao, thậm chí một số hệ thống SCADA không được
đưa vào khai thác, sử dụng. Vì vậy, để nâng cao năng lực quản lý vận hành các hệ
320
thống SCADA trước hết cần phải tuân theo các nguyên tắc của SCADA đã nêu
trong mục 6.4.4. Đồng thời cần chú ý đến các công tác sau đây:
- Tổ chức bồi dưỡng kiến thức và kỹ năng chuyên sâu cho đội ngũ cán bộ, nhân
viên vận hành, quản lý hệ thống SCADA.
- Tuyệt đối tuân thủ các quy trình quản lý, vận hành và duy tu bảo dưỡng các hệ
thống SCADA. Cần phải ghi chép nhật ký vận hành và bảo dưỡng hệ thống SCADA.
- Thường xuyên mở các lớp tập huấn để cập nhật và nâng cao kiến thức về
SCADA hướng theo tiếp cận Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
- Tổ chức cho đội ngũ cán bộ, nhân viên vận hành, quản lý hệ thống SCADA đến
tham quan, học tập tại thực địa các hệ thống SCADA điển hình, có hiệu quả cao
- Cần phân công một cán bộ lãnh đạo của công ty QLKTCTTL chuyên trách chỉ
đạo, kiểm tra việc thực hiện các quy trình thao tác vận hành hệ thống SCADA.
- Theo dõi, đánh giá hiệu quả của hệ thống SCADA theo cách tiếp cận hiện đại
hóa và chu trình đánh giá hiệu quả BenchMarking nhằm sử dụng bền vững và phát
triển hệ thống SCADA.
- Cần có các cán bộ kỹ thuật nắm chắc những kiến thức về tự động hóa và xu
hướng phát triển của Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và IoT. Đặc biệt chú trọng
đến việc ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) nằm mở rộng, nâng
cấp các hệ thống SCADA hiện có:
+ Công nghệ điện toán đám mây và máy chủ ảo (VPS).
+ Công nghệ Websockets, các module Ethernet/WIFI/GSM/GPRS/ và Arduino
boards, cảm biến WIFI,
321
TÀI LIỆU KHAM KHẢO
[1]. Nguyễn Trọng Sinh. "Cân bằng bảo vệ và sử dụng có hiệu quả nguồn nước quốc
gia", Báo cáo khoa học tổng kết chương trình cấp nhà nước KC12, 1996.
[2]. Donald A. Wilhite & Michael H. Glantz. "Understanding: the Drought
Phenomenon: The Role of Definitions", Water International, vol. 10(3), pp. 111-
120, 1985.
[3]. D.A. Wilhite. "Drought as a natural hazard: Concepts and definitions", in
Drought: A Global Assessment, London & New York, pp.3-18, 2000.
[4]. AMS. "Meteorological drought policy statement", Bulletin of American
Meteorological Society, vol. 78, pp. 847-849, 1997.
[5]. IPCC. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the
Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and
New York, NY, USA: Cambridge University Press, pp.996, 2007.
[6]. Nguyễn Văn Thắng. "Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo, cảnh báo hạn hán
cho Việt Nam với thời hạn đến 3 tháng", Trong Đề tài cấp Nhà nước
KC08.17/11-15, 2015.
[7]. FAO. "Cơ sở dữ liệu của FAO". Internet:
[8]. NXB Khoa học Trung Quốc. "Kỹ thuật mới về công trình tưới tiêu (Tiếng Trung)
tập 1 và 2", 1997.
[9]. Nguyễn Quang Đoàn. Nguyên lý thiết kế hệ thống tưới. Đà Nẵng: Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng, 1998.
[10]. Tống Đức Khang. Bài tập Thủy nông. Hà Nội: NXB Nông nghiệp, 1995.
[11]. Tống Đức Khang & Nguyễn Tuấn Anh. Một số biện pháp thủy lợi cho vùng đồi
núi. Hà Nội: NXB Nông nghiệp, 1996.
[12]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. TCVN 4118:2012 "Công trình thủy lợi
- hệ thống tưới tiêu - yêu cầu thiết kế", 2012.
[13]. Phạm Ngọc Hải. Giáo trình Quy hoạch và Thiết kế hệ thống thủy lợi. Hà Nội:
NXB Xây dựng, 2005.
[14]. Côtchiacôp. Giáo trình tưới. Matxcova: NXB Nga, 1990.
[15]. NXB Khoa học Trung Quốc. "Kỹ thuật tưới phun mưa (Tiếng Trung)", 1982.
322
[16]. NXB Khoa học Trung Quốc. "Kỹ thuật tưới nhỏ giọt (Tiếng Trung)", 1987.
[17]. Lê Sâm. Kỹ thuật tưới tiết kiệm nước. NXB Nông nghiệp, 2002.
[18]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. QCVN 04-05:2012 "Quy chuẩn kỹ
thuật quốc gia công trình thủy lợi - các quy định chủ yếu về thiết kế". 2012.
[19]. Tổng cục Thủy lợi. "Báo cáo tại Hội thảo Khởi động dự án: Hỗ trợ nâng cao
hiệu quả tưới thông qua triển khai chương trình định chuẩn", 2012.
[20]. Quốc hội Việt Nam. "Luật Thủy lợi", 2017.
[21]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. "Sổ tay hiện đại hóa hệ thống tưới",
2012.
[22]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Sổ tay Kỹ thuật Thủy lợi. NXB Nông
nghiệp, 2005.
323
GIÁO TRÌNH
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI, TIÊU
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trụ sở: Ngõ 17, Tạ Quang Bửu, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội
Điện thoại: 024.38684569; Fax: 024.38684570
Email:
Chịu trách nhiệm xuất bản
Giám đốc: TS. BÙI ĐỨC HÙNG
Biên tập: NGỤY THỊ LIỄU
ĐINH THỊ PHƯỢNG
Sửa bản in: NGUYỄN PHƯƠNG ANH
Thiết kế bìa: ĐINH XUÂN DŨNG
In 500 cuốn, khổ 19 27 cm, tại Công ty TNHH Bao bì Sao Phương Bắc, số 59 Phố
Mới, thị trấn Như Quỳnh, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên.
Số xuất bản: 5245-2019/CXBIPH/01-90/BKHN; ISBN: 978-604-9875-26-7.
Quyết định số: 296/QĐ-ĐHBK-BKHN ngày 27/12/2019.
In xong và nộp lưu chiểu Quý I năm 2020.
324
View publication stats
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giao_trinh_thiet_ke_he_thong_tuoi_tieu_phan_2.pdf