Giáo trình QHTKHTTL chuong 2 - ĐHBKĐN- nhu cầu nước của hệ thống thủy lợi

giáo trình QH &TK hệ thống thủy lợi - Chương 2- ĐH BKĐN Nhu cầu nước của hệ thống thủy lợi

CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 1 Chương 2 NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI 2.1. LƯỢNG NƯỚC CẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC CẦN CHO CÁC NGÀNH DÙNG NƯỚC 2.1.1 Lượng nước cần cho nông nghiệp Một trong những tài liệu cơ bản để quy hoạch thuỷ lợi là lượng nước cần cung cấp nước cho các ngành kinh tế, xã hội. Trong nông nghiệp lượng nước cần cung cấp cho cây trồng rất lớn và rất quan trọng nhằm đáp ứng đầy đủ yêu cầu về nước để cho cây trồng phát triển tốt và cho năng suất cao. Để xác định được yêu cầu dùng nước cần phải nghiên cứu, tính toán yêu cầu nước của từng loại cây trồng trong những điều kiện cụ thể, nhằm tìm ra một chế độ cung cấp nước thích hợp trong suốt quá trình sinh trưởng của cây trồng: đó chính là chế độ tưới cho cây trồng. 2.1.1.1 Chế độ tưới Tưới là một vấn đề quan trọng trong công tác điều tiết nước mặt ruộng, nhằm thỏa mãn yêu cầu nước trong quá trình sinh trưởng của cây trồng. Trong điều kiện tự nhiên nhất định như thời tiết, khí hậu, thổ nhưỡng, địa chất thuỷ văn, đối với một số loại cây trồng nhất định sẽ có một yêu cầu về cấp nước theo một chế độ nhất định gọi là chế độ tưới. Chế độ tưới là một tài liệu quan trọng trong việc quy hoạch, thiết kế, quản lý và khai thác các hệ thống công trình tưới. Chế độ tưới bao gồm các yếu tố sau: 1. Số lần tưới n (lần): Số lần cần phải cấp nước (tưới) trong suốt thời gian sinh trưởng của cây trồng 2. Mức tưới mỗi lần m i : Lượng nước tưới mỗi lần cho đơn vị diện tích cây trồng nào đó. Mức tưới thường được biểu thị bằng: - Lượng nước ký hiệu m (m 3 /ha) - Lớp nước tưới ký hiệu a i (mm) CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 2 Giữa mức tưới m i (m 3 /ha) và lớp nước trên mặt ruộng a i (mm) có mối liên hệ như sau: m i = 10.a i ( khi a i tính bằng mm) (2-1) 3. Thời gian tưới mỗi lần: Thời gian tưới hết mức tưới mỗi lần, thường ký hiệu là t i ( ngày) 4. Mức tưới tổng cộng hay còn gọi là mức tưới toàn vụ M(m 3 /ha): Là lượng nước cần tưới cho cây trồng cho một đơn vị diện tích trong suốt thời gian sinh trưởng của cây trồng đó. Mức tưới tổng cộng bằng tổnig các mức tưới mỗi lần. M = ∑ = n 1i i m = m 1 + m 2 + m 3 + …+ m n (2-2) 5. Hệ số tưới: Là lưu lượng cần tưới cho một đơn vị diện tích trồng trọt q(l/s-ha) i i i t m q = (2-3) Nếu mức tưới m i (m 3 /ha), thời gian tưới t i (ngày) thì hệ số tưới được tính theo công thức: i i i 86,4.t m q = (l/s-ha) (2-4) Hệ số tưới là một chỉ tiêu cơ bản trong quy hoạch và thiết kế hệ thống tưới, trong thiết kế hệ thống kênh tưới người ta thường dựa vào hệ số tưới thiết kế q TK để tính toán lưu lượng thiết kế Q TK , thiết kế mặt cắt dọc, mặt cắt ngang kênh tưới. 2.1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ tưới: Gồm hai yếu tố : - Yếu tố khí hậu: mưa, gió, bốc hơi, nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ ánh sáng, bốc hơi mặt thoáng. - Yếu tố phi khí hậu: Bao gồm + Loại cây trồng và giai đoạn sinh trưởng Với mỗi loại cây trồng, trong mỗi thời kỳ sinh trưởng sẽ có cơ cấu mặt lá khác nhau, do đó độ che phủ mặt ruộng khác nhau và lượng bốc hơi mặt ruộng sẽ thay đổi CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 3 theo. Chính vì vậy hệ số cây trồng K c thay đổi theo loại cây trồng và theo giai đoạn sinh trưởng. + Biện pháp kỹ thuật nông nghiệp Các biện pháp kỹ thuật nông nghiệp như hình thức canh tác, chế độ phân bón, mật độ gieo cấy đều có ảnh hưởng đến lượng bốc hơi mặt ruộng, vì nó ảnh hưởng đến chế độ nhiệt, không khí và độ che phủ mặt ruộng. + Phương pháp tưới và kỹ thuật tưới Các phương pháp và kỹ thuật tưới đều ảnh hưởng đến lượng bốc hơi mặt ruộng, vì lượng nước cung cấp cho cây trồng có sự khác nhau. Phước pháp tưới mặt sẽ yêu cầu nước lớn tưới ngầm, phương pháp tưới ẩm cần nước ít hơn các phương pháp tưới khác. Kỹ thuật tưới ẩm lượng bốc hơi và ngấm ít hơn kỹ thuật tưới ngập. + Thổ nhưỡng và địa chất thủy văn Loại đất nặng hoặc đất nhẹ, mực nước ngầm nằm nông hoặc sâu đều có ảnh hưởng đến lượng bốc hơi mặt ruộng. Vì các yếu tố này có ảnh hưởng đến việc trữ nước của đất, sự vận chuyển nước trong đất, điều kiện cung cấp nước của cây trồng, cơ cấu cây trồng vì thế ảnh hưởng tới lượng bốc hơi khoảng trống và bốc hơi mặt lá. 2.1.1.2 Phương pháp tưới Phương pháp tưới là cơ sở quan trọng cho việc xác định chế độ tưới. Phương pháp tưới chính là phương thức đưa nước và phân phối nước tới tận mặt ruộng cung cấp cho cây trồng. • Phương pháp tưới cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Bảo đảm cung cấp nước theo đúng chế độ tưới quy định phân bố đồng đều trên diện tích tưới. - Có hệ số sử dụng nước cao. - Tạo điều kiện thực hiện và phối hợp với các biện pháp canh tác khác. - Nâng cao năng suất tưới trên đồng ruộng. - Có tác dụng cải tạo đất, không gây ra xói mòn, mặn hoá khu đất tưới. CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 4 - Công trình và các thiết bị tưới phải đơn giản, dễ quản lý, diện tích chiếm đất ít, chi phí đầu tư và quản lý khai thác thấp và không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. • Dựa vào phương thức dẫn nước và phân phối nước, người ta chia ra các phương pháp tưới sau: - Phương pháp tưới mặt đất: Có các kỹ thuật tưới như tưới ngập, tưới dải và tưới rãnh. - Phương pháp tưới phun mưa - Phương pháp tưới ngầm - Phương pháp tưới nhỏ giọt • Sự lựa chọn các phương pháp tưới phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Loại cây trồng và kỹ thuật canh tác; - Địa hình, khí hậu, tính chất đất đai khu tưới; - Khả năng cung cấp và chất lượng của nguồn nước; - Trình độ cơ giới hoá và công nghiệp hoá; - Điều kiện cung cấp năng lượng, thiết bị; - Trình độ khoa học, kỹ thuật của cán bộ, công nhân quản lý tưới. a) Phương pháp tưới mặt đất Tưới mặt đất là phương pháp đưa nước tưới từ các kênh dẫn hay đương ống vào mặt ruộng rồi ngấm xuống biến thành nước trong đất, nước tưới được phân phối đến cây trồng ở các dạng tưới ngập, tưới theo rãnh và tưới theo dải.  Tưới ngập CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 5 Là hình thức cung cấp nước để luôn luôn giữ một lớp nước trên mặt ruộng theo yêu cầu sinh trưởng phát triển của các cây trồng, chủ yếu là lúa nước. • Ưu điểm: - Điều hoà được nhiệt độ trong ruộng lúa; - Kìm hãm sự phát triển của cỏ dại; - Giảm được nồng độ các chất có hại. • Nhược điểm - Độ thoáng khí của đất kém; - Làm giảm độ phì của đất; - Dễ gây ra trôi đất; - Tốn nhiều nước, gây trở ngại cho cơ giới hoá. • Yêu cầu của phương pháp tưới ngập - Duy trì lớp nước thích hợp trên ruộng lúa theo công thức tưới tăng sản; - Bảo đảm được các chất dinh dưỡng và phân bón không bị rửa trôi, đất không bị xói mòn, nhiễm chua mặn; - Bảo đảm lớp nước được phân bố đều, không tưới tràn lan; - Hệ số sử dụng ruộng đất cao, tiết kiệm nước tưới, giá thành xây dựng và quản lý rẻ; - Mặt ruộng tưới phải tương đối bằng phẳng để độ sâu mực nước tương đối đồng đều trên khắp thửa ruộng; - Phải bố trí đầy đủ các công trình điều tiết nước mặt ruộng. CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 6 • Hình thức bố trí và kích thước ô ruộng tưới ngập • Hình dạng và kích thước + Hình dạng: Ô ruộng có hình chữ nhật là tốt nhất +Kích thước: Thường là 0,25 ÷ 0,30 ha(100 x 25 m hoặc 100 x 30m) Chiều dài ô ruộng theo khoảng cách giữa kênh tưới và kênh tiêu cố định cấp nhỏ nhất trên hệ thống. Chiều rộng phụ thuộc điều kiện địa hình và điều kiện cơ giới hóa. Độ dốc i thường bằng 0,001 ÷ 0,005. Chiều rộng a được xác định theo: i 0,5h i hh a 0 12 ≈ − = (2-5) Lưu lượng cần lấy vào ô ruộng để tạo thành lớp nước mặt ruộng: Hình 2.2: Hình thức bố trí thửa ruộng a) Bố trí thông nhau; b) Bố trí cửa độc lập Hình 2.3: Mặt cắt A-A CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 7 ( ) tKh t ω Q t0 += (m 3 /ha) (2-6) Trong đó: ω - diện tích ô ruộng (m 2 ) t K - tốc độ ngấm bình quân (m/h) t - thời gian lấy nước (h)  Tưới theo dải + Mục đích và điều kiện áp dụng Tưới dải là hình thức phân phối nước cho cây trồng theo dòng chảy tràn trên dải tưới. Mặt ruộng được chia thành từng ô nhỏ ngăn cách bởi các bờ dải, nước chảy tràn trên mặt ruộng từ đầu dải đến cuối dải. Quá trình chảy, nước sẽ ngấm xuống tầng rễ cây và cung cấp nước cho cây trồng. Tưới dải được áp dụng đối với cây trồng không theo hàng như cỏ, lúa mì, mạ… Thuận lợi đối với vùng có độ dốc mặt đất trung bình (0,005÷0,02) và điều kiện là nguồn nước ngầm cung cấp phong phú. + Sơ đồ cấu tạo CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 8 + Phương pháp tính toán các kỹ thuật tưới dải theo dòng ổn định Mục đích tính toán là xác định các thông số của kỹ thuật tưới nhằm thỏa mãn các yêu cầu tưới. Các thông số đó là lưu lượng lấy vào đầu dải, thời gian tưới, chiều dài dải tưới và chiều dài dòng chảy trên dải khi mở nước tưới. Trong thời gian nước chảy từ đầu giải xuống cuối dải, đồng thời nước cũng ngấm xuống tầng đất. Khi ngấm đến cuối dải thì nước trên dải cũng vừa hết. Vì vậy trong tưới dải phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: - Trong thời gian tưới quy định nước phải ngấm hết xuống đất. - Độ ẩm ở đầu dải và cuối dải phải xấp xỉ bằng nhau. - Có tốc độ nước chảy trong dải thích hợp không làm xói lở mặt dải đồng thời phải có trị số thích hợp so với tốc độ ngấm hút của đất để tránh lãng phí nước. - Độ ẩm trong tầng đất nuôi cây phải đạt độ ẩm thích hợp. - Lượng nước ngấm trong thời gian tính toán phải bằng lượng nước yêu cầu trong thời gain đó. Để có thể đảm bảo những yêu cầu trên, ngoài điều kiện về độ dốc phải thỏa mãn i = 0,0005 ÷ 0,02 chúng ta phải xác định được những trị số thích hợp của những yếu tố kỹ thuật trong tưới dải như: 1. Chiều dài của dải l; 2. Chiều dài lấy nước X; Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 9 3. Lưu lượng lấy vào đầu dải q o ; 4. Tốc độ nước chảy trong dải V; 5. Thời gian lấy nước trong dải t. Trong thực tế để xác định được các trị số thích hợp từ các điều kiện ban đầu như: Mức tưới, điều kiện địa hình, địa chất… Chúng ta phải thông qua thí nghiệm hoặc tổng kết tài liệu nhiều năm từ các khu đã thực hiện tưới dải. + Sơ đồ và các giả thiết tính toán Cắt mặt cắt theo chiều dài của dải và xét với 1m chiều rộng của dải ta có sơ đồ như hình 2.4 với các giả thiết: - Dòng chảy trong dải là ổn đinh; - Lớp nước mặt ruộng rất nhỏ so với chiều dài dải l. Dựa vào sơ đồ trên, chúng ta sẽ nghiên cứu các yếu tố dòng chảy trên dải để từ đó rút ra các đại lượng cần xác định. + Tính toán cụ thể  Xác định phương trình đường mặt nước trên dải Xét mặt cắt đầu giải một đoạn x nào đấy, tốc độ dòng chảy tại mặt cắt này có thể xác định theo dòng chảy đều: RJCV 1x = (2-7) Trong đó: C 1 – hệ số tốc độ (hệ số Sêzi); R- bán kính thủy lực; Hình 2.4: Sơ đồ tính CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trang 10 J – độ dốc thủy lực. Trên mặt đất, hệ số C 1 có thể xác định theo công thức của Bazanh: Rγ R87 C 1 + = (2-8) Trong đó: γ - độ gồ ghề của mặt đất, γ thay đổi theo mức độ kênh tác và loại cây trồng. Theo kinh nghiệm γ = 1,5 ÷ 4,0; R – bán kính thủy lực: 2yb by χ ω R + == , vì y <<b nên có thể coi R = y Do đó: yγ y87 Rγ R87 C 1 + = + = Mặt khác do y rất nhỏ so với γ nên y y87 yγ y87 C 1 = + = Vậy : y γ J87 yJ γ y87 V x == (2-9) Đặt γ J87 C = , và C gọi là đặc trưng cho trạng thái đất tưới. Do đó: V x = Cy (2-10) Lưu lượng chảy qua một đơn vị chiều rộng dải tại mặt cắt x sẽ là: q x = V x y = Cy 2 (2-11) Tính toán tương tự đối với mặt cắt x +dx ta có: q x+dx = C(y - dy) 2 (2-12) Sự biến thiên lưu lượng từ mặt cắt x đến x +dx là: q x+dx – q x = C y 2 – 2Cydy +C(dy) 2 - Cy 2 Do dy nhỏ nên (dy) 2 ≈ 0. Vậy: q x+dx – q x = – 2Cydy . đến x +dx là: q x+dx – q x = C y 2 – 2Cydy +C(dy) 2 - Cy 2 Do dy nhỏ nên (dy) 2 ≈ 0. Vậy: q x+dx – q x = – 2Cydy CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THUỶ. tại đầu dải : 2 0 Chq = Thay C ’ vao ta được: 2 α 0 2 Chx t nK +−=Cy x tCh nK 1hx Ct nK h Ct xnKCht y 2 0 α 0 2 α 0 2 −=−= − =⇒ CHƯƠNG 2- NHU CẦU NƯỚC