Âu thuyền là một khoang nước có cửa ở hai đầu, dùng để nâng hoặc hạ tàu thuyền giữa hai mực nước khác nhau: đóng cửa, bơm hoặc xả nước cho mực nước trong khoang bằng phía bên kia, rồi mở cửa cho tàu đi tiếp. Những cánh cửa âu, cửa cống này là những cánh cửa lớn nhất loài người từng làm, có cánh nặng hàng trăm tấn, giữ cả một dòng sông. Kênh đào Panama, hàng rào chắn triều sông Thames hay cống ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long đều dựa vào chúng.
Nguyên lý âu thuyền
Tưởng tượng một con sông có hai đoạn chênh nhau vài mét do có đập. Tàu không thể "leo" qua đập. Âu thuyền giải bài toán bằng một khoang trung gian:
- Tàu từ đoạn thấp đi vào khoang âu, mực nước khoang bằng đoạn thấp.
- Đóng cửa phía sau (cửa hạ lưu).
- Mở van cho nước từ đoạn cao chảy vào khoang, mực nước khoang dâng dần, tàu nổi lên theo.
- Khi mực nước khoang bằng đoạn cao, mở cửa phía trước (cửa thượng lưu), tàu đi ra.
- Đi chiều ngược lại thì làm ngược: xả nước khoang xuống cho bằng đoạn thấp.
Không cần máy bơm để nâng tàu: trọng lực làm hết. Nước từ chỗ cao chảy xuống chỗ thấp, và tàu nổi lên hay hạ xuống theo mực nước. Cái cần là những cánh cửa đủ chắc để giữ được chênh lệch mực nước, và đủ kín để không rò.
Từ Trung Hoa thời Tống đến Leonardo
Âu thuyền dạng hai cửa (pound lock) được ghi nhận sớm ở Trung Hoa. Nhiều tài liệu lịch sử kỹ thuật nhắc tới quan chức Kiều Duy Nhạc (Qiao Weiyue) cho xây dựng âu thuyền trên kênh đào Đại Vận Hà vào khoảng năm 984, đời Tống, để thay cho các đường trượt kéo thuyền vốn làm hư hỏng thuyền và hàng.
Ở châu Âu, âu thuyền phát triển mạnh từ thế kỷ 14–15 ở Hà Lan, Ý. Kiểu cửa hai cánh khép chéo hình chữ V hướng ngược dòng (miter gate, cửa kiểu "mũi tên") thường được gắn với tên Leonardo da Vinci, người được cho là đã thiết kế loại cửa này cho kênh đào ở Milano cuối thế kỷ 15. Điểm hay của cửa chữ V: áp lực nước từ phía cao ép hai cánh tì chặt vào nhau, càng chênh lệch càng kín, giống nguyên lý cửa nút trên máy bay.
Kênh đào Panama: những cánh cửa khổng lồ
Kênh đào Panama, khánh thành năm 1914, nối Đại Tây Dương với Thái Bình Dương. Tàu được nâng qua ba bậc âu lên hồ Gatún nằm cao khoảng 26 mét trên mực nước biển, đi qua hồ, rồi hạ xuống ở phía bên kia.
| Âu cũ (1914) | Âu mới (2016) | |
|---|---|---|
| Kiểu cửa | Cửa hai cánh chữ V (miter gate) | Cửa trượt ngang (rolling gate) chạy vào hốc bên |
| Kích thước khoang | Rộng khoảng 33,5 m, dài khoảng 320 m | Rộng khoảng 55 m, dài khoảng 427 m |
| Tiết kiệm nước | Không có bể tiết kiệm | Có bể tiết kiệm nước bên cạnh, tái sử dụng một phần nước mỗi lần |
Mỗi cánh cửa của âu cũ cao hàng chục mét, nặng hàng trăm tấn, nhưng vẫn được đóng mở bằng mô tơ điện nhỏ nhờ có khoang rỗng giúp cánh nổi một phần trong nước. Các con số cụ thể có thể tra trên trang của Cơ quan Kênh đào Panama.
