Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 7 pdf

Chương 7 Hệ thống tiêu nước mặt ruộng Nhiệm vụ của hệ thống điều tiết nước mặt ruộng là phải rút lớp nước mặt trong thời gian mưa và hạ thấp mực nước ngầm sau thời gian mưa để tạo ra ch

Chương 7

Hệ thống tiêu nước mặt ruộng

Nhiệm vụ của hệ thống điều tiết nước mặt ruộng là phải rút lớp nước mặt trong thời gian mưa và hạ thấp mực nước ngầm sau thời gian mưa để tạo ra chế độ nước thích hợp cho cây trồng

Khả năng chịu ngập của các loại cây trồng rất khác nhau Đối với cây trồng cạn như bông, đậu khả năng chịu ngập rất kém Thực tế cho thấy rằng, nếu nước đọng lại trên ruộng bông dưới 10 cm trong 1 ngày thì năng suất bông sẽ giảm, nếu ngập 6 ữ 7 ngày thì bông sẽ chết Một số cây lương thực như ngô, khoai nước ngập 10 ữ15 cm không được để quá 2 ữ 3 ngày Thời gian chịu ngập có quan hệ với chất đất và điều kiện khí hậu Đối với loại đất nặng ở điều kiện nhiệt độ cao thì thời gian chịu ngập (cho phép) giảm Cây lúa có khả năng chịu ngập tốt hơn Khả năng chịu ngập của lúa lại thay đổi theo giai đoạn sinh trưởng Theo các tài liệu thí nghiệm thì biểu đồ mô tả quan hệ giữa số ngày ngập của lúa với tỷ lệ giảm năng suất

Tiêu nước mặt ruộng nhằm đáp

ứng các yêu cầu:

- Yêu cầu tiêu thoát độc tố trong

đất canh tác và tạo độ ẩm thích hợp

cho cây trồng phát triển Khi mực

nước ngầm quá cao sẽ làm cho cây

trồng phát triển kém, do ảnh hưởng

của muối độc và các chất độc không

được phân giải, do đó phải có biện

pháp hạ thấp mực nước ngầm, bảo

đảm độ ẩm thích hợp cho sự phát

triển bình thường của cây trồng

- Yêu cầu tiêu nước rửa mặn để

cải tạo đất mặn đối với vùng đất bị

nhiễm mặn, đồng thời phải chống

mặn tái sinh khi mực nước ngầm

dâng cao

Hình 7.1: ảnh hưởng của thời gian ngập nước

đối với năng suất lúa thời kỳ đẻ nhánh

- Yêu cầu canh tác nông nghiệp Cần phải tạo cho đất độ ẩm thích hợp để máy móc

làm đất hoạt động tốt, phải hạ và khống chế mực nước ngầm ở độ sâu thích hợp (thường phải cách mặt đất 0,5 ữ 0,6 m)

Hệ thống điều tiết nước mặt ruộng bao gồm hệ thống tiêu thoát nước mặt bằng kênh

hở và hệ thống tiêu thoát nước ngầm bằng kênh hở hoặc hệ thống ống ngầm

7.1 Hệ thống kênh tiêu nước mặt ruộng

Sau khi mưa, hệ thống kênh tiêu cần phải rút hết nước mưa trên mặt ruộng trong

khoảng thời gian ngập cho phép bảo đảm cho cây trồng tránh được thiệt hại do ngập úng

Việc tiêu nước trên mặt ruộng có quan hệ với việc trữ nước trên ruộng, quá trình hình thành

dòng chảy của nước mưa và khoảng cách giữa các kênh tiêu

Hệ thống tiêu nước mặt ruộng bao gồm hệ thống tiêu cho lúa và cho cây trồng cạn

Đối với hệ thống tiêu trên ruộng lúa đã kết hợp trình bày trong phương pháp tưới ngập cho

lúa (chương 6) vì vậy ở đây chỉ trình bày hệ thống tiêu nước mặt ruộng cho cây trồng cạn

7.1.1 Khả năng trữ nước mặt ruộng của cây trồng cạn

Dòng chảy sản sinh do mưa, một bộ phận bị chặn giữ trên hệ thống kênh tưới và công

trình mặt ruộng, từ đó sẽ giảm nhỏ được

cường độ tiêu nước và lượng nước tiêu ở mặt

ruộng Bản thân tầng đất của ruộng trồng

trọt có thể trữ lại lượng nước mưa do thấm,

khi lượng trữ ẩm tăng lên thì bổ sung vào

nước ngầm làm cho mực nước ngầm dâng

cao Tuy nhiên, cần phải hạn chế việc dâng

cao mực nước ngầm để đề phòng mực nước

ngầm có thể gây tác hại đối với cây trồng Hình 7.2: Tầng đất trữ nước

- Thời gian tiêu nước cho phép đối với đất màu:

trong đó:

t - thời gian mưa;

