CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.3. Xây dựng mô hình tưới thích hợp cho vùng sản xuất rau an toàn
3.3.2. Thiết kế hệ thống tưới phun mưa và tưới nhỏ giọt
3.3.2.1. Thiết kế hệ thống tưới phun mưa
1. Lựa chọn, bố trí vòi tưới phun mưa - Chọn vòi phun mưa:
Chọn vòi phun mưa áp lực thấp có hình thức phun hình tròn. Loại vòi chọn là Gyronet Tubo của hãng Netafim, là vòi phun mưa hạt nhỏ áp suất thấp, đầu vòi phun bằng nhựa kỹ thuật có khả năng chống bức xạ mặt trời và các hóa chất nông nghiệp nên có độ bền cao, các thông số kỹ thuật chính của vòi ở bảng 3.12
Bảng 3.12: Các thông số kỹ thuật của vòi Gyronet Tubo
Model Lưu lượng vòi phun (l/h)
Kích thước miệng vòi (mm)
Áp lực làm việc (bar)
Đường kính phun trung
bình (m)
Chỉ số hình thái chảy X
300 287 2,31 2,0 11,5 0,5
Hình 3.3: Vòi phun Gyronet Tubo - Lựa chọn sơ đồ bố trí vòi phun trên hệ thống:
Khu tưới có tốc độ gió trung bình vào thời gian tưới là từ 1,6 ÷ 1,8m/s và gió thổi hay thay đổi hướng do đó ta lựa chọn sơ đồ bố trí vòi kiểu hình vuông (hình 3.2). Bố trí theo kiểu này còn thuận lợi cho việc thi công lắp đặt và vận hành tưới nước.
Vì gió có tốc độ thay đổi đáng kể thì nhân kích thước a và b với một hệ số điều chỉnh ζ. Khi đó a = a.ζ và b = b.ζ.
a : Khoảng cách giữa hai vòi phun b : Khoảng cách giữa hai ống phun
ζ : Hệ số điều chỉnh ảnh hưởng của gió. ζ = f (Vgió) ≤ 1
Căn cứ các thông số kỹ thuật của vòi phun ta xác định được kích thước a và b như sau:[41]
a = b = 1,3.R = 1,3 . 5,75 = 7,475 m
Do mỗi đoạn ống tưới phun thường có chiều dài tiêu chuẩn là 6 m nên giá trị khoảng cách a và b thường là bội số của 6. Vì vậy, ta chọn a = b = 6 m.
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí vòi phun mưa kiểu hình vuông
2. Bố trí sơ đồ hệ thống tưới phun mưa và các thiết bị, phụ tùng trên đường ống
Sơ đồ hệ thống tưới phun mưa ở hình 3.5 a. Chọn loại hệ thống tưới phun mưa
Hiện nay hệ thống tưới phun mưa được sử dụng khá nhiều, thiết bị phong phú với giá thành hợp lý. Vì vậy để đảm bảo yêu cầu nước cho cây trồng và tạo để điều kiện thuận lợi cho công tác quản lý vận hành sau này chọn hệ thống phun mưa cố định. Tất cả các bộ phận cấu thành hệ thống đều cố định, riêng vòi phun mưa có thể tháo lắp để sử dụng luân lưu trong các diện tích tưới luân phiên. Trong đó, ống chính, ống nhánh chôn dưới đất, vòi phun được lắp đặt trên ống đứng cố định nối với ống nhánh cấp cuối cùng.[15]
R=5,75m
6 m
6m 6m 6m
Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống tưới phun mưa b. Bố trí hệ thống đường ống và van các loại
- Đường ống chính: Đường ống chính bố trí chạy dọc theo đường biên phía Bắc khu tưới (giỏp với đường liờn thụn Vừng Ngoại – Bảo Lộc), chiều dài ống chớnh là 315m, đầu đường ống có van điều chỉnh.
- Đường ống nhánh cấp 1: bố trí về một phía của ống chính và thẳng góc với ống chính, có 4 đường ống nhánh cấp 1, mỗi ống nhánh phụ trách tưới cho 2,304 ha, khoảng cách giữa các ống nhánh là 96 m, chiều dài ống nhánh cấp 1 là 121 m. Ở đầu mỗi đường ống nhánh có các van khóa nước.
- Đường ống nhánh cấp 2: bố trí về một phía của ống nhánh cấp 1và thẳng góc với ống chính, mỗi ống nhánh cấp 1 cung cấp nước cho 2 ống nhánh cấp 2, mỗi ống nhánh cấp 2 phụ trách tưới cho 1,152 ha, chiều dài ống nhánh cấp 2 là 114 m. Ở đầu mỗi đường ống nhánh có các van khóa nước.