Cửa chắn triều và chắn bão
Không chỉ để cho tàu đi, cửa cống lớn còn để giữ nước biển không tràn vào đất liền:
- Hàng rào chắn sông Thames (Thames Barrier) ở London, hoàn thành đầu thập niên 1980, gồm các cửa hình cung nằm dưới đáy sông. Bình thường cửa nằm phẳng cho tàu qua; khi có triều cường, cửa xoay lên chặn dòng.
- Maeslantkering ở Hà Lan, hoàn thành năm 1997, gồm hai cánh cửa khổng lồ nằm trong ụ hai bên bờ, khi có bão thì nổi ra, khép lại chắn lối vào cảng Rotterdam. Mỗi cánh tay đỡ dài tương đương một toà tháp lớn nằm ngang.
Cửa cống ở Việt Nam
Đồng bằng sông Cửu Long là nơi những cánh cửa cống quyết định mùa màng. Mùa khô, nước mặn từ biển theo các cửa sông vào sâu trong đất liền; cống ngăn mặn đóng lại để giữ nước ngọt. Mùa mưa, cống mở cho nước lũ thoát ra biển, cho tàu thuyền đi lại.
- Cống đập Ba Lai (hoàn thành năm 2002) chặn cửa sông Ba Lai ở Bến Tre để ngăn mặn, giữ ngọt.
- Hệ thống cống Cái Lớn – Cái Bé ở vùng Kiên Giang, đưa vào vận hành khoảng năm 2021–2022, là một trong những công trình thuỷ lợi lớn nhất đồng bằng, có cửa van lớn và âu thuyền cho tàu qua lại.
- Hàng nghìn cống nhỏ trên các kênh rạch, do địa phương và người dân vận hành theo lịch mặn ngọt.
Mỗi cánh cửa cống là một lựa chọn: đóng thì giữ ngọt cho lúa, cây ăn trái; mở thì cho nước lợ vào nuôi tôm, cho phù sa, cho tàu đi. Vận hành cống vì thế là bài toán kỹ thuật, kinh tế và xã hội cùng lúc.
Góc nhìn hôm nay
Âu thuyền và cửa cống là những cánh cửa "vô hình" với phần lớn chúng ta, vì nằm ở nơi ít người lui tới. Nhưng nguyên lý của chúng rất gần gũi: một khoang, hai cánh cửa, và kiên nhẫn chờ nước cân bằng. Nếu có dịp đi tàu qua một âu thuyền, hãy đứng trên boong nhìn mực nước dâng lên hay hạ xuống, bức tường âu như đang trôi qua mắt, cho tới khi cánh cửa phía trước từ từ mở ra một mặt nước mới.
Câu hỏi thường gặp
Âu thuyền là gì?
Âu thuyền là khoang nước có cửa ở hai đầu, dùng để nâng hoặc hạ tàu giữa hai mực nước khác nhau. Đóng cửa, cho nước vào hoặc xả ra để mực nước khoang bằng phía bên kia, rồi mở cửa cho tàu đi tiếp.
Kênh đào Panama nâng tàu thế nào?
Tàu được nâng qua ba bậc âu lên hồ Gatún cao khoảng 26 m trên mực nước biển, đi qua hồ rồi hạ xuống ở phía đại dương bên kia. Âu mới khánh thành năm 2016 dùng cửa trượt ngang và bể tiết kiệm nước.
Cửa âu kiểu chữ V hoạt động thế nào?
Hai cánh cửa khép chéo hình chữ V hướng ngược dòng; áp lực nước từ phía cao ép hai cánh tì chặt vào nhau, chênh lệch càng lớn cửa càng kín.
Cống ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long để làm gì?
Mùa khô cống đóng để ngăn nước mặn vào sâu, giữ ngọt cho cây trồng; mùa mưa cống mở cho lũ thoát và tàu thuyền đi lại. Cống đập Ba Lai và hệ thống Cái Lớn – Cái Bé là các công trình lớn.