Kết quả nghiên cứu, kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng thanh để kiểm soát nước trên ruộng lúa

Trong khuôn khổ bài báo này, thảo luận kết quả thử nghiệm một trong số các loại hình công trình kiểm soát nước trên mặt ruộng lúa, được Viện Kinh tế và Quản lý Thủy lợi thiết kế, lắp đặt. Kết quả nghiên cứu cho thấy, công trình này hoàn toàn có thể áp dụng rộng rãi trên các hệ thống tưới lúa khác có điều kiện tương tự.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, KIỂM NGHIỆM TRÀN THÀNH MỎNG DẠNG THANH ĐỂ KIỂM SOÁT NƯỚC TRÊN RUỘNG LÚA TS Trần Văn Đạt, ThS Doãn Q uang Huy Viện Kinh tế Quản lý Thủy lợi Tóm tắt: Kiểm soát chặt chẽ nước ruộng lúa theo chế độ tưới tiêu hợp lý góp phần cải thiện suất, tiết kiệm nước chi phí sản xuất giảm phát thải khí nhà kính Mặc dù vậy, thực tế sản xuất cơng tác quản lý nước m ặt ruộng ln gặp khó khăn nhiều lý khác nhau, có yếu tố hạ tầng kỹ thuật Trong khuôn khổ báo này, nhóm tác giả thảo luận kết thử nghiệm m ột số loại hình cơng trình kiểm sốt nước m ặt ruộng lúa, Viện Kinh tế Quản lý Thủy lợi thiết kế, lắp đặt Kết nghiên cứu cho thấy, cơng trình hồn tồn áp dụng rộng rãi hệ thống tưới lúa khác có điều kiện tương tự Summary: Proper management of water on the rice fields foloowing reasonable irrigation regim es is succesfully tested for im provem ent of rice productivity, saving water and production costs or reducing greenhouse gas emissions However, in practices, the m anagement of water on the field surface is always in trouble for many reasons, including the irrigation infrastructure and technical sides For this context, in the this paper, the authors discuss the an experim ental results with represenatve types of water control works, which have been disigned and constrcuted by the Institute for Water Resources Economics and Management The research results show that this works can be widely applied in other sim ilar irrigation systems I GIỚ I THIỆU * Mơ hình sản xuất xanh gắn với nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm nông nghiệp xu hướng tiếp cận chung giới Ở Việt Nam, sở khoa học (bao gồm khoa học tưới tiêu) để đặt m óng cho m hình sản xuất khẳng định từ nhiều thập kỷ qua Áp dụng cơng thức tưới nơng-lộ-phơi cho lúa tăng khoảng 10 đến 15% suất lúa [1] Vận hành hệ thống tưới hợp lý giảm 14 đến 21% chi phí quản lý suất trồng không giảm [3] Theo Nguyễn Việt Anh (2014), tưới theo cơng thức nơng-lộ-phơi tiết kiệm từ 17 đến 32% lượng nước tưới, giảm phát thải khí nhà kính từ 18 đến 34% so với trường hợp tưới ngập thường xuyên [2] Rõ ràng, đảm bảo chế độ nước hợp lý nước m ặt ruộng có ý Người phản biện: TS Nguyễn Thanh Bằng Ngày nhận bài: 10/11/2014 Ngày thông qua phản biện: 26/11/2014 Ngày duyệt đăng: 17/12/2014 nghĩa m ặt kinh tế môi