Giáo trình QHTKHTTL chuong 3- ĐHBKĐN- Tiêu nước trong hệ thống thủy lợi

CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Chương 3 TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Nước rất cần thiết cho mọi cây trồng nhưng do tình hình mưa nước ta rất phức tạp. Trong mùa mưa lượng mưa lớn phân bố không đều, có ngày mưa đến 200 ÷ 300 mm sẽ tạo cho cây trồng một lượng nước vượt quá công thức tưới tăng sản quy định. Thường trận mưa 3 ngày ( p = 10%) đến 500mm, cây trồng sẽ bị ngập ( bị úng) làm giảm độ thoáng khí trong đất, gây khó khăn cho việc phân giải các chất hữu cơ trong đất để cung cấp các chất dinh dưỡng cho cây trồng, làm sản lượng cây trồng bị giảm nhỏ. Nên ta cần tiêu bớt lượng nước thừa trong ruộng để đảm bảo chế độ nước thích hợp cho cây trồng, cải thiện chế độ nhiệt, độ ẩm và vi sinh vật trong đất. Do đó tiêu thoát nước trong nông nghiệp là một vấn đề quan trọng như tưới nước.Thiếu nước thì cây trồng không phát triển được nhưng ngược lại thừa nước cây trồng cũng suy yếu. Do đó hai vấn đề này cần phải giải quyết song song trong quy hoạch thiết kế hệ thống thủy lợi. Tính toán chế độ tiêu nhằm xác định các chỉ tiêu cơ bản để xây dựng các công trình tiêu ( Hệ số tiêu q tiêu , kích thước công trình tiêu). Người ta thường xây dựng đường quá trình tiêu (q tiêu ~ t) với các trận mưa ngắn ngày 1, 3, 5, 7 ngày để thiết kế các công trình tiêu hoặc với một mùa mưa ( Mưa vụ) để thiết kế các trạm bơm tiêu. Tiêu nước gồm co hai loại - Tiêu nước mặt - Tiêu nước ngầm Để giải quyết vấn đề tiêu nước, khi tính toán chế độ tiêu ta phải theo phương châm: “ Tiêu nước có điều tiết” để cho thời gian tiêu T tiêu lớn hơn thời gian mưa t mưa (T tiêu > t mưa ). Do lượng mưa nước ta lớn, nếu tiêu không điều tiết thì q tiêu lớn do đó kích thước công trình tiêu lớn (vô ích, không kinh tế). Tiêu nước có điêu tiết bằng cách: - Tại mặt ruộng dựa vào khả năng chịu ngập của cây trồng để tạo thời gian tiêu lớn hơn thời gian mưa (Đây là hình thức rãi nước) - Dùng ao hồ, khu trũng, kênh mương, ruộng nuôi cá hay ruộng hy sinh để trữ bớt một phần lượng mưa rồi tiêu dần vào thời gian sau khi mưa hoặc ở các thời gian tiêu nước không căng thẳng để giảm nhỏ hệ số tiêu(Hình thức chôn nước) CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trong một hệ thống thủy lợi thường bao gồm nhiều đối tượng cần tiêu như đất cấy lúa, đất trồng cây trồng cạn, đất ao hồ, đất thổ cư, đường sá. Do vậy để xác định được hệ số tiêu tổng hợp cho khu vực cần phải tính được hệ số tiêu thành phần, vì mỗi loại khu tiêu có đặc điểm khác nhau. 3.1 TÍNH HỆ SỐ TIÊU CHO VÙNG TRỒNG LÚA Do tình hình mưa rất phức tạp và phân bố không đồng đều cả về không gian và thời gian, do đó tạo nên trên mặt ruộng một lớp nước vượt quá công