Mô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị NguyênMô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện tưới nước Lê Thị Nguyên
Trang 1Mô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu
trong điều kiện tưới nước
Lê Thị Nguyên Trường ĐH Thủy lợi
Tóm tắt
Xác định mô hình hệ thống cây trồng tối ưu trong hệ thống thủy nông nhằm làm giảm
đến mức tối đa lượng nước tưới, đồng thời làm tăng tối đa hiệu quả kinh tế trên đơn vị diện tích canh tác là một vấn đề rất cần thiết và đang được sản xuất rất quan tâm
Mục tiêu của bài báo này là giới thiệu một mô hình phi tuyến cho phép sử dụng các nguồn tài nguyên sẵn có một cách hợp lý, đưa ra mô hình cây trồng thích hợp, phân bố trên diện tích canh tác sẽ cho lợi nhuận tối đa dựa vào các hàm quan hệ giữa năng suất cây trồng với nước Các yếu tố quyết định của hàm quan hệ là nước, đất đai, thổ nhưỡng, lao động, tiêu thụ sản phẩm trong hệ thống tưới
1 Đặt vấn đề
Nước có vai trò hết sức quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp Hiện nay với 3/4 lượng nước dành cho nông nghiệp và nhu cầu này ngày càng tăng Mặt khác, yêu cầu dùng nước trong các ngành kinh tế và trong sinh hoạt ngày cũng gia tăng Vì vậy, nguồn nước dành cho sản xuất nông nghiệp càng khan hiếm Do đó, việc sử dụng hợp lý nguồn nước đang trở nên rất cấp thiết
Như chúng ta biết trong lĩnh vực nghiên cứu quản lý nước trong nông nghiệp, mối quan hệ giữa năng suất cây trồng với nước chiếm vị trí hết sức quan trọng, là mấu chốt
để lựa chọn các phương pháp quản lý nước thích hợp nhất trong các hệ thống tưới Vấn
đề này được các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam xem là cơ sở về lý luận
và ứng dụng để phát triển các dự án nghiên cứu tưới
Nghiên cứu mối quan hệ giữa năng suất cây trồng với nước trong những điều kiện cụ thể sẽ tìm ra được phương pháp phân phối lượng nước tưới thích hợp nhất cho các giai
đoạn sinh trưởng, phát triển của cây trồng và cho các mô hình cây trồng khác nhau để thu được hiệu ích kinh tế lớn nhất của tưới Mặt khác, để sử dụng nước tưới hợp lý, cần phải lựa chọn các mô hình cây trồng bền vững về kinh tế cho những vùng sản xuất nhất
định và phù hợp với các nguồn tài nguyên hiện có
Đối với những vùng có nguồn nước hạn chế thì vấn đề nghiên cứu mô hình cây trồng tối ưu trong nông nghiệp được tưới rất được chú trọng Trung Quốc, ấn Độ chẳng hạn là những nước nông nghiệp chiếm vị trí to lớn trong nền kinh tế quốc dân Đất nước rộng
Trang 2lớn này có nhiều vùng khí hậu khác nhau, do đó việc nghiên cứu phát triển mô hình cây trồng tối ưu rất được quan tâm Nước ta cũng là một nước phát triển kinh tế dựa vào nông nghiệp là chính và cũng đang tiến hành mạnh mẽ cuộc cách mạng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật và chuyển giao công nghệ cho sản xuất Vì vậy, bài viết này xin
được giới thiệu một phương pháp thiết lập hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện có tưới với các nhà nghiên cứu quan tâm đến vấn đề này
2 Phương pháp luận
Các hàm quan hệ giữa sản lượng cây trồng với nước
Các hàm quan hệ giữa nước và sản lượng các cây trồng thường được xây dựng dựa trên những số liệu từ thí nghiệm trên đồng ruộng ở các loại đất, khí hậu, và điều kiện canh tác khác nhau Để nghiên cứu tác động tổng hợp của các yếu tố khí hậu đến sản lượng cây trồng, các quan hệ được dựa vào số liệu bốc thoát hơi nước thực tại và tiềm năng Để dễ dàng cho việc tham số hóa và cho kết quả số liệu không đồng nhất, sản lượng cây trồng và bốc thoát hơi nước được biểu thị dưới dạng tương đối so với sản lượng và bốc thoát hơi lớn nhất của cây trồng (Holzapfel và cộng tac 1985) Để có số liệu kết quả phù hợp nhất, số liệu được phân tích sử dụng hồi qui tuyến tính và phi tuyến
Các hàm quan hệ giữa nước và sản lượng cây trồng tuân theo luật năng suất giảm dần và được biểu thị dưới dạng đa thức sau (Holzapfel và cộng tác 1990):
b
td a
td
Trong đó:
ET : Bốc thoát hơi nước hiện tại (mm)
A ; B ; C ; a ; b : Các hệ số thực nghiệm
Hàm mục tiêu của hệ thống cây trồng được tưới
Trong điều kiện hạn chế về nước, diện tích đất và nhân công lao động để làm tăng lợi nhuận lớn nhất của khu tưới, hàm mục tiêu của mô hình phi tuyến như sau :