τ - thời gian rút nước sau mưa;

[T] - thời gian tiêu cho phép

- Khả năng trữ nước cho phép được xác định:

W = A.H.(βmax ư β0) + A.H1.(1 ư βmax) (7.2) trong đó:

W - lượng nước có thể trữ (m3) hoặc (m3/ha);

H - chiều dày tầng đất trên mực nước ngầm (m);

A - độ rỗng của đất (% thể tích đất);

β0 - độ ẩm ban đầu của đất (%A);

βmax - sức trữ nước tối đa của đất (%A);

H1 - độ dâng cao của mực nước ngầm cho phép do mao quản (m)

Từ đây ta có thể rút ra điều kiện khống chế về yêu cầu tiêu:

K0(t + τ)1 - α ≤ W

và:

1 1 0

Wt

KK1

=

Tình hình chung, khi lượng nước thấm của mưa vào tầng đất chứa nước vượt quá khả

năng trữ nước thì phải xây dựng hệ thống tiêu thoát lượng nước mưa quá nhiều tránh cho

cây trồng bị hại

7.1.2 Quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng cây trồng cạn

Để thấy rõ tác dụng của kênh tiêu và bố trí hợp lý hệ thống tiêu nước, ta sẽ phân tích

quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng

Trên ruộng trồng cây trồng cạn, khi mưa nếu cường độ mưa vượt quá tốc độ thấm của

đất thì sẽ hình thành dòng chảy Nếu đất có một độ dốc nhất định thì lớp nước sẽ vận

chuyển theo hướng dốc về kênh tập trung nước ở phía đầu khu ruộng, diện tích tập trung

nước bé do đó độ dày lớp nước sẽ bé theo sự gia tăng của diện tích tập trung nước, độ dày

lớp nước sẽ tăng lên, có nghĩa càng cách xa phía đầu ruộng thì độ dày lớp nước càng lớn

Khi độ dốc mặt đất và tình hình che phủ giống nhau thì thửa ruộng càng dài, độ sâu lớp

nước ngập phía cuối ruộng càng lớn Sau khi ngừng mưa, thời gian rút nước càng chậm và

thời gian chịu ngập càng lớn Như vậy sẽ bất lợi đối với cây trồng Để tránh ảnh hưởng

không tốt đối với cây trồng ta cần đào kênh tiêu rút ngắn chiều dài dòng chảy để có thể

giảm bớt độ sâu và thời gian chịu ngập bảo đảm độ sâu và thời gian trong phạm vi cho

phép Giá trị lớn nhỏ về khoảng cách giữa các kênh tiêu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu

ngập và thời gian ngập của cây trồng, có thể xem biểu đồ dưới đây

Hình 7.3: ảnh hưởng của kênh tiêu đối với quá trình hình thành dòng chảy

1 Đường quá trình tiêu trước khi đào kênh tiêu C;

2 Đường quá trình tiêu nước sau khi đào kênh tiêu C

Thí dụ trận mưa có tổng lượng 116 mm trong 4 giờ trên đất nặng và đất sét ở một vùng

cho ta quan hệ giữa khoảng cách kênh tiêu và thời gian ngập ở ruộng

Bảng 7.1 - Khoảng cách kênh tiêu và thời gian ngập

Khoảng cách giữa 2 kênh tiêu (m) 30 50 100 400

Thời gian ngập ở ruộng (ngày) 3 ữ 4 ngày 5 ữ 6 ngày 10 ữ 12 ngày 3 ữ 4 ngày

Từ phân tích trên việc xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu nhằm rút nước mưa với

tần suất thiết kế bảo đảm cho cây trồng phát triển bình thường

Đây là vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu giải quyết

7.2 Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu cấp cố định cuối

cùng trên ruộng của cây trồng cạn

Việc xác định khoảng cách này có thể thực hiện theo hai giả thiết: Giả thiết dòng ổn

định và không ổn định Trước tiên ta nghiên cứu giả thiết đơn giản là dòng ổn định