trường Mặc dù vậy, hầu hết nghiên cứu triển khai chậu, vại đồng ruộng quy mô nhỏ Kết nghiên cứu chưa áp dụng rộng rãi thực tế sản xuất nhiều lý khác nhau, có hạ tầng kỹ thuật phương tiện quản lý Kinh nghiệm cho thấy rằng, cơng trình thủy nơng mặt ruộng cần đảm bảo tiêu chí: i) đơn giản, dễ xây dựng, dễ vận hành, chi phí thấp; ii) độ linh hoạt xác nằm giới hạn chấp nhận được; iii) ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống Thực tế đồng ruộng Việt Nam , hạ tầng thủy lợi nghèo nàn, khơng có, không đáp ứng yêu cầu điều tiết quan trắc nước sử dụng Triển khai đề tài nghiên cứu công nghệ quản lý, chế độ canh tác lúa cải tiến nhằm tiết kiệm nước, tăng suất giảm thải khí nhà kính, Viện Kinh tế Quản lý Thủy lợi thử nghiệm thiết kế xây dựng số cơng trình kiểm sốt nước m ặt ruộng, bao gồm : tràn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thành mỏng dạng để kiểm sốt nước mặt ruộng (vừa làm nhiệm vụ điều tiết nước, đồng thời chúng sử dụng làm cơng trình đo nước), điều tiết nước tự động Kết nghiên cứu ứng dụng đáp ứng tốt yêu cầu quản lý nước m ặt ruộng nhân dân xã An Lâm, Nam Sách, Hải Dương Trong khuôn khổ báo này, nhóm tác giả tập trung giới thiệu kết nghiên cứu, thử nghiệm tràn thành mỏng dạng để kiểm soát nước tưới, tiêu ruộng lúa II PH ƯƠ NG PHÁP NGH IÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng phương pháp kỹ thuật nghiên cứu đây: 2.1 Đo vẽ trường Đo vẽ trường thực để xác định diện tích, cao độ khu tưới, cao độ điểm lấy nước tiêu nước khu tưới Công tác đo vẽ địa hình thực tổ hợp m áy kinh vĩ thủy bình Cao độ chuẩn khu vực lấy theo cao độ giả định trạm bơm đầu m ối, cấp nước tưới cho cánh đồng xã An Lâm 2.2 Phương pháp thống kê Các cơng trình thủy lợi nói chung, cơng trình thủy lợi nội đồng nói riêng thiết kế dựa sơ đồ tính tốn dựa quan hệ lượng dòng chảy lưu lượng Ở m ỗi sơ đồ tính tốn, tùy theo loại hình cơng trình chế độ chảy khác nhau, tổn thất lượng dịng chảy qua cơng trình đặc trưng nhiều thông số khác như: hệ số lưu lượng, hệ số co hẹp m ặt cắt, hệ số chảy ngập Thơng thường, tính tốn thiết kế, hệ số thường lấy theo kinh nghiệm tính tốn dựa theo kết nghiên cứu cơng trình thiết kế “tiêu chuẩn” phịng thí nghiệm Trong điều kiện làm việc thực tế kích thước cơng trình khơng giống điều kiện thí nghiệm , chí “phi tiêu chuẩn” thơng số (thậm chí sơ đồ tính tốn) khơng cịn Do vậy, chúng cần khảo nghiệm, hiệu chỉnh [5] Trong nghiên cứu này, hàm hồi quy (regression) sử dụng để phân tích tương quan lưu lượng tính tốn (Qtt) lưu lượng thực đo (Qđo) thông qua hệ số tương quan hệ số xác định bội (R ) Trong đó, lưu lượng tính tốn xác định dựa theo sơ đồ cơng thức tính tốn tràn điều kiện làm việc thực tế (chiều cao ngưỡng tràn cần khống chế, chế độ chảy, mực nước); lưu lượng thực đo quan trắc