Tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng

Tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng

⎯⎯⎯⎯ CƠ SỞ 2 ⎯⎯⎯⎯

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÍNH TOÁN TỐI ƯU NHU CẦU NƯỚC

CHO CÂY TRỒNG

GVHD : TS Dương Văn Viện

KS Đỗ Tiến Khoa

Sinh Viên : Triệu Ánh Ngọc

Nguyễn Thị Kim Oanh

Lê Minh Tuấn (B) Đặng Hữu Phượng

Mục lục

Mục lục 1

LỜI GIỚI THIỆU 3

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 4

NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 5

1.1 Sự cần thiết của đề tài 5

1.2 Mục tiêu của đề tài 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 5

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

CHƯƠNG 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7

2.1 Lý thuyết về lượng bốc hơi mặt ruộng 7

2.2 Các phương pháp tính lượng bốc hơi mặt ruộng 7

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng: 8

2.4 Các phương pháp tính lượng bốc hơi mặt ruộng: 9

2.4.1 Công thức Cốtchiacốp: 9

2.4.2 Công thức Ca-Pốp : 10

2.4.3 Công thức Sarol 10

2.4.4 Công thức Stoyko 11

2.4.5 Công thức Thornwthwaite (1948): 11

2.4.6 Công thức Blaney- Kriddler: 12

2.4.7 Công thức Penman-Monteith : 12

2.5 Tính toán lượng bốc hơi tiêu chuẩn 15

2.5.1 Cơ sở tính toán 15

2.5.2 Tính toán lượng bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn 15

2.6 Kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật các định lượng bốc thoát hơi mặt ruộng 16 2.6.1 Phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi mặt ruộng 16

2.6.2 Hệ số cây trồng Kc 16

2.6.3 Kết quả tính toán ETc thông qua hệ số Kc 17

2.7 Tính toán nhu cầu nước cho cây trồng 17

2.7.1 Xác định công thức tưới thích hợp cho cây trồng 17

2.7.2 Tính toán lượng mưa hữu ích 18

2.8 Tính toánh nhu cầu nước cho cây trồng: 18

2.8.1 Giới thiệu phần mềm Cropwat 4.3 18

2.8.2 Kết quả tính toán bằng phần mền Cropwat như sau: 27

2.9 So sánh kết luận, kiến nghị 30

CHƯƠNG 3 : KẾT LUẬN CHUNG 31

I Kết luận 31

II Một số vấn đề tồn tại và kiến nghị 31

PHỤ LỤC 32

LỜI GIỚI THIỆU

Đề tài: “Tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng” đề cập đến các kiến

thức trong lĩnh vực thuỷ nông- cải tạo đất đang được ứng dụng trong tính toán

xây dựng và quản lý khai thác công trình thuỷ lợi

Đề tài bao gồm các phần chính sau:

▪ Giới thiệu về đề tài

▪ Các phương pháp tính bốc hơi mặt ruộng

▪ Phân tích chọn hệ số cây trồng Kc

▪ Tính toán tối ưu nhu cầu nước

Mục đích của đề tài nhằm cung cấp cho các bạn sinh viên và những người

quan tâm các kiến thức cần thiết trong ngành thuỷ nông và có được phương

pháp tính toán hiệu quả trong việc xác định nhu cầu dùng nước cho cây trồng

Đề tài đã được xem xét, mô tả, phân tích theo các chỉ tiêu, chất lượng và các

phương pháp khác nhau trong tính toán lượng bốc hơi mặt ruộng và nhu cầu

dùng nước cho cây trồng

Đề tài đưa ra từ các phương pháp tính toán khác nhau Qua đó ta có thể hiểu

thêm về các cách tính toán kỹ thuật chuyên ngành trong lĩnh vực thuỷ nông phục

vụ cho quản lý, thiết kế các công trình thuỷ lợi

Hy vọng là đề tài này sẽ có ích cho các sinh viên và những người quan tâm

trong học tập, nghiên cứu khoa học và tính toán trong thuỷ lợi

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Khoa Học Công Nghệ, thầy cô, bạn bè

đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho chúng tôi hoàn thành đề tài này Do thời

gian ngắn, khuôn khổ chương trình hẹp, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế,

nên đề tài này chắc chắn còn nhiều sai sót Chúng tôi rất mong nhận được sự

chỉ bảo của thầy cô, ý kiến đóng góp xây dựng của các bạn sinh viên và những

người quan tâm để đề tài dần được hoàn thiện, phục vụ hữu ích hơn cho công

tác nghiên cứu và ứng dụng sau này

Các ý kiến đóng góp xin gửi về Lớp S4_43N Trường Đại Học Thuỷ Lợi-Cơ

sở 2

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1 Tên đề tài: “ Tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng”

2 Mục tiêu nghiên cứu khoa học

Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo, tăng khả năng ứng dụng các phần

mềm hiện đại phục vụ quá trình học tập trong trường cũng như sau khi tốt

nghiệp ra trường

3 Giáo viên hướng dẫn:

- TS Dương Văn Viện

- KS Đỗ Tiến Khoa

4 Sinh viên thực hiện:

- Triệu Ánh Ngọc

- Nguyễn Thị Kim Oanh

- Lê Minh Tuấn

- Đặng Hữu Phượng

Lớp S4_43N - Trường Đại Học Thuỷ Lợi – Cơ Sở II

5 Thời gian thực hiện: 3 tháng từ 04/02/06 đến 05/05/06

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Sự cần thiết của đề tài

Để tính toán chu cầu dùng nước cho cây trồng được chính xác và

hiệu quả thì ta quan tâm đến hai hệ số là lượng bốc hơi mặt ruộng và hệ số

cây trồng Kc

Hiện nay ở nước ta đã sử dụng rất nhiều công thức khác nhau để xác

định lượng bốc hơi mặt ruộng, nhưng chưa đề cập một cách chính xác

những mặt ưu nhược trong những điều kiện khí hậu cụ thể của các công

thức làm cho một số công thức tính toán không được phù hợp với thực tế

nước ta hiện nay Chính vì thế, chúng tôi đã thu tập phân tích các phương

pháp tính lượng bốc hơi mặt ruộng và hệ số cây trồng Kc nhằm tối ưu

trong tính toán nhu cầu nước cho cây trồng

1.2 Mục tiêu của đề tài

điều kiện cho sinh viên có cơ hội tiếp cận các vấn đề khoa học, biết vận

dụng, bổ sung, nâng cao các kiến thức đã được học trong nhà trường

dùng nước cho cây trồng ở nước ta nói chung và khu vực Dầu Tiếng nói

riêng

1.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

-Thu thập lý thuyết về tất cả các phương pháp xác định lượng bốc hơi

mặt ruộng và hệ số cây trồng Kc đang được sử dụng ở nước ta hiện nay

-So sánh, lựa chọn trong số các phương pháp đó một phương pháp

cho là tốt nhất, từ đó tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

-Trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu các

phương pháp tính toán lượng bốc hơi mặt ruộng và thu thập hệ số cây

trồng Kc đã sử dụng ở nước ta

- So sánh đối chiếu các phương pháp tính toán, nhận xét ưu nhược

điểm của từng phương pháp và chọn ra phương pháp tối ưu

- Tính toán tối ưu nhu cầu nước cho cây trồng và so sánh với kết quả

đã tính từ các phương pháp khác, qua đó rút ra kết luận

CHƯƠNG 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Lý thuyết về lượng bốc hơi mặt ruộng

Lượng bốc hơi mặt ruộng bao gồm lượng bốc hơi khoảng trống và lượng

nước do cây trồng hút lên (gồm có lượng nước tạo thành thân lá và lượng

bốc hơi mặt lá)

Trong đó lượng bốc hơi mặt lá chiếm phần lớn còn lượng nước để tạo

thành thân và lá thì chỉ chiếm khoảng 0,2% lượng nước mà cây hút lên

Trong thực tế, rất khó tách hai đại lượng trên ra riêng biệt vì bản chất của

hai hiện tượng có khác nhau, một bên mang bản chất vật lý còn bên kia

mang bản chất sinh lý Do đó trong thực tế người ta gộp hai đại lượng trên

thành một

Lượng bốc hơi khoảng trống chiếm 1 tỷ lệ lớn trong lượng bốc hơi lượng

bốc hơi măt ruộng và có liên quan chặt chẽ với lượng bốc hơi mặt lá

2.2 Các phương pháp tính lượng bốc hơi mặt ruộng

Lượng bốc thoát hơi nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố để có thể xác định

cần phải phân tích, xem xét từ đó chọn phương pháp hợp lý

Xem xét trên mặt ruộng:

- Lượng nước đi: + Bốc hơi mặt ruộng (khoảng trống và bốc hơi mặt nước)

- Lượng nước đến: + Mưa

Theo yêu cầu của cây trồng trong từng thời đoạn sinh trưởng

ĐẾN – ĐI > 0 Î THÁO ĐẾN – ĐI < 0 Î TƯỚI

Ở đây chỉ xét tưới Gọi m _ là lượng nước cần bổ xung cho 1 ha (mức

tưới m3/ha)

M =f (E,R,P)

E : bốc hơi mặt ruộng

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng:

Lượng bốc hơi mặt ruộng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí

hậu, loại cây trồng, mật độ gieo trồng, độ ẩm của đất( biện pháp và kỹ thuật

+ Nhân tố cây trồng, kĩ thuật:

+ Phương pháp và kỹ thuật tưới:

+ Nhân tố thổ nhưỡng và địa chất thủy văn

Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học nhằm xác định nhu

cầu nước của cây trồng dựa vào các mối quan hệ khác nhau như:

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và năng suất cây trồng

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và bốc hơi tự do

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và nhiệt độ không khí

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và nhiệt độ, độ ẩm không khí

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và nhiệt độ không khí, cường độ ánh

sáng

▪ Quan hệ bốc thoát hơi nước và nhiều yếu tố khí hậu tổng hợp

2.4 Các phương pháp tính lượng bốc hơi mặt ruộng:

Qua thí nghiệm của trường ĐHNN 1 HN thì việc dùng phương pháp này

Lúa nước ở Nga: K = 1270 ÷ 2030 m3 /T

Nhận xét :

- Ưu điểm : đơn giản, nêu được mối tương quan giữa lượng nước và sản

lượng cây trồng

- Nhược điểm : mức độ chính xác không cao vì hệ số K phụ thuộc nhiều

yếu tố, phạm vi biến thiên rộng

Do nhưng hạn chế trên, khi sử dụng công thức này cần có nhiều tài liệu

- Ưu điểm: phương pháp đơn giản, dễ xác định, tài liệu ET0 dễ thí nghiệm

được, các điều kiện phi khí hậu thay đổi ít, con người có thể khống chế

- Nhược điểm: ETc là nhân tố vừa có tính chất vật lý, tính chất sinh lý

Còng ET0 là hiện tượng hoàn toàn vật lý Do vậy mà cơ sở lý luận chưa

hợp lý Công thức chưa nói lên nước quan hệ giữa sản lượng và lượng

nước

kiện khí hậu và năng suất cây trồng

2.4.3 Công thức Sarol

E = e.Σt

với e : lượng nước cần cho 1oC

Σt : tổng tích trong thời kỳ sinh trưởng

2.4.4 Công thức Stoyko

100 1

, 0 ( t o a t

c− Σ

100 1 ( 1 ,

I = ∑=

=

12 1

n

i

in

in - Chỉ số nhiệt độ của năm tính toán

in = (t/5)1.514 Chỉ số nhiệt tháng tính toán với to bình quân tháng

(oC)

Kc - Hệ số cây trồng, phụ thuộc vào cây trồng và yếu tố khí hậu hệ

số phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình năm

a - Hệ số kinh nghiệm,được xác định như sau:

a = x3- x2+ 2x+0,5 khi I > 80

a = (1,6/100)I +0,5 khi I < 80

x = (8,8I/1000)

Nhận xét:

- Ưu điểm : Kết quả tính toán theo công thức này có xu hướng thiên bé

tiết kiệm được nước

- Nhược điểm: Công thức này không sử dụng được cho nhiều vùng, chỉ

phù hợp với vùng ẩm Vì kết quả thiên bé nên không đảm bảo an toàn

2.4.6 Công thức Blaney- Kriddler:

Công thức đã thiết lập được mối quan hệ giữa lượng bốc hơi mặt ruộng với

các yếu tố khí tượng chủ yếu là nhiệt độ, số giờ chiếu sáng trong ngày ,

với điều kiện cây trồng Đây là dạng công thức phổ biến, có độ tin cậy cao

T- nhiệt độ trung bình ngày ( oC ) của tháng được xem xét

P - tỷ lệ phần trăm số giờ chiếu sáng trung bình ngày của tháng so với

tổng số giờ chiếu sáng trong năm

C - hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ ẩm, số giờ chiếu sáng và điều

kiện gió ban ngày

Kc -hệ số cây trồng

Nhận xét :

- Ưu điểm : đã xét 2 yếu tố khí hậu là nhiệt độ và ánh sáng, công thức có

thể áp dụng tính toán cho 2 vùng ẩm và vùng khô hạn Công thức

Blaney - Kriddle đã được ứng dụng rộng rãi nhiều nước trên thế giới,

trong đó có các nước vùng Đông Nam Á tương tự như ở Việt Nam

- Nhược điểm : khó khăn trong việc xác định hệ số hiệu chỉnh, chưa đề

cập sâu vào các yếu tố khí hậu khác

2.4.7 Công thức Penman-Monteith :

ET o = C{W.R n +(1- W).f( ϕ)(e a – e d )} ; (mm/ngày)

Trong đó:

W: Hệ số có quan hệ với nhiệt độ và độ cao khu tưới, tra bảng (II-5)

Rn = Rns – Rnl Với Rns = Rs.Ra

Theo FAO α = 0,25

) 1 )(

5 , 0 25 ,

Ra: Tra bảng ( II – 9 ) quan hệ với vĩ độ và tháng

Rnl = f(t).f(ed).f(n/N)

f(t)- Hàm hiệu chỉnh về hiệu quả của nhiệt độ đối với bức xạ sóng dài

L

t L

T t

9 4

4 118 ( 273 ) 10

Giá trị của f(t) có thể tra theo bảng tính sẵn

f(n/N): Là hàm hiệu chỉnh về hiệu quả của giờ chiếu sáng của mặt trời thực

tế với giờ chiếu sáng max đối với bức xạ sóng dài , N tra theo bảng (II – 6)

v: Tốc độ gió trung bình ở độ cao 2 m ( m/s)

C: Hệ số hiệu chỉnh về sự bù trừ đối với tốc độ gió ban ngày và ban đêm

cũng như sự thay đổi bức xạ mặt trời, tra theo bảng ( II – 7 GTBTTN )

không khí và áp xuất hơi thực tế đo được

Theo kết quả nghiên cứu nhiều năm của các nhà khoa học trong nước và

trên thế giới đã khẳng định phương pháp Penman -Monteith xác định nhu

cầu nước của cây trồng dựa trên cơ sở mối quan hệ giữa bốc thoát hơi và

nhiều yếu tố khí hậu là cho kết quả phù hợp nhất Do vậy công thức được

sử dụng nhiều trên thế giới Đặc biệt là với Việt Nam nói chung và khu vực

hồ Dầu Tiếng nói riêng thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, biên độ nhiệt

thay đổi rất lớn giữa các mùa (Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối quan trắc được

nhất đạt 90%, vào mùa khô độ ẩm đạt 65%) Lượng bốc hơi phụ thuộc rất

lớn vào các yếu tố khí hậu Hơn nữa phương pháp này đã được nhiều nhà

nghiên cứu hiệu chỉnh cho phù hợp và tổ chức nông nghiệp và lương thực

thế giới (FAO) đã chọn phương pháp Penman-Monteith do Doorenbos và

Pruitt hiệu chỉnh

2.5 Tính toán lượng bốc hơi tiêu chuẩn

2.5.1 Cơ sở tính toán

Lượng bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn, theo định nghĩa của FAO, là

lượng bốc thoát hơi của loại cỏ có chiều cao 15 -20 cm, được cung cấp

nước hợp lý theo yêu cầu sinh trưởng Phương pháp của FAO là dựa vào

nhân ET0 với một hệ số cây trồng Kc cho từng loại cây cụ thể

Dựa vào các điều kiện khí hậu, như nhiệt độ không khí, độ ẩm không

khí; số giời nắng, kinh độ, vĩ độ và cao độ của trạm khí tượng, tốc độ gió…

để tính toán bốc thoát hơi nước tiểu chuẩn gọi tắt là ET0 (reference crop

evapotranspiration)