thức tưới tăng sản, nếu như kéo dài thì sẽ gây nên sự ngập úng và giảm năng suất của cây trồng có khi dẫn đến mất mùa. Vì vậy cần phải nghiên cứu giải quyết lượng nước thừa đó cho từng loại cây gọi là chế độ tiêu. Nhiệm vụ tính toán chế độ tiêu cho cây lúa chính là đi xác định các chỉ tiêu cơ bản sau : hệ số tiêu q tiêu và kích thước công trình tiêu để xây dựng công trình tiêu hợp lý. Lúa là loại cây trồng có khả năng chịu ngập cao. Khả năng này thay đổi tùy theo từng giống lúa và tùy vào từng thời kỳ sinh trưởng của cây lúa. Khả năng chịu ngập của lúa được đặc trưng bởi hai yếu tố: Độ sâu chịu ngập h n và thời gian chịu ngập ( thời gian tiêu cho phép) [T] n , hai yếu tố này tỷ lệ nghịch với nhau ( khi h n tăng thì [T] n giảm và ngược lại) 3.1.1 Các tài liệu cần thiết - Mô hình mưa tiêu lớn nhất thời đoạn ngắn 1, 3, 5, 7 ngày theo tần suất thiết kế, thường P = 10%. - Đặc trưng thấm của đất (hệ số thấm ổn định) - Lượng bốc hơi mặt ruộng trong thời gian tính toán - Khả năng chịu ngập của lúa theo tài liệu thí nghiệm, thường được xác định theo chiều cao cây lúa. - Thời gian tiêu cho phép, thường được xác định theo: [T] = t+t o [T] – thời gian tiêu cho phép ( ngày) (3.1) CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi t – thời gian mưa theo mô hình tính toán ( ngày). t o – thời gian cần rút hết nước mặt ruộng sau khi mưa. Đối với khu vực miền Trung t o = 2 ngày. 3.1.2 Phương pháp tính toán Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở cân bằng nước mặt ruộng và tình hình công trình. Ở đây được tính khi hệ thống tiêu hoàn chỉnh, các ô ruộng đều có công trình tiêu tự chảy ra kênh tiêu. Do vậy phương pháp tính toán phụ thuộc vào loại công trình tiêu và trạng thái chảy qua công trình. Công trình trên mặt ruộng có thể là đập tràn hoặc ống tiêu. 1. Công trình tiêu nước mặt ruộng là cửa tràn Hình 3.1 Sơ đồ tính toán công trình tiêu là cửa tràn a) Trường hợp chảy tự do Trường hợp này dựa vào hệ phương trình - Cân bằng nước tại mặt ruộng - Phương trình năng lượng ( dòng chảy qua công trình) + Phương trình cân bằng nước tại mặt ruộng: P i - (h 0i + q 0i )= ± ∆H i Trong đó: h max Loại cửa tràn Loại ống tiêu a i H i a i-1 i H H i-1 h max a i tb K e e i P i (1) CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi P i : lượng mưa rơi xuống trong thời đoạn tính toán (mm/ ngày) h 0i : lượng ngấm và bốc hơi (mm/ngày); h 0i = k e + e (mm/ngày) k e : hệ số ngấm; e: lượng bốc hơi ngày; (lấy tài liệu bốc hơi ngày của tháng ứng với lượng mưa trong tháng đó) ∆H i :lượng nước tăng giảm tại mặt ruộng trong ngày (mm/ngày) ∆H i = H i - H i-1 H i-1 : cột nước trên đỉnh đập tràn đầu ngày tính toán; H i : cột nước trên đỉnh đập tràn cuối ngày tính toán; q 0i : lưu lượng tiêu đơn vị (mm/ngày) ( )         += = max 0 2 3 000 054.0402.0 2274.0 h H m Hgbmq i i i (2) Trong đó: 0,274 hệ số đổi đơn vị từ m 3 /s sang mm/ngày m 0 : hệ số lưu lượng của đập tràn, phụ thuộc đặc tính, cấu tạo của từng loại đập, có thể xác định theo công thức ở trên hoặc có thể lấy như sau: m = 0,42 đối với đập tràn thành mỏng; m = 0,45 đối với đập tràn thực dụng; m = 0,35 đối với đập tràn đỉnh rộng; b 0 : chiều rộng đập tràn để tiêu cho đơn vị diện tích là 1 ha (m/ha), b 0 = b/ω i H : cột nước bình quân trong thời đoạn tính toán (mm) max1 2 h H aH i i i − ∆ ±= − (3) a i-1 : lớp nước mặt ruộng đầu thời đoạn tính toán; a i-1 > h max Các phương trình (1); (2); (3) là các phương trình cơ bản để xác định hệ số tiêu, với 3 ẩn số là: q 0i ; ∆H i ; i H Để giải 3 phương trình trên ta có thể dùng phương pháp giải tích hay đồ giải. • Xác định hệ số tiêu bằng phương pháp giải tích: Giải theo phương pháp đúng dần Để tiện theo dõi, ta lấy một ví dụ để tính toán với các tài liệu sau: -Mưa 5 ngày max từ ngày 17/5 đến ngày 21/5 CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi -Tổn thất do thấm và bốc hơi h 0i = 5,6 (mm/ngày). -Chiều cao cửa tràn h max = 160 mm. -Cho b 0 = 0.15 (m/ha); b 0 (m/ha)= 0.15m, hmax = 160m TT Ngày mưa P (mm) h oi (mm) Giả thiết q oi (mm) ∆ Ηi (mm) Hi tb (mm) ai (mm) m q' oi (mm) ai tb (mm) q tiêu (l/s-ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) 160 1 17/05 17.0 5.6 0.886 10.5 5.3 170.5 0.404 0.886 165.3 0.10 2 18/05 26.8 5.6 5.781 15.4 18.2 185.9 0.408 5.781 178.2 0.67 3 19/05 110.7 5.6 36.118 69.0 60.4 254.9 0.422 36.118 220.4 4.18 4 20/05 16.6 5.6 50.632 -39.6 75.1 215.3 0.427 50.632 235.1 5.86 5 21/05 93.2 5.6 49.716 37.9 74.2 253.2 0.427 49.716 234.2 5.75 6 22/05 0 5.6 43.830 -49.4 68.5 203.7 0.425 43.830 228.5 5.07 7 23/05 0 5.6 14.661 -20.3 33.6 183.5 0.413 14.661 193.6 1.70 8 24/05 0 5.6 5.612 -11.2 17.9 172.3 0.408 5.612 177.9 0.65 9 25/05 0 5.6 1.841 -7.4 8.5 164.8 0.405 1.841 168.5 0.21 10 26/05 0 5.6 0.196 -5.8 1.9 159.0 0.403 0.196 161.9 0.02 q tiêu = 5.86 l/s-ha Trong bảng trên các đại lượng ở cột (3); (4); đầu cột (8) là những giá trị đã biết trước khi tính toán. Sau đó giả thiết q 0i ở cột (5), tính i H theo phương trình (3) ở cột (7) Khi có i H ta tính được q ’ 0i theo phương trình 2 ở cột (10). Nếu q ’ 0i = q 0i thì giả thiết ban đầu là đúng, nếu không thì giả thiết lại Xác định trị số lớp nước bình quân theo công thức: a itb = i H + h max ở cột (11) Khi có a i-1 ; a itb ta xác định được lớp nước mặt ruộng cuối thời đoạn tính toán: a itb = (a i + a i-1 )/2 ⇒ a i = 2 a itb - a i-1 Trị số a i chính là trị số a i-1 của thời đoạn tính toán sau. Sau mỗi lần tính ta có các trị số a i-1 ; P i ; h 0i mới và tiếp tục tính toán cho thời đoạn tiếp