7.2.1 Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu theo dòng ổn định

1 Giả thiết tính toán

- Dòng chảy trên mặt đất là dòng đều, lưu tốc dòng chảy tính theo công thức Sezi

- Độ dốc và độ gồ ghề trên mặt đất là đồng nhất

- Chất đất đồng đều và hệ số ngấm là đồng nhất

- Cường độ mưa phân bố đồng đều trên diện tích nghiên cứu

2 Sơ đồ tính toán

Hình 7.4: Sơ đồ tính toán

3 Phương pháp tính toán

a) Xác định lưu tốc dòng chảy trên mặt đất

Lưu tốc dòng chảy trên mặt đất được xác định theo công thức:

Vì độ sâu lớp nước trên mặt ruộng là bé với chiều rộng thửa ruộng nên xem R = y và

b) Thiết lập phương trình cơ bản và xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu

Ta thiết lập phương trình liên tục giữa hai mặt cắt I - I và II - II

Lượng nước vào mặt cắt I - I và lượng mưa bổ sung trên chiều dài dx là: q + pdx

C

σ

Phương trình (7.11) là phương trình đường mặt nước trên ruộng trong thời gian mưa

Để thiết lập quan hệ giữa thời gian rút nước sau khi mưa với khoảng cách giữa hai

kênh tiêu ta phân tích thêm như sau:

- Lượng nước đọng lại trên một đơn vị chiều rộng ở ruộng khi kết thúc mưa được xác

định theo hệ thức:

3

ở đây là tính cho một đơn vị chiều rộng mặt ruộng

Lượng nước này sẽ được tháo đi qua mặt cắt cuối thửa ruộng (bờ trái kênh tiêu) và

ngấm trong quá trình di chuyển lớp nước về phía dưới

7.2.2 Xác định khoảng cách giữa 2 kênh tiêu theo dòng không ổn định

1 Giả thiết tính toán

- Cường độ mưa và tốc độ thấm phân bố đều trên toàn diện tích khu tưới

- Độ nhám và độ dốc địa hình của diện tích tiêu là đồng nhất

- Tốc độ dòng chảy tuân theo quy luật dòng đều

- Đường mặt nước thay đổi theo thời gian

2 Thiết lập phương trình cơ bản và giải

Phương trình cơ bản được thiết lập trên cơ sở phương trình liên tục khi dòng chảy

chuyển động qua hai mặt cắt I - I và II - II với chiều dài dx trong thời đoạn dt

Theo nguyên lý bảo toàn khối lượng ta có:

p - cường độ mưa rơi xuống trên

khu vực trong thời đoạn nghiên

cứu (mm/h);

K - cường độ thấm của đất (mm/h);

h - độ sâu lớp nước mặt ruộng trong

thời gian mưa (mm)

Để giải phương trình trên ta cần xác

định một số điều kiện quan hệ sau: Hình 7.6: Phần tử nghiên cứu cân bằng

a) Lưu tốc dòng chảy trên mặt ruộng được xác định bằng hệ thức tổng quát

c) Điều kiện ban đầu và điều kiện biên

- Điều kiện ban đầu: t = 0 ⇒ h = 0

- Điều kiện biên: t ≠ 0 ⇒ x 0 h 0

m 1 n

(p K).xh

3 Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu

a) Xác định lượng nước đọng lại trên ruộng khi ngừng mưa

2 m

1 m n

τ - thời gian rút nước sau khi ngừng mưa;

H - chiều sâu lớp nước trên ruộng ở bờ trái của kênh tiêu khi x = L, do đó theo (7.28)

thì:

1

m 1 n

(p K).LH

1

1 m n

Nếu L tính bằng m, C tính bằng 1/s, p và K là mm/h, τ là giờ (h) thì cần đưa vào hệ số

chuyển thứ nguyên là 3,6 do vậy:

7.3 Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu nước ngầm

Cấu trúc của hệ tiêu nước ngầm bao gồm chiều sâu, khoảng cách giữa hai kênh tiêu và

hình dạng, kích thước mặt cắt ngang của kênh tiêu hoặc ống tiêu

Việc tiêu thoát nước ngầm sau khi mưa nhằm hạ thấp mực nước ngầm xuống độ sâu

cần thiết theo yêu cầu phát triển nông nghiệp bằng hệ thống kênh hở hoặc ống tiêu ngầm là

điều rất trọng yếu

1 Chống hiện tượng lầy và chua của đất khi mực nước ngầm cao và hiện tượng mặn

λ - lượng không khí của đất (% thể tích đất);