2.5.2 Tính toán lượng bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn

Dựa vào phương pháp trên, ta tính toán lượng bốc hơi tiêu chuẩn cho

vùng Dầu Tiếng Các số liệu về Dầu Tiếng được nêu ở Phụ lục

2.5.2.1 Tính toán theo phương pháp Blaney- Kriddler

Bảng 1 : Lượng bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn cùng Hồ Dầu Tiếng

2.5.2.2 Tính toán theo phương pháp Penman

Bảng 2 :Lượng bốc hơi nước tiêu chuẩn vùng Hồ Dầu Tiếng

Từ kết quả trên cho thấy tính toán theo phương pháp Penman cho ra kết

quả có tính chính xác cao hơn vì theo các tài liệu thí nghiệm đã thu thập

được thì phương pháp Penman cho sự sai số là nhỏ nhất (± 2,8% đến ±

10%)

Vì vậy, ta chọn công thức Penman của FAO để tính toán lượng bốc hơi

tiểu chuẩn là phù hợp hơn cả

2.6 Kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật các định lượng bốc thoát hơi

mặt ruộng

2.6.1 Phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi mặt ruộng

Hệ số cây trồng Kc thu được thông qua thực nghiệm nhiều năm do Viện

NCKHTLNB tiến hành Đã xác định được hệ số Kc cho lúa (1981 – 1989)

và một số cây trồng cạn chính (1986 – 1989) Hệ số Kc đã được kiểm

nghiệm cho thấy đủ độ tin cậy

Bảng 3 : Hệ số cây trồng Kc

Kc 1.41 1.46 1.15 1.15 0.87 0.86 1.17 0.9 1.02 1.24 0.85 1.04

2.6.3 Kết quả tính toán ET c thông qua hệ số Kc

Kết quả kiểm nghiệm hệ số Kc cho cây trồng cạn (cây Ngô) và tính toán

ETc như bảng sau:

2.7 Tính toán nhu cầu nước cho cây trồng

2.7.1 Xác định công thức tưới thích hợp cho cây trồng

Trong đề tài này chỉ quan tâm đến nhu cầu nước của cây trồng cạn

Dựa vào các kết quả nghiên cứu, thí nghiệm và thực nghiệm nhu cầu nước

của cây trồng ảnh hưởng của ngập nước đến năng suất cây trồng của Viện

NCKHTLNB đã xác định được công thức tưới thích hợp cho cây trồng Kết

quả được trình bày trong bảng sau:

Bảng 5: Công thức tưới thích hợp cho cây trồng cạn

Độ ẩm đất (%Bđr) Thời kỳ sinh trưởng

4 Trổ cờ – Phơi màu 30-60cm 60-90cm 60-90cm

2.7.2 Tính toán lượng mưa hữu ích

Lượng mưa hữu ích là lượng mưa có thể giữ lại được trong đất sau khi

mưa để cây trồng có thể sử dụng trong quá trình bốc thoát hơi, đây là một

yếu tố rất khó xác định vì nó cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đất đai,

địa hình, thảm thực vật… Tuy nhiên trong báo cáo này sau khi đã phân tích

cụ thể, công thức được chọn tính toán là công thức của tổ chức bảo vệ đất

của Mỹ đã được FAO kiểm nghiệm, công thức có dạng sau:

2.8 Tính toánh nhu cầu nước cho cây trồng:

Trong khuôn khổ đề tài này, việc tính toán nhu cầu nước cho cây trồng

được tiến hành đối với vùng hồ Dầu Tiếng Đồng thời dùng phần mềm

Cropwat 4.3 của FAO để tính toán

2.8.1 Giới thiệu phần mềm Cropwat 4.3

2.8.1.1 Giao diện người dùng và hệ thống trình đơn

CROPWAT cho màn ảnh trình đơn (thực đơn) chính Windows xuất hiện

như dưới đây: