Nguyên tắc chung của việc thiết kế các hệ thống kinh mương và điều tiết mặt ruộng là chia làm nhiều khu vực để biệt lập từng khu, khơng cho nước chảy từ nơi này qua nơi khác, khơng cho nước từ nơi cao dồn xuống nơi thấp, giữa các khu vực là các bờ. Cĩ các loại bờ sau:
• Bờ thửa: là các bờ ngăn các thửa ruộng trong 1 đơn vị cơ giới cĩ nhiệm vụ khống chế mực nước trong ruộng , giữ màu mở cho ruộng. Thường thì các bờ này cịn cĩ nhiệm vụ là các đường đi lại cho người hay trâu bị, để chăm sĩc, bĩn phân v.v.. Các bờ này thường là tạm thời hay bán cố định, chiều rộng 0,3-0,5 m nếu là người đi và 0,4-0,6 m nếu cĩ trâu bị. Mái dốc khơng nên qúa 1:1.5 và cao thường là dưới 0,3 m. Trong nhiều trường hợp bờ của các nong tưới chính là các bờ thửa. • Bờ khoảnh: Bờ khoảnh là bờ ven theo các mương cố định cấp cuối cùng, cĩ
nhiệm vụ điều chỉnh nước mưa tại chổ. Như thế bờ khoảnh là bờ dọc theo chiều dài của 1 đơn vị cơ khí hồn chỉnh.
Các bờ khoảnh này thường được kết hợp làm đường để xe bị, xe kéo cĩ thể hoạt động được, mang vật liệu hay sản phẩm ra đường cơ giới. Chiều rộng bờ khoảnh như thế nên từ 1,2 –1,5 m. Các bờ khoảnh thường chính là các bờ mương chân rết. Vì thế nước từ mương chân rết lấy vào ruộng (trồng lúa) hay vào các
nong tưới (cây trồng cạn) phải qua các cửa lấy nước (hình 8.9) hoặc cĩ thể dọc theo mương tiêu nhỏ nhất.
* Bờ vùng: cĩ tác dụng ngăn nước ngoại lai, khơng cho nước từ đồng cao dồn xuống đồng thấp. Bờ vùng thường chạy dọc theo và chính là bờ của các cấp kênh lớn hơn mương chân rết một cấp.
Các bờ vùng thường là đường cơ giới, là nơi máy cày , máy kéo, máy vận chuyển chạy từ trạm ra phục vụ cánh đồng. Vì thế bờ vùng phải cĩ kích thước lớn ít nhất là 3 m. 1,2 - 1,5 m I I Trắc diện I-I Hình 8.9: Bờ thửa, bờ khoảnh, bờ vùng. Ghi chú: : Tưới : Tiêu
Tùy theo điều kiện cụ thể, ta cĩ thể bố trí đường xe cơ giới theo 3 cách như sau:
Hình 8.10.a. Đường ở phía cao của vùng, sát kênh tưới. Cần các cống để lấy nước vào các mương chân rết Bờ vùng Bờ khỏanh Ruộng Đường Kênh tưới Kênh tiêu
Hình 8.10: Một số cách bố trí đường cơ giới
Hình 8.10.b. Đường ở phía thấp của vùng, sát kênh tiêu. Cần các cống để tiêu nước từ các tiểu câu
Hình 8.10.c. Đường ở giữa kênh tưới và tiêu của vùng. Cần các cầu để vào ruộng (ít khi sử dụng)
Chương 9: CHẾ ĐỘ TIÊU & HỆ THỐNG TIÊU NƯỚC MẶT RUỘNG.
Nội dung: I/ Tổng quát.
1. Định nghĩa.
2. Những dấu hiệu cho thấy cần tiêu nước. 3. Sự cần thiết và lợi ích của việc tiêu nước.
II/ Ảnh hưởng của tình trạng ngập úng lên đất đai và cây trồng. 1. Lên đất đai.
2. Lên cây trồng
- Các loại màu. - Rau.
- Cây ăn trái. - Lúa.
III/ Hệ số tiêu nước và Lưu lượng thiết kế cho kênh tiêu. 1. Hệ số tiêu nước cho cây trồng cạn.
2. Hệ số tiêu nước cho cây Lúa.
IV/ Các biện pháp tiêu nước mặt trên đồng ruộng. V/ Hệ thống kênh tiêu.