nhiều lựa chọn điều tiết dòng chảy khác (tương tự yêu cầu quản lý nước thực tế mặt ruộng) Mỗi trường hợp làm việc cơng trình cho phép xác định m ột cặp giá trị Qtt Qđo tương ứng Với m ỗi cơng trình, hệ số tương quan liệt số liệu tính tốn thực đo hệ số lưu lượng cần hiệu chỉnh 2.3 Phương pháp xác định Q tt Q đo Để tiến hành đánh giá lại tổn thất lượng dòng chảy qua tràn thành m ỏng dạng trao đổi đây, nhóm nghiên cứu tiến hành quan trắc dịng chảy ngồi trường theo biến động thơng số vận hành: độ m cơng trình (m ặt cắt ướt cơng trình), m ực nước chế độ chảy qua cơng trình Phương pháp quy trình đo đạc lưu lượng chảy qua cơng trình sau: Lựa chọn sơ đồ tính tốn: Nhóm nghiên cứu quan sát thực tế trường hợp làm việc khác cơng trình làm sở lựa chọn sơ đồ tính tốn Ở nghiên cứu này, tràn xây dựng nội đồng thường có cột nước thấp, chênh lệch m ực nước thượng/ hạ lưu tràn không lớn làm việc chế độ chảy ngập Do vậy, sơ đồ tính tốn lưu lượng qua đập tràn thành mỏng chảy ngập có dạng hình cơng thức (1) Lưu lượng dịng chảy trường hợp phụ thuộc vào lượng dòng chảy thượng lưu (cột nước trước tràn) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC Mự c nư ớc thư ợn gï l ưu z H CƠNG NGHỆ Mực nướ c ï lưu (1’) Vo Hn P Đây công thức xác định lưu lượng chảy qua tràn thành m ỏng dạng sau kiểm nghiệm hiệu chỉnh Hh  Hình Sơ đồ dòng chảy ngập qua đập tràn thành m ỏng Phương pháp xác định Qđo Lưu lượng thực đo dịng chảy qua tràn xác định thơng qua phương pháp lưu tốc m ặt cắt Chọn mặt cắt ổn định kênh dẫn, gần tràn (để đảm bảo lưu lượng chưa bị tổn thất dọc đường) Tiến hành đo lưu tốc tính tốn lưu tốc dịng chảy trung bình mặt (VTB) Lưu lượng thực đo qua cơng trình tính theo cơng thức (4) Qđo = Hình 2: Thiết bị đo lưu tốc trường Công thức xác định lưu lượng qua đập tràn thành mỏng: (1) × VTBk (4) Trong đó: Q: lưu lượng dịng chảy; VTB : lưu tốc trung bình dòng chảy (được đo đạc m áy đo lưu tốc Current m eter Australia);  k: diện tích mặt cắt ướt tương ứng thủy trực thứ k; n: số lượng thủy trực m ặt cắt lựa chọn để đo Xác định lưu tốc trung bình (VTB) Trong đó: Q: Lưu lượng qua đập tràn; b: chiều rộng đập tràn; g: gia tốc trọng trường, g = 9,81; H: cột nước thượng lưu so với đỉnh đập; m: hệ số lưu lượng xác định tùy theo vật liệu làm đập tra cứu theo bảng tra, xác định theo công thức Badanh (2); P: chiều cao ngưỡng tràn; : hệ số chảy ngập, xác định theo cơng thức (3) (2) Tùy theo kích thước m ặt cắt ngang kênh, số lượng thủy trực xác định Đối với kênh mặt ruộng (từ 1,5m2m) bố trí từ 35 thủy trực Số điểm đo m ột thủy trực xác định vào độ sâu dòng chảy kênh (h) Cơng thức tính lưu tốc trung bình lại thủy trực thay đổi tương ứng TT1 TT b1 b2 V0, h V0, V0, (3) Nếu xem tổn thất lượng dòng chảy đại diện m ột hệ số lưu lượng tổng hợp M, công thức (1) viết lại sau: TTn V0, V0,2 h h V0, V0, V0,6 V0,8 bn V0,2 h V0,6 V0,8 V0,2 h V0,6 V0,8 h B Hình Sơ đồ bố trí điểm đo m ột mặt cắt kênh hình chữ nhật TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Đo điểm: lưu tốc đo điểm cách mặt nước khoảng 6/10 chiều sâu thủy trực Lưu tốc trung bình thủy trực k tính theo (5): VTBk  V0 , (5) - Đo điểm: lưu tốc đo vị trí 2/10 8/10 so chiều sâu thủy trực Lưu tốc trung bình thủy trực tính theo (6): VTBk  V 0,  V 0, (6) - Đo điểm: lưu tốc đo điểm vị trí 2/10, 6/10, 8/10 chiều sâu thủy trực Lưu tốc trung bình thủy trực tính theo (7): VTBk  V0 ,  2.V0,  V0 ,8 nghiên cứu tham khảo số tài liệu nghiên cứu khác cho thấy, diện tích phụ trách kênh nội đồng dao động từ 2,0 đến 50 [3] Ứng với quy trình cấp nước theo cơng thức tưới nông-lộ-phơi, lưu lượng yêu cầu lớn kênh nội đồng có quy mơ phục vụ nói 0,15 m /s Kênh nội đồng, độ dốc đáy thường nhỏ (< 10-4) Căn vào số liệu đây, đập tràn thành m ỏng điều tiết đo nước có thơng số thiết kế phổ biến hình MẶT BẰN G CÔN G TRÌN H Đ O N ƯỚ C (7) 40 T hu ûy trí th ươ ïn g l u Trình tự đo đạc, xác định Qđo: 11 30 BƠ Ø KEÂNH (i) Lựa chọn mặt cắt để đo (m ặt cắt đo phải tương đối ổn định hình dạng lẫn lưu tốc dịng chảy); (ii) Xác định kích thước mặt cắt (ứng với mực nước tức thời); (iii) Khống chế ngưỡng tràn theo số mức thực tế cần điều tiết nước m ặt ruộng lúa thơng qua số lượng (bar); (iv) Khi dịng chảy trở lại trạng thái ổn định, tiến hành đo lưu tốc mặt cắt chọn Mỗi lần đo cho điểm , số đọc m áy đo cần nhắc lại lần Lưu tốc điểm đo lấy giá trị trung bình lần đọc (v) Tính tốn Qđo dựa cơng thức từ (4) đến (7) Phương pháp xác định Qtt Trong trường hợp tính tốn kiểm nghiệm, tạm bỏ qua yết tố gây tổn thất, từ công thức (1’), Qtt tính tốn sau: (1’’) Các ký hiệu công thức (1) III KẾT Q UẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thông số thiết kế tràn thành mỏng dạng Theo số liệu khảo sát thực tế khu vực T hu ûy rt í h a ï l ưu BƠ Ø KÊNH Đập tra øn tha øn h m o ûng Hư ớn g d òn g ch ảy 11 600 C ẮT D ỌC CÔ NG TRÌ NH ĐO NƯ ỚC T h ủy trí th ượn g l ưu Bờ kê nh T hu ûy rt í h a ï l ưu Đập tra øn tha øn h m o ûng 50 50 P 11 Gh i ch u ù: - Đơn vị đ o: c m Hình Sơ đồ thiết kế đập tràn thành mỏng điều tiết nước mặt ruộng lúa Ở đây, ngưỡng tràn chế tạo kim loại, có chiều dày 1cm , xếp chồng lên (vì lý cơng trình gọi đập tràn thành mỏng dạng thanh) Hình ảnh thực tế tràn thành mỏng dạng minh họa hình Để tiến hành kiểm nghiệm triển khai đo đạc dịng chảy phục vụ nghiên cứu cơng nghệ quản lý, chế độ canh tác lúa cải tiến nhằm tiết kiệm nước, tăng suất giảm thải khí nhà kính, đề tài xây dựng lắp đặt công trình đo cửa lấy nước tiêu nước Tất cơng trình giống hệt mặt kích thước, vật liệu Trong báo này, cơng trình đánh số hiệu từ đến TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC a) Tồn cảnh cơng trình CƠNG NGHỆ b) Tràn phận bảo vệ Hình Hình ảnh tràn thành mỏng dạng ngồi tường 3.2 Kết kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng Nhóm nghiên cứu tiến hành đo đạc ngồi trường vụ lúa chiêm xuân lúa m ùa năm 2014 Tại cơng trình, liệt số liệu đo đạc tính tốn có tối thiểu 12 trường hợp (ngưỡng tràn, m ực nước thượng lưu) thay đổi khác Số liệu đo đạc tính toán cho tràn minh họa bảng hình Bảng Số liệu đo đạc tính toán Q tt Q đo, tràn TT Qtt Qđo H h (m) P (m) 3 (m /s) (m) (m /s) TT Qtt Qđo H h (m ) P (m) 3 (m /s) (m ) (m /s) M 0,45 0,37 0,3 0,077 0,040 0,520 0,41 0,33 0,3 0,048 0,029 0,602 10 0,47 0,31 0,085 0,038 0,449 11 0,45 0,38 0,31 0,070 0,031 0,445 12 0,42 0,35 0,31 0,048 0,025 0,515 0,4 M 0,47 0,39 0,28 0,110 0,046 0,419 0,46 0,39 0,28 0,101 0,045 0,444 0,44 0,36 0,28 0,085 0,040 0,472 0,42 0,35 0,28 0,070 0,035 0,506 0,45 0,35 0,28 0,093 0,041 0,438 0,48 0,37 0,3 0,101 0,048 0,476 0,46 0,39 0,3 0,085 0,046 0,539 Hình Tương quan Qtt Qđo, tràn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Tương quan Qtt Qđo, tràn Hình Tương quan Qtt Qđo, tràn Hình Tương quan Qtt Qđo, tràn Hình 10 Tương quan Qtt Qđo, tràn Hình 11 Tương quan Qtt Qđo tràn Hình 13 Tương quan Qtt Qđo, tràn 114 Hình 12 Tương quan Qtt Qđo tràn Hình 14 Tương quan Qtt Qđo, tràn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ TT Cơng trình M R Tràn số 0,35 0,86 Tràn số 0,34 0,83 Tuy nhiên, dựa liệt số liệu quan trắc có, kết tính tốn hiệu chỉnh hệ số lưu lượng cho tràn có độ tin cậy cao Hệ số xác định bội (R2) phương tất trình hồi quy ứng với tràn kiểm nghiệm dao động từ 0,71 đến 0,90 Tràn số 0,38 0,71 IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH Ị Tràn số 0,33 0,90 Tràn số 0,35 0,89 Tràn số 0,29 0,88 Tràn số 0,34 0,80 Tràn số 0,36 0,90 Tràn số 0,29 0,86 Trung bình: 0,34 Cơng trình điều tiết đo nước mặt ruộng nhân tố thiếu, giúp tổ chức quản lý người dân thực hóa quy trình tưới tiêu khoa học, hướng tới tăng suất trồng, tiết kiệm nước chi phí, giảm phát thải khí nhà kính Song, cơng trình kiểm sốt nước tưới tiêu mặt ruộng phải phù hợp với điều kiện trình độ sản xuất nơng dân Tràn thành mỏng dạng (vừa điều tiết, vừa đo nước) đáp ứng tiêu chí kể Tuy nhiên, để đảm bảo tính xác thực tế, tràn thành m ỏng dạng cần phải kiểm nghiệm, hiệu chỉnh Bảng Tổng hợp kết kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng Từ kết phân tích cho thấy, hệ số lưu lượng tổng hợp (M) tràn thành m ỏng dạng xây dựng kênh tưới tiêu nội đồng (có quy mơ phục vụ từ đến 20 ha) dao động từ 0,29 đến 0,38 Giá trị trung bình M 0,34 Rõ ràng, so sánh với giá trị tổn thất lượng (tổng hợp hệ số lưu lượng hệ số chảy ngập) có khác biệt lớn Thơng thường, giá trị tích số (cơng thức 1) dao động từ 0,30 đến 0,5 m (trung bình 0,4) [4] Như vậy, liên hệ vói cơng thức (1) (1’), sử dụng cơng trình đo mà khơng kiểm nghiệm lượng nước thực tế lấy vào ruộng sai khác khoảng 18% (tối đa có đến 28%) so với dự kiến Đây số nguyên nhân phá vỡ quy trình tưới nông-lộ-phơi kỹ thuật tưới áp dụng vào sản xuất Sự biến động giá trị M (bảng 2) xuất phát từ lý sai lệch tương đối thi công tràn, nhiễu động dòng chảy khác thời điểm quan trắc thao tác người đo Kết kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng có lưu lượng thiết kế nhỏ 0,15 m 3/s (tương ứng với diện tích tưới nhỏ 50 lúa) cho thấy, hệ số tổn thất lượng tổng hợp tràn thành m ỏng dạng dao động từ 0,29 đến 0,38 (trung bình, M=0,34) Kết kiểm nghiệm hệ số tổn thất M cho độ tin cậy cao Thực tế vận hành cơng trình, người quản lý nên áp dụng hệ số M sau kiểm nghiệm để đảm bảo cung cấp đủ nước cho trồng Kết kiểm nghiệm hệ số tổn thất M áp dụng cho tràn thành mỏng có kích thước tương tự, xây dựng nội đồng hệ thống tưới vùng đồng bằng, nơi có lượng dịng chảy khơng lớn Với loại hình tràn khác khơng có kết cấu thơng số kỹ thuật tương tự, cần tiến hành kiểm nghiệm , hiệu chỉnh trước sử dụng để đo nước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 115 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Đình Thỉnh,1984 Chế độ, kỹ thuật tưới cho lúa xuân, lúa mùa đất phù sa trung tính vùng đồng sơng Hồng Tuyển Tập Cơng Trình Nghiên Cứu Thuỷ Nơng Cải Tạo Đất Viện Khoa học Thuỷ lợi [2] Nguyễn Việt Anh, 2014 Quản lý nước m ặt ruộng nhằm giảm thiểu khí nhà kính Phú Xuyên Long Phú, tỉnh Sóc Trăng Tuyển tập báo cáo Hội thảo quốc tế & họp thường niên Mạng lưới INW EPF lần thứ 11 Hà Nội, 2014 [3] Trần Văn Đạt, 2007 Nghiên cứu đề xuất quy trình vận hành trạm bơm Như Quỳnh nhằm m ạng lại hiệu quả, giảm chi phí vận hành tiết kiệm nước Báo cáo tổng kết đề tài Viện Khoa học Thuỷ lợi [4] Trường Đại học Thủy lợi, 2006 Giáo trình Thủy lực - Tập Nhà xuất Nông nghiệp [5] FAO, 1993 Irrigation water management: Structure for water control and distribution Training mannual No.5 Rome, 1993 67 pages 116 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 24 - 2014 ... thực tế, tràn thành m ỏng dạng cần phải kiểm nghiệm, hiệu chỉnh Bảng Tổng hợp kết kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng Từ kết phân tích cho thấy, hệ số lưu lượng tổng hợp (M) tràn thành m ỏng dạng xây... trình CƠNG NGHỆ b) Tràn phận bảo vệ Hình Hình ảnh tràn thành mỏng dạng ngồi tường 3.2 Kết kiểm nghiệm tràn thành mỏng dạng Nhóm nghiên cứu tiến hành đo đạc trường vụ lúa chiêm xuân lúa m ùa năm 2014... cầu quản lý nước m ặt ruộng nhân dân xã An Lâm, Nam Sách, Hải Dương Trong khuôn khổ báo này, nhóm tác giả tập trung giới thiệu kết nghiên cứu, thử nghiệm tràn thành mỏng dạng để kiểm soát nước