A - độ rỗng của đất (% thể tích đất);

γk - dung trọng khô của đất (T/m3);

β - độ ẩm của đất tính theo %γk

3 Có tác dụng điều tiết nhiệt của đất

Khi độ ẩm của đất giảm làm cho nhiệt độ của đất sẽ tăng và ngược lại do tính chất hấp

thụ nhiệt của môi trường đất

4 Do thay đổi tỷ lệ không khí trong đất có thể làm thay đổi cấu trúc đất, tăng khả

năng trữ nước của đất (xem tài liệu thí nghiệm bảng 7.2)

Bảng 7.2 - ảnh hưởng của tiêu nước đến cấu trúc đất

Độ ẩm của đất (%)

Tiêu ngầm Thời kỳ

7.3.1 Xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo dòng ổn định

1 Hệ thống thoát nằm ngay trên lớp không thấm

a) Sơ đồ tính toán (hình 7.7)

Hình 7.7: Sơ đồ tính khi kênh tiêu (ống tiêu) nằm trên lớp không thấm

b) Giả thiết tính toán

- Môi trường đất thấm là đồng nhất và đẳng hướng, hệ số thấm K là không đổi

- Cường độ thấm p0 của nước mưa vào trong đất là phân bố đều và không đổi

- Lưu lượng rút vào kênh tiêu hay đường ống là không đổi trong thời gian nghiên cứu

- Nước đến chỉ là nước thấm do mưa từ trên mặt đất

- Dòng thấm tuân theo định luật Darcy

z - tiêu chuẩn cần tiêu (m), phụ thuộc loại đất và loại cây trồng;

H - độ cao lớn nhất của đường bão hoà tại trung tâm giữa hai ống tiêu

b) Giả thiết tính toán

- Giống các giả thiết ở

Lưu lượng chảy vào ống

thoát gồm 2 phần: Hình 7.8: Hệ thống thoát nằm cách xa tầng không thấm

- Lưu lượng chảy vào phần trên trục hoành (xem sơ đồ):

L

p ln 1d

K

pL

p

ln Ctg4K

=

d

L21lnp

KHL

π

=

dH2

L2lnp

KHL

1p

KHL

Trường hợp này giống như

trường hợp 2, lưu lượng rút vào

trong đó: α và β tính bằng Radian, α và β có thể tính:

L

H2

tgα≈α= và

L

T2

tgβ≈β=

Do đó phương trình cơ bản sẽ là:

dxx2

Lpdx

dyx)(

pdy)(K

2 L

2 d 0 H

=

1d

Llnp

)hH)(

Lln

)hH)(

)hT()HT(K4dL2L

0

2 0

0

)hT()HT(p

K2

Nếu bỏ qua h0 thì: H(H 2T)

p

K2L

K2L

α =

⎛ ⎞

⎜π ⎟

⎝ ⎠Theo Hammadơ (1962) thì:

π

=

Td

Ld

H2lnp

KHL

2

2 0

với

4

1T

4 Hệ thống thoát nằm rất gần lớp không thấm

a) Phương pháp 1

•Sơ đồ tính toán (hình 7.11)

• Giả thiết tính toán: Đường đẳng thế là những đường thẳng đứng song song với

Lx

hy0

Hình 7.11: Hệ thống thoát nằm rất gần lớp không thấm

2 d 0

0

dy)Ty(Kdxx2

Lp

Sau khi lấy tích phân và đơn giản đi (bỏ qua d) ta có:

K22

x'T2

Tương tự như vậy, nếu xem phần trên

trục Ox của vùng bão hoà như một tam

giác vuông thì:

yH2

Lx2

T

'

T = (3) Hình 7.12: Hệ thống thoát nằm rất gần

lớp không thấm

Ta có phương trình cân bằng:

dx

dy)'Ty(Kx2

Ty(Kx2

2 d 0

0

dyyH

TyKdxx2

Lp

Sau khi lấy tích phân và đơn giản đi (bỏ qua d) ta có:

0

2 0 2

p

H

T1)hH(K2L

Ta vẽ phóng phần tử nghiên cứu (hình 7.14) để thiết lập phương trình cơ bản

Ta có phương trình lượng dòng chảy trong thời đoạn dt trên đoạn dx:

dtdxt

Hdxdt

pdt)dxx

qq(

∂

∂μ

=+

t

HPx

+

∂

∂μ

q - lưu lượng đơn vị chiều dài của kênh tiêu

(m3/s-m);

