Nghiên cứu cơ sở khoa học quản lý vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nông cầu sơn cấm sơn trong điều kiện hạn chế nguồn nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI - BÙI VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC QUẢN LÝ VẬN HÀNH TƯỚI TỐI ƯU HỆ THỐNG THỦY NÔNG CẦU SƠN - CẤM SƠN TRONG ĐIỀU KIỆN HẠN CHẾ NGUỒN NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI - BÙI VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC QUẢN LÝ VẬN HÀNH TƯỚI TỐI ƯU HỆ THỐNG THỦY NÔNG CẦU SƠN - CẤM SƠN TRONG ĐIỀU KIỆN HẠN CHẾ NGUỒN NƯỚC Chuyên ngành : Quy hoạch Quản lý Tài nguyên nước Mã số : 60-62-30 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đồn Dỗn Tuấn ThS NCS Phạm Thịnh Hà Nội, 2011 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình làm luận văn, tác giả nhận giúp đỡ, bảo động viên thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin chân thành bày tỏa lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Đồn Dỗn Tuấn ThS NCS Phạm Thịnh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy cô giáo khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước trường Đại học Thủy lợi, bạn học viên cao học 15 sở cao học 16 Hà Nội gắn bó, chia sẻ khó khăn với tác giả trình học tập làm luận văn Cảm ơn cơng ty khai thác cơng trình thủy lợi Cầu Sơn, Toàn thể cán Trung tâm Tư vấn PIM đặc biệt nhóm nghiên cứu tham gia đề tài “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp khoa học công nghệ phịng chống hạn hán phục vụ phát triển nơng nghiệp bền vững tỉnh miền núi phía Bắc” tạo điều kiện cung cấp chia sẻ tài liệu chuyên môn với tác giả Cuối xin cảm ơn người thân yêu gia đình bạn bè động viên giúp đỡ suốt trình học tập hoàn thành luận văn Trân trọng cảm ơn ! Hà nội, ngày 02 tháng 03 năm 2011 Bùi Văn Cường Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 T T I Tính cấp thiết Đề tài T T II Mục đích Đề tài T T III Đối tượng phạm vi nghiên cứu T T IV Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu T T CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN T 1.1 Tình hình nghiên cứu giới .5 T T 1.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam .9 T T CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU 13 T 2.1 Đặc điểm tự nhiên 13 T T 2.1.1 Vị trí địa lý 13 T T 2.1.2 Đặc điểm địa hình địa mạo 14 T T 2.1.3 Đặc điểm khí tượng thuỷ văn 14 T T 2.2 Đặc điểm kinh tế - Xã hội 20 T T 2.2.1 Dân sinh 20 T T 2.2.2 Hiện trạng phát triển nông nghiệp 21 T T 2.2.3 Hiện trạng nghành kinh tế khác 22 T T 2.3 Phương hướng phát triển kinh tế 23 T T 2.3.1 Phương hướng phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp thủy sản 23 T T 2.3.2 Phương hướng phát triển ngành công nghiệp – xây dựng 25 T T 2.3.3 Phương hướng phát triển ngành dịch vụ 25 T T 2.4 Hiện trạng cơng trình cơng tác quản lý hệ thống thủy lợi Cầu Sơn .26 T T 2.4.1 Hiện trạng hệ thống cơng trình thủy lợi 26 T T 2.4.2 Hiện trạng tổ chức quản lý vận hành 35 T T CHƯƠNG TÍNH TỐN CÂN BẰNG NƯỚC CHO HỆ THỐNG .39 T 3.1 Tính nhu cầu nước hệ thống Cầu Sơn 39 T T 3.1.1 Tính nhu cầu nước cho trồng 39 T