- Đường ống tưới (đường ống nhánh cấp cuối cùng): bố trí về một phía của ống nhánh cấp 2 và thẳng góc với ống nhánh cấp 2, khoảng cách giữa các ống tưới là
6m, chiều dài mỗi đường ống tưới là 90m. Mỗi ống nhánh cấp 2 cung cấp nước đồng thời cho 20 ống tưới. Các vòi phun mưa được lắp đặt trực tiếp trên ống tưới, khoảng cách giữa các vòi là 6m, mỗi ống tưới cung cấp nước cho 16 vòi tưới, nối tiếp vòi phun mưa với ống tưới bằng ống đứng có chiều cao 1m.
c. Bố trí các thiết bị, phụ tùng trên hệ thống
Các thiết bị, phụ tùng đường ống phun mưa gồm các van nước, các cút nối ống, các giá đỡ đường ống, đoạn giá đỡ vòi phun…
3.Tính toán chế độ tưới phun mưa a. Mức tưới thiết kế
Căn cứ vào kết quả tính toán chế độ tưới cho cây cải bắp, chọn mức tưới thiết kế của cây cải bắp là m = 27,1 (mm).
b. Chu kỳ tưới thiết kế
T = m
e (3.1)
Trong đó: T là chu kỳ tưới thiết kế (ngày)
m là mức tưới mỗi lần, m = 27,1 mm
e là cường độ hao nước bình quân ngày lớn nhất của cây cải bắp trong thời gian tưới, e = 2,45 mm/ngày
Thay số: T =m = 27,1= 11
e 2, 45 (ngày) Chọn chu kỳ tưới là 8 ngày
c. Thời gian tưới phun tại mỗi vị trí
t = a.b.m
1000.q (3.2)
Trong đó: t là thời gian tưới tại một vị trí (h) m là mức tưới, m = 27,1 (mm ).
q là lưu lượng của một vòi phun, q = 0,287 (m3/h) a : Khoảng cách giữa hai vòi phun, a = 6 (m) b : Khoảng cách giữa hai ống phun, b = 6 (m)
Thay số: t = 6.6.27,1 = 3, 4(h) 1000.0, 287
4. Xác định chế độ hoạt động của hệ thống tưới phun mưa a. Phân tổ tưới luân phiên
Chia khu tưới thành 8 tổ tưới luân phiên, diện tích mỗi tổ là 1,152 ha, diện tích tưới của mỗi tổ tưới luân phiên là diện tích phụ trách của một ống nhánh cấp 2.
b. Số vị trí di chuyển trong mỗi ngày của vòi tưới
n d
n = t
t + t (3.3)
Trong đó: tnlà thời gian tưới mỗi ngày (h). Bố trí một ngày làm 1,5 ca, tn = 12h td là thời gian cần thiết cho mỗi lần tháo lắp, di chuyển vòi tưới (h).
Giả thiết td = 5h
Thay số ta được: n = 12 = 1, 43
3, 4 + 5 vị trí; chọn n = 1 vị trí 5. Tính toán thủy lực hệ thống đường ống
a. Tính toán lưu lượng ống chính, ống nhánh, ống tưới - Xác định lưu lượng đầu vào ống tưới:
Qt = nv.qv (3.4)
Trong đó: Qtlà lưu lượng lấy vào đầu ống tưới (m3/h ) nvlà số vòi trên ống tưới, nv = 16 (vòi)
qvlà lưu lượng vòi phun, qv = 287 (l/h) = 0,287( m3/h) Thay số: Qt = 0,287.16 = 4,592 (m3/h)
- Xác định lưu lượng đầu vào ống nhánh cấp 2:
Qnc2 = nt. Qt (3.5)
Trong đó: Qnc2là lưu lượng lấy vào đầu ống nhánh cấp 2 (m3/h ) ntlà số ống tưới hoạt động đồng thời
Trên mỗi đường ống nhánh cấp 2 bố trí 20 ống tưới tưới làm việc đồng thời nên lưu lượng ống nhánh là:
Qnc1 = 20.4,592 = 91,84 (m3 /h) - Xác định lưu lượng đầu vào ống nhánh cấp 1:
Trên mỗi đường ống nhánh cấp 1 chỉ thực hiện tưới cho một đường ống nhánh cấp 2 nên: Qnc1 = Qnc2 = 91,84 (m3 /h)
- Xác định lưu lượng đầu vào ống chính:
Do ống chính chỉ tưới luân phiên một đường ống nhánh cấp 1 nên:
Qc = Qnc1 = 91,84 (m3/h)
b. Tính đường kính ống chính, ống nhánh, ống tưới
Sử dụng công thức của Lôbasep để tính đường ống kinh tế, tức là công thức này sẽ cho kết quả ứng với kinh phí xây dựng đường ống là nhỏ nhất.
Công thức có dạng: D = X.Q0,42 (3.6)
Trong đó: D là đường kính ống (m) X là hệ số; X = 0,8 ÷ 1,2
Q là lưu lượng đường ống (m3/s) - Đường kính ống chính:
DC = 0,8. (91,84/3600)0,42 = 0,171 (m) = 171(mm)
Trên thị trường có ống nhựa PVC có D = 180mm nên ta chọn ống có đường kính là: Dc = 180 (mm)
- Đường kính ống nhánh:
Do chỉ thực hiện tưới trên từng ống nhánh nên lưu lượng của ống nhánh bằng lưu lượng của ống chính và đường kính của ống nhánh là: Dnc1 = Dnc2 = 180 (mm)
- Đường kính ống tưới:
Dt = 0,8. (4,592/3600)0,42 = 0,049 (m) = 49 (mm)
Trên thị trường có ống PVC có D = 48 mm nên ta chọn ống có đường kính là:
Dt = 48 (mm)
c. Tính toán tổng tổn thất cột nước của ống chính, ống nhánh, ống tưới Chọn tuyến ống dài nhất từ điểm phun cuối cùng theo ống dẫn tưới, ống dẫn nhánh, ống dẫn chính đến trạm bơm. Theo phân tích so sánh, ống nhánh xa trạm bơm nhất (ống nhánh thứ 4 từ trạm bơm) và tổ tưới luân phiên thứ 2 (từ đầu ống nhánh cấp 1) là tổ xa nhất nên được chọn để tính tổn thất cột nước ống chính, ống nhánh và ống tưới.
- Tổng tổn thất cột nước của ống nhánh các cấp được xác định theo công thức:
ΔH = K.h'f (3.7a)
h = F.h'f f (3.7b)
b
m
f d
L h = fQ
(3.7c) Trong đó:
ΔH là tổng tổn thất cột nước của ống nhánh (m)
K là hệ số xét đến tổn thất cột nước cục bộ của ống nhánh, chọn K = 1,15 h’f là tổn thất đường dài của ống nhánh có nhiều lỗ thoát nước ra (m)
hf là tổn thất đường dài của ống nhánh không xét ảnh hưởng của các lỗ thoát nước ra làm giảm lưu lượng theo chiều dài ống (m)
Q là lưu lượng vào đầu ống nhánh (m3/h) L là chiều dài ống nhánh (m)
d là đường kính trong của ống (mm) f là hệ số ma sát đường dài
m, b Lần lượt là chỉ số lưu lượng và chỉ số đường kính F là hệ số suy giảm,
+ Tổng tổn thất cột nước của ống tưới:
Ta có: dt = 48-2,4 = 45,6 (mm); Lt = 90 (m); Qt = 4,592 (m3/h); với loại ống chất dẻo f = 0,948.105, m = 1,77, b = 4,77; với m = 1,77 và x = 1 tra bảng lập sẵn được F = 0,406 [14] thay vào công thức ta tính được:
5 1,77
t 4,77
0, 948.10 .4, 592 .90
ΔH = 1,15.0,406. = 0,722(m)
45, 6 + Tổng tổn thất cột nước của ống nhánh cấp 2:
Ta có: dnc2 = 180-8,6 = 171,4 (mm); Lc2 = 114 (m); Qt = 91,84 (m3/h); thay vào công thức ta tính được:
5 1,77
c2 4,77
0, 948.10 .91,84 .114
ΔH = 1,15.0,406. = 0,332(m)
171, 4 + Tổng tổn thất cột nước của ống nhánh cấp 1:
Ta có: dnc1 = 180-8,6 = 171,4 (mm); Lc1 = 121 (m); Qt = 91,84 (m3/h) nên ta có:
5 1,77
c1 4,77
0, 948.10 .91,84 .121
ΔH = 1,15.0,406. = 0,352(m)
171, 4
- Tổng tổn thất cột nước của ống chính được xác định theo công thức:
m
c c
c f b
c
ΔH = K.h = K.fQ L
d (3.8)
Ta có: dc = 180-8,6 = 171,4 (mm); Lc = 96.3+27 = 315 (m); Qt = 91,84 (m3/h);
thay vào công thức ta tính được:
5 1,77
c 4,77
0, 948.10 .91,84 .315
ΔH = 1,15. = 2,260(m)
171, 4
d. Kiểm tra chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi trên đường ống tưới và chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi khi cùng tưới đồng thời trong một diện tích
- Kiểm tra chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi trên đường ống tưới:
Hvđ – Hvc < 10%.Hv (3.9)
Trong đó: Hvđlà áp lực làm việc của vòi đầu đường ống tưới (m) Hvclà áp lực làm việc của vòi cuối đường ống tưới (m) Hvlà áp lực làm việc thiết kế của vòi (m)
Ta có: Hvđ – Hvc= ΔHt = 0,722 (m), 10%.Hv = 0,1.20 = 2(m);
Ta thấy 0,722 < 2 thỏa mãn điều kiện chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi trên ống tưới, điều này cho thấy chiều dài đường ống tưới là hợp lý.
- Kiểm tra chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi khi cùng tưới đồng thời trong một diện tích
H’vđ – H’vc < 10%.Hv (3.10) Trong đó: H’vđlà áp lực làm việc của vòi đầu diện tích cần tưới (m)
H’vclà áp lực làm việc của vòi cuối diện tích cần tưới (m) Hv là áp lực làm việc thiết kế của vòi (m)
Ta có: H’vđ – H’vc= ΔHt+ ΔHnc1 + ΔHnc2 = 0,722 + 0,332 + 0,352 = 1,406 (m), 10%.Hv = 2(m);
Ta thấy 1,406 < 2 thỏa mãn điều kiện chênh lệch áp lực làm việc giữa 2 vòi khi cùng tưới đồng thời trong một diện tích, điều này chứng tỏ chiều dài đường ống nhánh cấp 2 là hợp lý.
e. Tính toán tổng cột nước của hệ thống tưới phun mưa
H = Zđ – Zs + Hv + Hđ + ΔHt+ ΔHnc1+ ΔHnc2 +ΔHc + ΔH (3.11) Trong đó:
H là tổng cột nước thiết kế của hệ thống tưới phun mưa (cột nước bơm) (m) Zđ là cao trình mặt đất tại vòi phun điển hình (m). Zđ = 9,93 (m)
Zs là cao trình mặt nước, nguồn nước (mặt nước bề hút trạm bơm). Zs = 8,8 (m)
Hvlà cột nước đầu vòi (m). Hv = 20 (m)
Hđ là chiều cao ống đứng tại vị trí lắp vòi điển hình (m). Hđ = 1,0 (m)
ΔHt; ΔHn ; ΔHclần lượt là tổng tổn thất cột nước trên đường ống chính, ống nhánh, ống tưới tính từ đầu đường ống chính đến vị trí vòi phun điển hình (m)
ΔH là tổn thất cột nước từ van đáy ống hút đến đầu vào của ống chính bao gồm: tổn thất qua van đáy ống hút, tổn thất dọc đường trên ống hút, tổn thất dọc đường từ máy bơm đến đầu vào ống chính, tổn thất qua thiết bị châm phân bón, tổn thất qua đồng hồ đo áp lực, đồng hồ đo lưu lượng, van... Sơ bộ chọn ΔH = 5 (m)
Thay số ta được:
H = 9,93 - 8,8 + 20,0 + 1,0 + 0,722 + 0,332 + 0,352 + 2,260 + 5 = 30,796 (m) 6. Tính toán thủy lực bằng phần mềm HydroCalc của Netafim
a. Tính thủy lực đường ống tưới
Số liệu đầu vào ở bảng 3.13, kết quả tính ở bảng 3.14
Bảng 3.13: Số liệu yêu cầu tính vòi phun và ống tưới
Loại vòi Khoảng cách vòi phun (m)
Lưu lượng vòi phun
(l/h)
Đường kính ngoài
ống PVC (mm)
Đường kính trong
ống PVC (mm)
Chiều dài ống tưới
(m)
Áp lực cuối đường
ống (m)
Gryonet Tubo 6 300 50 48 90 20
Bảng 3.14: Kết quả tính thủy lực đường ống tưới phun
Tổng số vòi tưới
Chiều dài ống tưới
(m)
Tổng tổn thất cột nước (m)
Cột nước đầu đường
ống tưới (m)
Tốc độ nước chảy
(m/s)
Lưu lượng trung bình vòi tưới
(l/s)
16 90 0,46 20,46 0,71 287,46
b. Tính thủy lực đường ống nhánh cấp 2
Số liệu đầu vào ở bảng 3.15, kết quả ở bảng 3.16
Bảng 3.15: Số liệu yêu cầu tính đường ống nhánh tưới phun cấp 2
Sơ đồ
Lưu lượng đầu đường ống (m3/h )
Đường kính ngoài ống PVC (mm)
Đường kính trong
ống PVC (mm)
Chiều dài đường ống
(m)
Áp lực đầu đường ống
(m)
Số đường ống tưới
Hình vuông 91,84 180 171,4 114 21,05 20
Bảng 3.16: Kết quả tính thủy lực đường ống nhánh tưới phun cấp 2 Tổng chiều dài
đường ống (m)
Tổng tổn thất cột nước (m)
Áp lực cuối đường ống (m)
Tốc độ nước chảy (m/s)
114 0,25 20,08 1,11
c. Tính thủy lực đường ống nhánh cấp 1
Số liệu đầu vào ở bảng 3.17, kết quả ở bảng 3.18
Bảng 3.17: Số liệu yêu cầu tính đường ống nhánh tưới phun cấp 1
Sơ đồ
Lưu lượng đầu đường ống (m3/h )
Đường kính ngoài ống PVC (mm)
Đường kính trong
ống PVC (mm)
Chiều dài đường ống
(m)
Áp lực đầu đường ống
(m)
Số đường ống nhánh
cấp 2
Hình vuông 91,84 180 171,4 121 21,8 1
Bảng 3.18: Kết quả tính thủy lực đường ống nhánh tưới phun cấp 1 Tổng chiều dài
đường ống (m)
Tổng tổn thất cột nước (m)
Áp lực cuối đường ống (m)
Tốc độ nước chảy (m/s)
121 0,7 21,1 1,11
d. Tính toán thủy lực đường ống chính
Số liệu đầu vào ở bảng 3.19, kết quả ở bảng 3.20
Bảng 3.19: Số liệu yêu cầu tính đường ống tưới phun chính Lưu lượng đầu
đường ống (m3/h )
Đường kính ngoài ống PVC (mm)
Đường kính trong ống PVC (mm)
Chiều dài đường ống
(m)
Áp lực đầu đường ống
(m)
Số đường ống nhánh cấp 1
91,84 180 171,4 315 23,7 1
Bảng 3.20: Kết quả tính thủy lực đường ống tưới phun chính Tổng chiều dài
đường ống (m)
Tổng tổn thất cột nước (m)
Áp lực cuối đường ống (m)
Tốc độ nước chảy (m/s)
315 1,82 21,88 1,11
e. Tính toán tổng tổn thất của hệ thống tưới phun mưa Áp dụng công thức 3.11
H = 9,93 - 8,8 + 20,0 + 1,0 + 0,46 + 0,25 + 0,7 + 1,82 + 5 = 30,36 (m)
Nhận xét: Sai số giữa kết quả tính toán bằng tay và bằng phần mềm chênh lệch nhau 1,43%.
7. Chọn máy bơm
Căn cứ vào lưu lượng máy bơm và cột nước bơm Q = 91,84 m3/h, H = 30,796 m. Tra bảng catalog của Công ty cổ phần chế tạo bơm Hải Dương, chọn máy bơm ly tâm một cấp trục ngang LT95-35 có Q = 50÷140 m3/h, H = 39÷27 m.
8. Chọn các thiết bị
- Thiết bị hòa phân bón: Bộ châm phân bón Venturi của hãng Netafim có:
+ Model F (2" x 12)
+ Lưu lượng từ (1,35÷1,95) m3/h
Hình 3.6: Bộ châm phân bón Venturi
- Đồng hồ đo nước: Chọn loại đồng hồ Arad IRT của hãng Netafim có:
+ Đường kính d = 150 mm
+ Lưu lượng đo Q = 10 ÷250 m3/h + Áp suất làm việc tối đa p = 16bar
Hình 3.7: Đồng hồ đo nước Arad IRT
- Đồng hồ đo áp lực: Chọn đồng hồ đo áp lực của hãng OR-Italy có:
+ Model: 0301
+ Áp lực đo: 0÷10 bar
Hình 3.8: Đồng hồ đo áp lực OR
9. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật a. Cường độ phun mưa
hh
1000.q
ρ = A (3.12)
Trong đó: ρ là Cường độ phun mưa bình quân (mm/h) q là Lưu lượng của vòi phun, q = 0,287 (m3/h) Ahh là diện tích tưới phun hữu hiệu (m2) Ahh = a.b = 6.6 = 36 (m2)
Thay số: ρ =1000.0, 287 = 7,97
36 (mm/h)
b. Xác định diện tích đảm bảo tưới
- Diện tích tưới được trong 1 ngày là F1 ngày = 1,15 (ha)
- Diện tích tưới trong 8 ngày là F = 1,152.8 = 9,216 (ha), đảm bảo diện tích khu tưới.