μ - độ rỗng chưa bão hoà của đất

Theo định luật Darcy thì lưu lượng đơn vị

chiều rộng của mặt cắt bất kỳ:

x

HKHq

xx

HH

∂

∂

=μ

Đây là phương trình cơ bản của dòng chảy nước ngầm vào kênh tiêu

Đây là phương trình đạo hàm riêng dạng phi tuyến chỉ có thể giải bằng phương pháp

gần đúng hoặc phương pháp sai phân, không thể tích phân trực tiếp được

Khi sự thay đổi của mặt nước ngầm bé so với độ sâu của mực nước ngầm H Lúc này

ta thay H bằng giá trị H, do đó H trong phương trình (7.68) có thể đưa ra ngoài đạo hàm và

phương trình (7.68) biến đổi thành:

t

Hp

x

HH

∂

∂

=μ

hx

Hx

hbx

h

2 2

∂

∂

=+

∂

∂

(7.71) + Điều kiện ban đầu: t = 0 ⇒ h(x, 0) = 0

+ Điều kiện biên: t ≠ 0 ⇒

0)t0(h

Độ cao đường bão hoà tại trung tâm của hai kênh thoát (hoặc ống ngầm):

2

nsine

1an

Ln

b4t

2

Lh

t L a n 2

5 , 3 , 1 n

Hệ thức (7.72) sẽ được giải trên máy vi tính vì phải tính tổng nhiều số hạng Hệ thức

này có thể viết dưới dạng khác:

2

nsine

1n1

tLa

14t.bt,2

Lh

t L a n

5 , 3 , 1

2 3

Từ hệ thức (7.74), ta sẽ xây dựng biểu đồ quan hệ η( )t với t ở dạng không thứ nguyên với

giá trị bất kỳ Từ đó có thể suy ra cho các trường hợp cụ thể tuỳ ý mà không phải tính nhiều

Hình 7.16: Quan hệ giữa η( )t và t

Sơ đồ khối để lập chương trình tính toán cho hệ thức (7.74) như hình 7.17

2 Trường hợp kết thúc mưa, nghiên cứu quá trình hạ thấp mực nước ngầm

a) Phương trình cơ bản

Phương trình cơ bản trong trường hợp này khi đã tuyến tính hoá:

t

hx

h

2 2

Điều kiện ban đầu: t = 0 ⇒h(x, 0) = H1

Điều kiện biên: t ≠ 0⇒

0)t0(h

b) Nghiệm giải tích của phương trình (7.76) sẽ cho 3 trường hợp:

• Trường hợp 1: Mực nước ngầm ban đầu là đường nằm ngang, h0 = const

tL

KH46,41

1H

t2

Lh

2 1 1

μ+

H1 - độ cao đường bão hoà tại trung tâm hai đường thoát

Dựa vào hệ thức (7.77) ta sẽ xác định được quá trình hạ thấp mực nước ngầm sau khi

dừng mưa

Nếu giải theo phương pháp chuỗi thì:

2

n a t L 1

x40,x

n

1H

32t2

Lh

5 , 3 , 1 n

t L a n 3 3

1

2

ππ

( ) ( 3 2 2 2 4

4

1 L x 3L x 4Lx 2xb

H80,x

2

nsine

n

8nH

192t

,2

Lh

5 , 3 , 1 n

t L a n 5

2

3 1

ưπ

L

tKTtδ

= và

1H

h

h =

Các hệ thức trên đã được tính bằng máy tính điện tử, xây dựng thành bảng tra hoặc đồ

thị để tính cho đơn giản và nhanh(hình 7.18)

Hình 7.18: Quan hệ giữa h và t

1 - Theo hệ thức 7.78; 2 - Theo hệ thức 7.80; 3 - Theo hệ thức 7.82

Câu hỏi ôn tập:

1 Hãy phân tích mục đích ý nghĩa của tiêu nước mặt ruộng

2 Hãy trình bày nguyên lý tính toán xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu cấp cố

định cuối cùng trên ruộng trồng cây trồng cạn và các tài liệu cần có để áp dụng

tính toán

3 Hãy trình bày nguyên lý tính toán xác định khoảng cách giữa các ống tiêu ngầm

với tầng không thấm ở các vị trí khác nhau so với đáy ống tiêu theo giả thiết dòng

ổn định

4 Hãy trình bày cơ sở xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo giả thiết dòng

không ổn định và nêu các tài liệu cần thiết để áp dụng tính toán