T 3.1.2 Nhu cầu nước cho chăn nuôi 53 T Học viên: Bùi Văn Cường T Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.1.3 Nhu cầu nước cho sinh hoạt công nghiệp 54 T T 3.1.4 Tính tổng nhu cầu dùng nước 56 T T 3.2 Xác định khả dung tích hồ chứa 57 T T 3.2.1 Dòng chảy năm ứng với tần suất thiết kế đập Cầu Sơn .57 T T 3.2.2 Dự báo khả dung tích hồ Cấm Sơn đến năm 2020 57 T T 3.3 Tính cân nước cho tồn hệ thống (thời gian 2020) 58 T T 3.3.1 Mục đích 58 T T 3.3.2 Phương pháp tính tốn cân nước 59 T T 3.3.3 Tính cân nước Cầu Sơn .60 T T 3.3.4 Tính tốn cân nước năm 2020 Cầu Sơn 62 T T CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC QUẢN LÝ VẬN HÀNH TƯỚI TỐI ƯU HỆ T THỐNG THỦY NÔNG CẦU SƠN-CẤM SƠN TRONG ĐIỀU KIỆN HẠN CHẾ NGUỒN NƯỚC 65 4.1 Bài toán đặt 65 T T 4.2 Xây dựng hàm mục tiêu hàm ràng buộc 66 T T 4.2.1 Hàm mục tiêu 66 T T 4.2.2 Các điều kiện ràng buộc 68 T T 4.3 Giải toán tối ưu .70 T T 4.4 Phần mềm hỗ trợ giải toán tối ưu 71 T T 4.4.1 Giới thiệu phần mềm .71 T T 4.4.2 Số liệu đầu vào 74 T T 4.5 Kết tính tốn 76 T T KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 T T I Những kết đạt 83 T T II Những tồn 84 T T III Một số kiến nghị hướng nghiên cứu 85 T Học viên: Bùi Văn Cường T Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG Hình Vị trí địa lý vùng nghiên cứu 13 TU T U Hình 2 Bản đồ trạng hệ thống thủy lợi Cầu Sơn 30 TU T U Hình Kênh Giữa – Đoạn cuối (K30+925) .31 TU T U Hình Kênh Yên Lại 31 TU T U Hình Kênh Tây 32 TU T U Hình Kênh Bảo Sơn 32 TU T U Hình Sơ đồ cấu phịng ban cơng ty KTCTTL Cầu Sơn .36 TU T U Hình Sơ đồ mơ hình tổ chức quản lý sở (mơ hình đại diện) 38 TU T U Hình Giao diện chương trình IRR_2006 mô đun nhập liệu 47 TU T U Hình Sơ đồ khối tính hệ số tưới chương trình IRR_2006 .48 TU T U Hình 3 Các mơ hình gieo trồng hệ thống Cầu Sơn .49 TU T U Hình Giản đồ hệ số tưới thiết kế hiệu chỉnh .50 TU T U Hình Khu ni trồng thủy sản cạnh điều tiết Kè Hoành – kênh Giữa .54 TU T U Hình Giao diện chương trình GAMS…………………………… 71 TU T U Hình Giao diện phần mềm 72 TU T U Hình Sơ đồ kênh tưới hệ thống thủy lợi Cầu Sơn mơ hình .73 TU T U Hình 4 Mơ đun nhập liệu mưa .74 TU T U Hình Mơ đun nhập số liệu hệ thống 75 TU T U Hình Mơ đun nhập số liệu cơng trình .76 TU T U Hình Biểu đồ biểu diễn Q đến – Q xã – Z hồ 80 TU RU U RU U RU U RU U RU U R6 U T Hình Biểu đồ lưu lượng thời đoạn qua cống đầu kênh cấp (cống T10) 83 TU T U Bảng Nhiệt độ trung bình, lớn nhất, nhỏ tháng ( C) …………………….15 Bảng 2 Độ ẩm khơng khí trung bình tháng (%) 15 o TU TU P U U P T U T U Bảng Bốc trung bình tháng (mm) (Đo ống Piche) .16 TU T U Bảng Đặc trưng tốc độ gió trung bình lớn nhiều năm (m/s) 16 TU T U Bảng Tổng số nắng trung bình tháng nhiều năm trạm Bắc Giang (giờ) .16 TU T U Bảng Thống kê lượng mưa trung bình nhiều năm trạm (mm) .17 TU T U Bảng Lưu lượng nước trung bình nhiều năm theo tài liệu thực đo 19 TU T U Bảng Lưu lượng lớn theo tháng mùa lũ (m3/s) 19 TU Học viên: Bùi Văn Cường P U U P T U Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Bảng Lưu lượng nhỏ tháng mùa kiệt (m3/s) 20 TU P U U P T U Bảng 10 Năng suất