Từ khĩa: - Ngập úng (inudation), thời gian tập trung nước (Tc), lưu lượng tiêu, hệ số tiêu nước, hệ số chảy tràn, cường độ mưa.
Các vấn đề cần nắm vững:
1. Sự cần thiết và ích lợi của việc tiêu nước. 2. Các dấu hiệu cho thấy cần tiêu nước.
3. Thời gian ngập cho phép đối với cây trồng cạn, cây Lúa v.v… 4. Thời gian tập trung nước (Tc).
5. Lưu lượng tiêu nước.
Chương 9: CHẾ ĐỘ TIÊU & HỆ THỐNG TIÊU NƯỚC MẶT RUỘNG. I/ Tổng quát:
I.1. Định nghĩa và mục đích của việc tiêu nước
Đĩ là việc rút nước thặng dư trong ruộng ra ngồi bằng các ống ngầm, mương ngầm hay giếng, mương lộ thiên. Mục đích chính yếu của việc tiêu nước trong nơng nghiệp là làm mơi trường đất bị úng thích hợp với sự sinh sống của cây cối và do đĩ gia tăng năng suất của cây trồng.
I.2. Những dấu hiệu cho thấy cần tiêu nước
Người ta cĩ thể dựa vào các dấu hiệu của mặt đất, đất dưới sâu và của thảo mộc, gia súc chung quanh để biết khi nào cần thốt thủy. Các dấu hiệu thơng thường là:
• Mặt đất: nước đọng thành vũng hay mặt đất luơn ẩm ướt. Người và gia súc đi lại cĩ vết chân. máy kéo dễ bị sa lầy.
• Cỏ: xuất hiện nhiều cỏ ưa nước (ví dụ:cỏ lơng chồn, cỏ lác, lau sậy). • Cơn trùng và sinh vật: như ruồi, muỗi hay nhiều bù mắt, sên.
• Màu của đất: màu xám, hoặc nếu cĩ đốm xám chứng tỏ đất đơi khi bị úng. • Chiều sâu rễ: rễ cạn (do úng thủy khơng phát triển được).
• Mực nước thủy cấp: mực nước thủy cấp phải cách mặt đất 1 trị số tối thiểu cho mỗi loại hoa màu. Ví dụ: Mía (0,6m), bơng vải (0,8m).
I.3. Sự cần thiết và ích lợi của việc tiêu nước:
Các ích lợi của việc tiêu nước cĩ thể được liệt kê như sau: • Làm đất thống khí.
• Hạ mực nước ngầm => rễ ăn sâu hơn, do đĩ cây sử dụng 1 trắc diện đất sâu. • Việc di chuyển máy mĩc, thiết bị người vàsúc vật được dễ dàng hơn.
• Việc cày bừa dễ dàng hơn => tiết kiệm nhiên liệu, chi phí và thời gian. Đồng thời việc cày bừa cĩ thể thực hiện sớm hơn => tăng vụ.
• Sự đọng nước lâu ngày sẽ làm biến đổi các chất hữu cơ trong đất thành các acid hữu cơ (ví dụ H2S) rất độc cho cây. Sự tiêu nước làm tăng hiện tượng nitrate hĩa nhờ sự gia tăng các vi sinh vật hiếu khí.
• Úng thủy cĩ thể gây nhiều bệnh cho cây.
• Cây mọc khơng đều (do chổ thừa nước , chổ thiếu nước). • Đất úng thủy khi gia súc trâu bị đi lại làm phá hủy cơ cấu đất. • Hạn chế sự lan tràn của cỏ hoang ái thủy.
• Hạn chế sự gia tăng phát triển của ruồi, muỗi => hạn chế mầm gây bệnh cho người và gia súc.
• Ở vùng đồi núi cĩ thể hạn chế được sự xĩi mịn đất.
II/ Ảnh hưởng của tình trạng ngập úng lên đất đai và cây trồng: II.1. Ảnh hưởng lên đất đai:
• Sự thống khí: Dưỡng khí vào được trong đất nhờ 2 tiến trình: Chảy và khuếch tán. Trong đĩ hiện tượng khuếch tán là chủ yếu. Hiện tượng chảy từ nơi này qua nơi khác khi cĩ sự khác biệt về nhiệt độ hay áp suất của oxy tại 2 điểm. Tốc độ khuếch tán tùy thuộc vào thành phần tế khổng khơng cĩ nước (chỉ cĩ khơng khí). Theo nhiều tác giả (Blake and Page, 1948) thì hiện tượng khuếch tác sẽ ngưng khi thành phần tế khổng chứa khơng khí nhỏ hơn 10 –12 %.