theo. Quá trình tính toán sẽ thực hiện từ ngày đầu của trận mưa thiết kế cho đến khi kết thúc mưa và mực nước trên ruộng trở lại mực nước ban đầu thì sẽ kết thúc quá trình tính, sau đó kiểm tra điều kiện ràng buộc về thời gian tiêu cho phép và khả năng chịu ngập. Nếu thỏa mãn thì quá trình tính sẽ kết thúc, nếu không phải giả định lại b 0 và tính toán lặp lại tương tự như trên. CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Các bước thực hiện như sau: Bước 1: Giả thiết giá trị b 0 Bước 2: Tính toán lưu lượng tiêu đơn vị cho từng ngày Ngày thứ nhất: - Giả thiết giá trị b 0 (mm/ngày), dựa vào phương trình (1) xác định ∆H i - Dựa vào phương trình (3) để xác định i H - Dựa vào phương trình (2) xác định q ’ 0i và so sánh q ’ 0i và q 0i *Nếu q ’ 0i ≈ q 0i thì giả thiết đúng và tính tiếp bước 3 *Nếu q ’ 0i ≠ q 0i thì giả thiết lại q 0i và quay lại bước 2 - Xác định a i tb = i H +h max - Lớp nước cuối thời đoạn tính toán của ngày thứ nhất a i = 2a i tb - a i-1 ; đây cũng là lớp nước đầu thời đoạn của ngày thứ hai Ngày thứ 2: Các bước tính toán tương tự như ngày thứ nhất, cứ tiếp tục tính như thế cho các ngày tiếp theo khi nào q ’ 0i ≈ 0 thì dừng. Bước 3: Sau khi tính toán, ứng với mỗi giá tị b 0 ta có quan hệ (a tb ∼t), tiến hành so sánh với khả năng chịu ngập của cây trồng. *Nếu (a tb ∼t) ≤ ([h n ]∼t) thì b 0 chọn ban đầu là hợp lý *Nếu (a tb ∼t) > ([h n ]∼t) thì phải giả thiết lại b 0 và tính toán lại Bước 4 Hệ số tiêu thiết kế được xác định theo công thức sau: 64.8 max 0i tk q q = • Xác định hệ số tiêu bằng phương pháp đồ giải. Để thuận tiện trong đồ giải ta cần biến đổi hệ ba phương trình trên thành hệ 2 phương trình có 2 ẩn số i H ; q 0i : Từ phương trình 1: P i - (h 0i + q 0i )= ± ∆H i ta biến đổi như sau: P i - (h 0i + q 0i ) = H i - H i-1 ⇒ q 0i = (P i - h 0i )- H i + H i-1 Cộng trừ vế phải cho H i-1 ta có q 0i = (P i - h 0i ) + 2H i-1 - (H i + H i-1 ) ⇒ q 0i = (P i - h 0i + 2H i-1 )- 2 i H (l/s-ha) (3.2) CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Đặt W i = P i - h 0i + 2H i-1 ⇒ q 0i = W i - 2 i H (mm/ngày) Như vậy ở mỗi thời đoạn tính toán khi ta xác định được H i-1 ; (P i - h 0i ) thì sẽ xác định được W i . Do đó phương trình trên chỉ còn phụ thuộc vào 2 biến là q 0i ; i H Trong đó: H i-1 : là cột nước tràn ở thời đoạn trước. Ở thời đoạn bắt đầu tính toán thì H i-1 = a 0 - h max a 0 : lớp nước mặt ruộng trước khi tiêu h max : Chiều cao cửa tràn Từ phương trình 2 ta có: ( ) 2 3 000 2274.0 i i Hgbmq = Với b 0 cho trước thì phương trình trên chỉ còn phụ thuộc vào 2 biến là q 0i ; i H Hay nói cách khác ta cần vẽ 2 đường quan hệ sau: q 0i = f 1 ( i H ) với b 0 làm thông số q 0i = f 2 ( i H ) với W i làm thông số Đồ giải được tiến hành theo các bước sau như sau: Bước 1: Vẽ quan hệ q 0i = f 1 ( i H ) = 0.274m 0 (2g) 1/2 b 0 ( i H ) 3/2 ; với b 0 cho trước Bước 2: Vẽ quan hệ q 0i = f 2 ( i H ) = W i - 2 i H ; với W i làm thông số Trong đó: W i = P i - h 0i + 2H i-1 H i-1 = a 0 - h max Ngày thứ 1: cột nước tiêu đầu thời đoạn tính toán là H i-1 = a 0 - h max = 0 ⇒ W i = P i - h 0i q 0i = f 2 ( i H ) = (P i - h 0i )- 2 i H Xác định giao điểm của f 1 và f 2 giá trị tung độ chính là giá trị i H , vậy cột nước tiêu ở cuối thời đoạn thứ nhất là : H i = 2 i H - H i-1 . Ngày thứ 2: cột nước tiêu đầu thời đoạn tính toán chính là cột nước tiêu ở cuối thời đoạn thứ nhất H i-1 = H i Ngày thứ 3: Các bước tính toán tương tự như trên. cho đến khi H i ≈ 0. CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Bước 3: Sau khi đồ giải ta xác định được 1 bộ thông số quan hệ (q 0i ∼t); ( i H ∼t) từ các giao điểm của f 1 và f 2 . Xác định quan hệ (a itb ∼t) theo công thức sau: a itb = i H + h max So sánh (a itb ∼t) với khả năng chịu ngập của lúa ([h]∼t), sẽ có hai trường hợp xãy ra: Nếu (a itb ∼t) ≤ ([h]∼t) thì giá trị b 0 đã chọn ban đầu là hợp lý. Nếu (a itb ∼t) > ([h]∼t) thì giá trị b 0 đã chọn ban đầu là không hợp lý. Cần giả thiết lại và thực hiện lại các bước 1;2;3. Bước 4: Xác định hệ số tiêu thiết kế. Khi có quan hệ (q 0i ∼t) ta xác định được quan hệ (q i tiêu ∼t) theo công thức sau: q i tiêu = q 0i / 8.64 (l/s-ha) Hệ số tiêu thiết kế q tk = (q i tiêu ) max Hình 3.2 Sơ đồ giải bằng phương pháp giải tích b) Trường hợp chảy ngập Khi mực nước hạ lưu đập tràn cao hơn so với đỉnh tràn, lưu lượng chảy qua đập tràn sẽ bị ảnh hưởng của mực nước hạ lưu. Hệ phương trình lúc này sẽ là: P i - (h 0i + q 0i )= ± ∆H i (1) ( ) 2 3 000 2274.0 i ni Hgbmq σ = (2) max1 2 h H aH i i i − ∆ ±= − (3) Phương trình thứ (2) thêm hệ số σ n H itb q 0i = f 1 ( i H ); b 0 là thông số q 0i = f 2 ( i H ); W i là thông số q 0i W i /2 q 0i CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Hệ số σ n xác định theo tài liệu thí nghiệm, có thể tra theo bảng sách thủy lực tùy thuộc vào mực nước trên ruộng và mực nước kênh tiêu. Phương pháp giải tích để giải hệ phương trình này cũng giống trường hợp không ngập chỉ khác là phải xét đến hệ số σ n. . 2. Công trình tiêu nước mặt ruộng là ống tiêu Ống tiêu là công trình tiêu nước đơn giản, dễ bảo vệ vì đặt dưới bờ ruộng, bảo đảm lưu lượng tương đối ổn định khi chảy qua ống. Hình 3.3 Sơ đồ tính toán công trình tiêu là ống tiêu a) Trường hợp chảy tự do Hệ phương trình tính toán:                     −= −= 2 1 2 2274.0 2 d Hgq HWq ioi iioi µω (3.3) Trong đó: ω - diện tích mặt cắt ngang ống tiêu, có thể ω CN = b.h, ω tròn = 4/. 