số trồng chủ yếu sau: .21 Bảng 11 Thống kê số lượng gia súc, gia cầm vùng nghiên cứu (con) .22 TU T U TU T U Bảng 12 Đặc trưng đập 26 TU T U Bảng 13 Thống kê kênh hệ thống thuỷ nơng Cầu Sơn .29 TU T U Bảng 14 Hiện trạng cơng trình tiêu sơng Thương 34 TU T U Bảng 15 Các cơng trình tiêu có tiểu khu Ngòi Mân - Chản 35 Bảng Hệ số Kc số trồng điều kiện vận tốc gió U = 2m/s độ ẩm RHmin = 45% 39 TU T U TU R U RU T U Bảng Một số phương pháp xác định ETo theo FAO 40 Bảng 3 Các số liệu đầu vào cho phần mềm IRR_2006 48 Bảng Thông số cấu trồng thời vụ trồng 49 TU T U TU T U TU T U Bảng Lượng nước tưới cho đất canh tác mặt ruộng (m3/ha) 50 Bảng Hiệu tưới 51 TU TU P U U P T U T U Bảng Nhu cầu nước cho trồng đầu hệ thống (106 m3/ha) 51 TU P U U P P U U P T U Bảng Phân bố diện tích trồng tương lai 52 Bảng Hiệu tưới 53 TU TU T U T U Bảng 10 Nhu cầu nước cho trồng đầu hệ thống tính năm 2020 .53 TU T U Bảng 11 Tiêu chuẩn dùng nước cho chăn ni (lít/đầu vật ni/ngày) .53 Bảng 12 Thống kê diện tích ni trồng thủy sản vùng nghiên cứu 54 TU T U TU T U Bảng 13 Tiêu chuẩn dùng nước loại đô thị .55 Bảng 14 Nhu cầu nước cho ngành thời đoạn năm 2020 56 TU T U TU T U Bảng 15 Lưu lượng nước thiết kế 75% đến đập Cấm Sơn Cầu Sơn .57 TU T U Bảng 16 Cân nước đập Cầu Sơn 60 Bảng 17 Cân nước hồ Cấm Sơn (z = 51m) 61 TU T U TU T U Bảng 18 Cân nước đập Cầu Sơn đến năm 2020 .62 TU T U Bảng 19 Cân nước hồ Cấm Sơn (z = 51m) 63 Bảng 20 Cân nước hồ Cấm Sơn .64 TU TU T U T U Bảng Quan hệ Z~F Z~W hồ Cấm Sơn 74 Bảng Kết tính diện tích suất trồng khu Cầu Sơn 77 Bảng Kết tính tốn diện tích trồng cho khu tưới 77 TU T U TU TU T U T U Bảng 4 Kết tính tốn lượng nước phân phối cho đoạn kênh 81 TU Học viên: Bùi Văn Cường T U Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐBSH : Đồng sông Hồng HTTL : Hệ thống thủy lợi HTX : Hợp tác xã KTCTTL : Khai thác cơng trình thủy lợi LBHMR : Lượng bốc mặt ruộng NXB : Nhà xuất NN&PTNT : Nông nghiệp phát triển nông thôn GDP : Thu nhập bình quân đầu người GAMS : General Algebraic Modelling System Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết Đề tài Các nghiên cứu lĩnh vực tài nguyên nước giới rằng, nhu cầu nước cho sản xuất sinh hoạt ngày căng thẳng áp lực gia tăng dân số, phát triển ngành công, nông nghiệp dịch vụ; ô nhiễm môi trường tác động biến đổi khí hậu tồn cầu Bên cạnh đó, nhiều nhà khoa học ngồi nước cho tình trạng thiếu nước nhiều trường hợp trình độ quản lý kém, chế độ vận hành hệ thống sách phân phối nước không phù hợp (Vũ Thế Hải, Đặng Thế Phong, 2007; Bùi Hiếu, 2008) Điều lý giải sao, xu hướng đại hố cơng trình dần bị thay xu hướng đại hoá quản lý Đối với nước ta, nhu cầu đại hoá công tác quản lý, vận hành trở nên cấp bách mà tổng tài sản đầu tư cho thuỷ lợi nước ta chiếm lượng kinh phí lớn so với nhiều lĩnh vực khác sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao cấu kinh tế quốc dân Việc nghiên cứu, xây dựng quy trình vận hành áp dụng nhiều hệ thống thủy nông nước ta Tuy nhiên, việc nghiên cứu, vận hành tối ưu mặt kinh tế hệ thống tưới chưa phổ biến áp dụng rộng rãi Hệ thống Cầu Sơn - Cấm