• Như thế khi nước làm đầy các tế khổng , khơng những nứơc đẩy khơng khí ra khỏi đất mà cịn cản trở khơng cho khơng khí khuếch tán xuống phía dưới. Nhiều người (Luthin, 1957) cịn cho rằng, nếu đất bị ngập thì oxy hầu như biến khỏi đất sau vài giờ . Nếu sau đĩ oxy được đưa vào đất bằng các biện pháp nhân tạo thì oxy cũng khơng tồn tại lâu trong đất. Sự mất oxy ra khỏi đất bị úng là nguyên nhân chính khiến cây bị giảm năng suất hay bị chết.
• Nồng độ CO2: Thơng thường khi nồng độ oxy giảm (đất bị úng) thì nồng độ CO2 sẽ gia tăng.
• Oxyd hố khử: Sau khi lượng oxy trong đất bị sử dụng hết hay bị đẩy ra khỏi đất, các hiện tượng phân hĩa của các chất hữu cơ xảy ra trong điều kiện yếm khí => tạo thành các chất bị oxyd hĩa khơng hồn tồn hay thành chất khử.
II.2. Ảnh hưởng lên cây trồng:
Thơng qua ảnh hưởng của úng, ngập lên đất như đã kể trên, thì phản ứng của cây đối với vấn đề này cĩ khác nhau. Tuy nhiên, các tài liệu này cịn thiếu. Sau đây chỉ trình bày vài kết qủa.
• Các loại màu: Trong 3 thời kỳ phát triển thì ngập trong thời kỳ phát dục làm giảm năng suất nhiều nhất, kế đến thời kỳ phát triển, sau đĩ là chín hạt. Tuy nhiên nếu bị úng kéo dài khoảng 10 ngày là cây hồn tồn chết trong bất cứ giai đoạn nào. Ngồi ra năng suất giảm rất nhanh dù bị ngập trong 1 thời gian rất ngắn (1-2 ngày). Như vậy về phương diện thốt thủy, để bảo đảm năng suất, thời gian bị úng khơng quá 1 ngày (bảng 9.1)
Bảng 9.1: Ảnh hưởng của thời gian ngập lên năng suất Bắp. (theo Van’t Would và Hagan, 1957)
Bị ngập 5 ngày sau khi nẩy mầm Bị ngập 15 ngày sau khi nẩy mầm
Số ngày ngập Ngày ra bơng Chiều ra cây Chỉ số năng suất Ngày ra bơng Chiều cao cây Chỉ số năng suất 0 8/7 52,2 100% 8/7 52,8 100% 2 16/7 40,0 34,5% 16/7 44,5 52% 5 18/7 37,0 34,5% 20/7 - 10% 8 20/7 36,5 20,9% - - 5,5% 12 Chết - - - - -
b/ Rau: Khả năng chịu úng của rau rất kém. Các loại đậu, cà chua, bị ngập trong thời gian dù rất ngắn (vài ngày) là cĩ ảnh hưởng lên cả năng suất lẫn chất lượng. c/ Cây ăn trái: Cĩ rất ít dữ liệu khoa học về khả năng chịu úng của loại cây này.
d/ Cây Lúa: mặc dù Lúa là cây cĩ khả năng chịu úng ngập. Nhưng khả năng chịu ngập của Lúa cũng cĩ giới hạn (bảng 9.2).
Bảng 9.2: Sức chịu ngập của lúa Tám Đen ( ĐHNN, 1965)
Giai doạn sinh trưởng Chiều sâu ngập Ngày ngập Chỉ số năng suất
Đẻ nhánh Đối chứng (5- 6cm) Ngập 40 cm (cịn 5cm lá) Ngập 40 cm 0 2 4 100 % 96,8 % 93,2 % Làm đốt Đối chứng Ngập 40 cm Ngập 40 cm 0 4 7 100 % 99,6 % 96,6 % Làm địng Đối chứng Ngập 40 cm Ngập 40 cm Ngập 40 cm Ngập 60 cm 0 2 4 7 2 100 % 100 % 99,3 % 96,4 % 96,6 % III/ Tính tốn hệ số tiêu và lưu lượng thiết kế cho kênh tiêu. III.1. Hệ số tiêu nước ruộng cây trồng cạn:
Trên một lưu vực cĩ tiến trình tạo thành dịng chảy trong khi mưa và sau khi mưa. Tiến trình này khiến nước tập trung trong kênh khơng cố định mà thay đổi theo thời gian (hình 9.1). Lưu lượng sẽ đạt giá trị max khi thời gian mưa bằng thời gian tập trung nước Tc.