2 dΠ µ - hệ số lưu lượng, thường µ = 0.60 ÷ 0.62 Các giá trị khác ý nghĩa giống như trên và cách giải hệ phương trình (3.3) cũng tương tự như trường hợp đập tràn. b) Trường hợp chảy ngập Khi mực nước sau ống tiêu cao hơn đáy ống tiêu, khi đó hệ phương trình sẽ là:           = −= gZq HWq oi iioi 2274.0 2 µω (3.4) Z – là chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (mm). Cách giải hệ phương trình này cũng giống các trường hợp trên. 3.2 TÍNH TOÁN TIÊU CHO CÂY TRỒNG CẠN Chế độ tiêu nước cho hoa màu gồm: Tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm a i-1 a i H i-1 H i H itb h max d CHƯƠNG 3: TIÊU NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Đặc điểm của cây trồng cạn là khả năng chịu ngập kém, độ ẩm trong đất không vượt quá độ ẩm cho phép nên cần tiêu khẩn trương, mưa đến đâu tiêu đến đấy, thường tính theo mưa ngày. Do đó khi tính toán chế độ tiêu cho cây trồng cạn cần kết hợp tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm. Vì thế hệ số tiêu thường lớn so với lúa. 3.2.1 Tiêu nước mặt cho cây trồng cạn 3.2.1.1: Nguyên nhân và cách xác định hệ số tiêu : a.Nguyên nhân : -Do lượng mưa lớn và phân bố không đều, nhất là về mùa mưa -Do lượng nước ngoại lai, nước ở các khu khác chảy đến. b. Cách xác định hệ số tiêu: Tính toán chế độ tiêu nước mặt đất ở ruộng cây trồng khô, nhằm xác định đường hệ số tiêu, thỏa mãn yêu cầu sinh trưởng của cây trồng và bảo vệ đất. * Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ tiêu: Hệ số tiêu nước mặt đất ở ruộng cây trồng khô chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: - Lượng mưa, cường độ mưa và thời gian mưa - Tính ngấm của đất trồng - Địa hình, độ dốc mặt ruộng - Tình hình che phủ và cường độ bốc hơi mặt ruộng - Diện tích, hình dạng thửa ruộng, mức độ và điều kiện tiêu nước. Hệ số tiêu thay đổi theo nhiều yếu tố phức tạp nên mỗi nơi, mỗi lúc sẽ khác nhau. *Các phương pháp xác định hệ số tiêu: -Phương pháp lý luận: Dựa trên cơ sở hình thành dòng chảy để tìm ra công thức xác định hệ số tiêu. -Phương pháp thực nghiệm: Dựa vào các tài liệu quan trắc đo đạc từ đó tìm ra công thức xác định hệ số tiêu. -Phương pháp bán lý luận: Dựa vào lý luận và kết hợp với các tài liệu quan trắc để hiệu chỉnh lại hệ số tiêu. Dưới đây chỉ trình bày phương pháp lý luận là chính. *Xác định hệ số tiêu theo phương pháp lý luận: Trên cơ sở hình thành dòng chảy trên khu vực để xác định hệ số tiêu. Qúa trình hình thành dòng chảy trên ruộng khô phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: . 49.716 37 .9 74.2 2 53. 2 0.427 49.716 234 .2 5.75 6 22/05 0 5.6 43. 830 -49.4 68.5 2 03. 7 0.425 43. 830 228.5 5.07 7 23/ 05 0 5.6 14.661 -20 .3 33. 6 1 83. 5 0.4 13 14.661. 178.2 0.67 3 19/05 110.7 5.6 36 .118 69.0 60.4 254.9 0.422 36 .118 220.4 4.18 4 20/05 16.6 5.6 50. 632 -39 .6 75.1 215 .3 0.427 50. 632 235 .1 5.86 5 21/05 93. 2 5.6