Sơn hệ thống thuỷ nông liên tỉnh nằm địa bàn tỉnh Bắc Giang Lạng Sơn, phục vụ tưới cho huyện thị thành phố Đây hệ thống liên hoàn khai thác bậc thang, phía hồ chứa nước Cấm Sơn điều tiết nhiều năm, xả lưu lượng xuống sông Thương đưa đập dâng Cầu Sơn, phục vụ tưới tự chảy cung cấp nước cho trạm bơm Đây vùng có diện tích nơng nghiệp tập trung có tiềm phát triển lúa, hoa màu công nghiệp với khả mở rộng diện tích, mức độ thâm canh đa dạng hóa sản xuất coi gần sát với tối đa Tuy nhiên, lượng mưa phân bố không năm, cao thấp so với nhu cầu nước trồng nên cơng tác thủy lợi đóng vai trị quan trọng Tuy đầu tư cơng trình đầu mối Học viên: Bùi Văn Cường Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hệ thống kênh (dự án VWRAP), toàn hệ thống chưa đáp ứng nhu cầu tưới ngày tăng trình thâm canh hóa, đa dạng hóa sản xuất nơng nghiệp ngày tăng với diễn biến khí hậu thủy văn bất lợi cho việc đáp ứng nhu cầu nước cho sản xuất Hơn nữa, quy trình quản lý vận hành áp dụng hệ thống theo quy trình quy phạm cụ thể theo kinh nghiệm thực tế vùng Tuy kiểm nghiệm thực tế, giải pháp lựa chọn phụ thuộc hoàn toàn vào ý kiến chủ quan người quản lý chưa giải pháp tối ưu Do vậy, việc nghiên cứu sở khoa học quản lý vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nông Cầu Sơn – Cấm Sơn điều kiện hạn chế nguồn nước vấn đề thiết thực cần thiết II Mục đích Đề tài Nghiên cứu sở khoa học quản lý vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nông Cầu Sơn – Cấm Sơn nhằm tối đa hố lợi ích sản xuất nông nghiệp hệ thống điều kiện hạn chế nguồn nước III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài hệ thống thủy nông Cầu Sơn - Cấm Sơn bao gồm hệ thống cơng trình đầu mối hồ chứa nước Cấm Sơn hệ thống khu tưới Cầu Sơn Phạm vi khu tưới có tổng diện tích đất canh tác 24.257 ha, kẹp sông sông Thương sơng Cầu bao gồm tồn diện tích canh tác huện Lạng Giang, phần diện tích huyện Yên Dũng, Lục Nam TP Bắc Giang IV Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu a) Cách tiếp cận Để đạt mục tiêu đặt ra, sở nhiệm vụ cần giải trình thực đề tài, hướng tiếp cận mà tác giả sử dụng là: − Kế thừa, ứng dụng kiến thức khoa học công nghệ quản lý vận hành tối ưu hệ thống thủy nông: Đối tượng nghiên cứu giải đề tài lập quy trình vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nơng nhiều nghiên cứu nước trình bày Trong lúc trình độ khoa học công nghệ quản lý lĩnh vực tài nguyên nước cho hệ thống thủy lợi Học viên: Bùi Văn Cường ... kiến chủ quan người quản lý chưa giải pháp tối ưu Do vậy, việc nghiên cứu sở khoa học quản lý vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nông Cầu Sơn – Cấm Sơn điều kiện hạn chế nguồn nước vấn đề thiết... đích Đề tài Nghiên cứu sở khoa học quản lý vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nông Cầu Sơn – Cấm Sơn nhằm tối đa hố lợi ích sản xuất nơng nghiệp hệ thống điều kiện hạn chế nguồn nước III Đối... thức khoa học công nghệ quản lý vận hành tối ưu hệ thống thủy nông: Đối tượng nghiên cứu giải đề tài lập quy trình vận hành tưới tối ưu hệ thống thủy nơng nhiều nghiên cứu nước trình bày Trong