Hình 9.2: Đường quá trình lũ
Như đã trình bày, cây trồng cạn khơng thể chịu úng ngập qúa 1 ngày. Vì vậy, mưa ngày nào phải tiêu xong trong ngày đĩ và tiêu càng nhanh càng tốt. Ngồi các yếu tố về đặc tính mưa và sức chịu ngập của cây, việc tính tốn tiêu nước cịn tùy thuộc vào địa hình, độ dốc của mặt đất, diện tích của lưu vực.
Việc tính tốn lưu lượng và hệ số tiêu nước cho 1 lưu vực được chia làm thành 2 trường hợp tùy theo thời gian tập trung nước (Tc).
a. Thời gian tập trung nước (Tc): là thời gian để mưa rơi ở 1 điểm xa nhất trong khu vực chảy về điểm tập trung nước.
b. Cơng thức xác định Tc:
• Nếu dịng chảy nhất định và rõ ràng: Tc = L/v . Trong đĩ L: chiều dài các dịng chảy.
v: vận tốc .
• Nếu dịng chảy khơng rõ ràng. Tc được phỏng đốn theo các cơng thức sau: - Theo Ramser-Kirpich (lưu vực nhỏ hơn 50 ha);
Tc = 0,0078 * L 0,77 * S –0,385. trong đĩ Tc: tính bằng phút.
L: khoảng cách xa nhất đến cửa thĩat nước của lưu vực (tính bằng feet) (1 feet = 0,3 m).
S: độ dốc trung bình của lưu vực (%).
- Theo Bransby-Williams (lưu vực từ 50-500 ha): Tc = (0,88 * L)/(A0,1 * H 0,2).
trong đĩ Tc: tính bằng giờ.
A: diện tích lưu vực (tính bằng dặm vuơng) (1 dặm vuơng = 2,6 km2). H: chênh lệch độ cao từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất của lưu vực (tính bằng feet).
- Theo chiều dài dốc và độ dốc (California Culverts Practice, California Highways and Public Works, September 1942):
Với Tc : tính bằng giờ; L : chiều dài dốc của lưu vực (mile); và H: chênh lệch độ cao từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất của lưu vực (tính bằng feet).
Trị số Tc tối thiểu: để đơn giản hơn , ta cĩ thể dùng trị số tối thiểu như ở bảng 3 sau đây.
Bảng 9.3: Bảng trị số Tc tối thiểu (theo diện tích lưu vực) (theo Ayres, 1936).
Diện tích lưu vực (ha) Tc tối thiểu (phút) Diện tích lưu vực (ha) Tc tối thiểu (phút) 2 3,5 100 23 5 4,0 200 35 10 4,8 300 47 15 8,0 400 60 25 12,0 500 75 50 17
Ghi chú: Trị số trong bảng là an tồn nhất => hệ thống thiết kế sẽ tốn kém nhất.
III.1.1. Trường hợp Tc < 1ngày: a. Q max tk = C * I * A
trong đĩ C: hệ số chảy tràn (bảng 9.6)
I: cường độ cơn mưa thiết kế (ứng với tần suất thiết kế thường là 20- 10%) cĩ thời gian bằng thời gian tập trung nước Tc.
ITc = (I24/24) * (24/Tc)n.
với I24 (mm) : lượng mưa trong 24 giờ (do trạm khí tượng cấp, cĩ cùng tần suất). n: ½ hay 2/3.
A: diện tích lưu vực.
III.1.2. Trường hợp Tc > 1 ngày:
Dùng bài tốn cân bằng nước: Mi – (Ti + ETc + TL) = 0. qi = Ti/8,64 (l/s/ha) => Qi (l/s) = qi * A.
III.2. Hệ số tiêu nước và lưu lượng cho cây lúa:
Vì lúa cĩ khả năng chịu ngập, ta cĩ thể lợi dụng khả năng này để trử nước trong ruộng khi mưa xuống. Tuy nhiên, theo bảng 2 đã trình bày ở trên , chiều sâu nước gia tăng thì thời gian ngập phải giảm xuống (nếu khơng, năng suất sẽ giảm). Nếu gọi Tmax (ngày) là thời gian mà cây lúa chịu được độ ngập sâu Hmax, thì hệ số tiêu phải được tính tốn sao cho chiều sâu ngập trong ruộng trong thời gian Tmax nhỏ hơn Hmax. Mực nước trong ruộng từng ngày cĩ thể tính tốn như sau:
Mi – (Ti + ETc + TL) = Hi – Hi –1. trong đĩ Mi: lượng mưa (mm) trong ngày.
Ti: lượng nước cần tiêu (mm) trong ngày. Hi: lớp nước trong ruộng vào cuối ngày (mm).
Hi-1: lớp nước trong ruộng (mm) vào cuối ngày trước đĩ. Chiều sâu lớp nước bình quân: Htb = (Hi + Hi-1)/2.
Htb phải thoả mãn điều kiện chịu ngập của cây Lúa. Nếu khơng thỏa mãn thì Ti phải tăng lên.
• Tính Ti theo biểu bảng (bảng 4). Phương pháp này tốn thời gian (thử dần). • Tính Ti theo đồ thị (hình 9.2)
trong đĩ: đường (1): lượng mưa cộng dồn (tích lũy), trang 13/11 sách Thủy Nơng. đường (2): Hmax- Hbình thường = 50 mm, khả năng trữ nước ruộng trên mức bình thường đường (3,4,5): diễn tả lượng nước tích lũy mất đi do tiêu nước, Ti. do bốc thốt hơi, thấm lậu; mỗi đường ứng với mỗi Ti khác nhau. Trong hình 2 này Ti=10mm/ngày, Ti=20mm/ngày, Ti=29mm/ngày.
Hệ số gĩc (tang ∝) của mỗi đường là tổng số (Ti +ETc+ TL) trong thời đoạn tính tốn.
Ví dụ: Ti=10 mm/ngày, (ETc + TL) = 5 mm/ngày => (Ti + ETc + TL) = 15 mm/ngày.
Giao điểm các đường (3),(4),(5) với đường (1) tượng trưng cho những ngày cĩ mực nước trong ruộng bằng mực nước Hmax. Khoảng cách giữa 2 điểm là thời gian (số ngày) cĩ mực nước trong ruộng cao hơn Hmax.
Theo hình 2, đường (5) thoả mãn điều kiện này => Ti= 34-5 = 29 mm. Bảng 9.4: Tính tĩan lượng nước cần tiêu bằng phương pháp biểu bảng
Thứ tự ngày mưa M (mm) EPT+TL (mm) Ti (mm) ∆h (mm) HI (mm) (mm)HBQ Ghi chú 0 50 Lượng tiêu Ti= 10mm/ngày khơng thỏa mãn điều kiện ngập 100mm khơng quá 2 ngày 1 100 5 10 +85 135 92,5 2 30 5 10 +15 150 142,5 3 20 5 10 +5 155 152,5 4 10 5 10 -5 150 5 5 5 10 -10 140 6 0 5 10 -15 125 7 0 5 10 -15 110 8 0 5 10 -15 95 * 0 * * * * 0 * * * 1 100 5 20 +75 125 Lượng tiêu Ti= 20mm/ngày khơng thỏa mãn điều kiện ngập 100mm khơng quá 2 ngày 2 30 5 20 +5 130 127,5 3 20 5 20 -5 125 127,5 4 10 5 20 -15 110 117,5 5 5 5 20 -20 90 100 6 0 5 20 -25 75 82,5 7 8 1 100 5 40 +65 115
Lượng tiêu Ti=40mm/n gày thỏa mãn điều kiện(Ti=40 mm/ngày hơi lớn) 2 30 5 40 -5 110 112 3 20 5 40 -10 100 105 4 10 5 40 -25 75 87,5 5 6 7 8
Hệ số gĩc của đường này là Ti, EPT, TL. Từ đĩ Ti được xác định. Ứng với một trị số của Hmax ta cĩ một Tmax riêng, do đĩ sẽ cĩ 1 Ti.
Ti thiết kế cĩ trị số lớn nhất trong các Ti tìm được. IV/ Các biện pháp tiêu nước mặt trên đồng ruộng.