Trang 3
n i m j
ij ij ij ij
j DT NS CP DT G
F
Trong đó:
móclàm đất, thu hoạch, chi phí đột xuất (đ/ha),
Thay công thức 2 vào 3 ta có:
n
i
n i m j
ij ij b
ij a ij
ij ij m
j
ET
ET C ET
ET B A DT G
F
max max
max 1
Thay các chi phí vào công thức (4) ta được :
n
i
n i m j
ij ij ij b
ij a ij
ij ij m
j
ET
ET C ET
ET B A DT G
F
max max
max 1
max
n
i
m
j
n i m j
n i m j
ij ij ij
ij ij ij
DT
(5)
Trong đó: Mij : Tổng lượng nước tưới cho mỗi loại đất và cây trồng
Tổng lượng nước tưới cần cho mỗi loại đất và cây trồng được tính như sau:
ij
ij ij
AE
IR
Điều kiện áp dụng phương pháp tưới phun mưa, nhỏ giọt thì chi phí tưới (CPHT) nhỏ giọt, phun mưa là chi phí trả dần trong thời gian 20 năm Hệ số hoàn vốn (CRF)
được tính như sau:
Trang 4Trong đó: z = tỉ lệ lãi suất
t = thời gian
Vậy hàm mục tiêu cuối cùng là:
n
i
n i m
ij ij ij b
ij a ij
ij ij m
j
j
AE
IR CPT DT NS
ET
ET C ET
ET B A DT G
F
max max
max 1
max
n
i
m
j
n i m j
n i m j
ij ij ij
ij ij ij
DT
(8)
Các điều kiện ràng buộc của mô hình :
1) Đất đai:
Diện tích đất canh tác trong khu vực có hạn nên tổng diện tích các loại cây trồng không được vượt quá diện tích có thể canh tác
i m
j
ij S
DT
1
i = 1, 2, , n; j = 1, 2, , m (9)
n
i
m
j
DT
ij T DT
(10)
2) Khả năng nguồn nước
Yêu cầu cung cấp nước của mô hình cây trồng trên khu canh tác không được vượt quá khả năng nguồn nước sẵn có
n
i
m
j
t ij ij
ij
W DT AE
IR
i = 1, 2, , n; j = 1, 2, , m (11)
3) Khả năng lao động :
Số lao động cho mô hình cây trồng tối ưu không được vượt quá tổng lao động hiện có trong vùng
n
i
m
j
LD ij
ij DT T LD
i = 1, 2, , n; j = 1, 2, , m (12)
4) Thị trường tiêu thụ và quản lý nông nghiệp
Một số quản lý nông nghiệp và nghiên cứu thị trường làm hạn chế các tham số của mô hình Chẳng hạn, luân canh cây trồng, giới hạn về thị trường và quản lý nông
Trang 5nghiệp làm hạn chế tối thiểu hay tối đa diện tích trồng các cây đặc sản, nhưng về thuật toán, sự ràng buộc này có thể được thể hiện như sau:
m j
j ij
S
1
max
3 - Kết luận
Nghiên cứu việc chuyển đổi hệ thống cây trồng kết hợp rải vụ cây trồng nhằm làm giảm sự cẳng thẳng nước trong quá trình dùng nước trong hệ thống thủy nông là một vấn
đề rất cần thiết và cũng hoàn toàn phù hợp với các quan điểm phát triển cây trồng phù hợp với điều kiện sinh thái và đa dạng hóa cây trồng và sản phẩm thu hoạch
Mô hình hệ thống cây trồng tối ưu là mô hình phi tuyến được xác định dựa vào các tài nguyên sẵn có và sự tiêu thụ sản phẩm Mô hình này đã được các nhà khoa học ở Mỹ,
ấn Độ, Brazil nghiên cứu ứng dụng và đã lựa chọn được các mô hình cây trồng phù hợp với điều kiện cụ thể ở từng vùng
Việt Nam, mô hình tính toán hệ thống cây trồng tối ưu trong điều kiện được tưới mới
được sử dụng vào lý thuyết và áp dụng mô hình này vào điều kiện nghiên cứu thí nghiệm
cụ thể cho từng loại cây trồng ở các vùng khác nhau để tìm ra các hệ số thực nghiệm còn chưa phổ biến Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng mô hình này đối với các điều kiện tưới khác nhau ở các vùng cụ thể sẽ góp phần tích cực vào việc tiết kiệm lượng nước tưới cho nông nghiệp, giảm chi phí tưới, bố trí diện tích cây trồng thích hợp và nâng cao được giá trị sản phẩm thu hoạch của nông nghiệp
Tài liệu tham khảo
1 Chávez-Morales, J., Marino, M A., and Holzapfel, E.A (1992) "Planning simulation model of irrigation district"
2 English, M., and Nakmura, B.(1989) "Effect of deficit irrigation and irrigation
frequency on wheat yield" J Irrig and Drain Engrg., ASCE,
3 Stewart, J I, and Hagan (1973) R M, Functions to predict effects of crop water deficit
4 Holzapfel, E.A., Marino, M A., and Valenzuela, A (1990) "Drip irrigation nonlinear optimization model" J Irrig and Drain Engrg., ASCE
Summary
Trang 6This paper develops a nonlinear optimization model for the determination of optimal cropping patterns in irrigated agriculture Decision variables are the cultivated area in each soil type at the farm The objective function of the model is based on crop-water production functions, irrigation technology used, and costs and prices of the products The model gives the optimal distribution of areas and crops, irrigation water needs, labor requirements and tatol profit