2.4.3.1. Phương pháp tính toán
a. Hệ số tiêu sơ bộ
Các hệ thống thủy lợi đều tồn tại trong nó rất nhiều đối tượng có nhu cầu tiêu nước với quy mô tiêu nước khác nhau. Quy mô tiêu nước của một đối tượng tiêu nước i có mặt trong hệ thống là diện tích mặt bằng hứng nước của nó và được khái quát hoá bằng hệ số αi: ω ω α i i = (2-17) Trong đó:
- αi: Tỷ lệ diện tích của đối tượng tiêu nước thứ i so với diện tích tiêu của cả hệ thống thủy lợi;
- ωi: Diện tích mặt bằng hứng nước của đối tượng tiêu nước i trong hệ thống thủy lợi (ha).
Hệ số tiêu sơ bộ của lưu vực có n đối tượng tiêu nước được xác định theo công thức tổng quát sau:
ji n j j i q q . 1 ∑ = = α (l/s/ha) (2-18) Hoặc qi = αl.qli + αkl.qkl (2-19) Trong đó:
- qi: Hệ số tiêu chung bình quân của lưu vực tại ngày tiêu thứ i (l/s/ha); - qji : Hệ số tiêu của đối tượng thứ j trong lưu vực tại ngày tiêu thứ i (l/s/ha); - qli: Hệ số tiêu của lúa tại ngày tiêu thứ i (l/s/ha);
- αl: Tỷ lệ diện tích đất trồng lúa nước trên vùng tiêu (%)
- αkl: Tỷ lệ diện tích của tất cả các loại đối tượng tiêu nước (trừ lúa) có mặt trên lưu vực (%)
- qkl : Hệ số tiêu trung bình của các đối tượng tiêu nước không phải là lúa có mặt trong vùng tiêu (l/s/ha);
qkl = Ckl. 64 , 8 i P (l/s/ha) (2-20)
- Ckl : Hệ số dòng chảy bình quân của tất cả các loại đối tượng tiêu nước không phải là lúa trong vùng tiêu
j j j kl C C ω ω Σ Σ = . (2-21)
- Cj: Hệ số dòng chảy của đối tượng tiêu nước thứ j trong lưu vực; - Pi : Tổng lượng mưa rơi xuống trong ngày tiêu thứ i ( mm)
b. Hiệu chỉnh giản đồ hệ số tiêu
Hiệu chỉnh giản đồ hệ số tiêu là sử dụng các biện pháp kỹ thuật và quản lý để có thể trữ lại được một phần lượng nước cần tiêu của lưu vực trong những ngày có yêu cầu tiêu cao (thường là những ngày mưa lớn) và tiêu hết vào những ngày tiếp
theo trong đợt tiêu có yêu cầu tiêu không căng thẳng (những ngày mưa nhỏ hoặc không mưa), giúp cho đường quá trình tiêu nước (đường quá trình q ~ t) của công trình đầu mối tiêu được điều hoà hơn và hệ số tiêu thiết kế là hợp lý.
Có rất nhiều phương pháp giảm nhẹ hệ số tiêu và nhu cầu tiêu nước cho hệ thống thủy lợi như: lợi dụng khả năng chịu ngập của lúa để tăng lượng nước trữ, chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất, cơ câu cây trồng, phân vùng tiêu, tiêu nước đệm...
Kết quả khảo sát thực địa cho thấy trên lưu vực nghiên cứu có nhiều ao hồ, đất trũng, và một số diện tích trồng lúa thường xuyên bị ngập úng tập trung ở gần khu vực giáp đê sông Hồng, gần khu đầu mối tiêu của trạm bơm tiêu Yên Lệnh, Bảy Cửa nên trong luận văn chọn giải pháp cải tạo một số ao hồ và chuyển đổi một số diện tích đất nông nghiệp thường xuyên bị úng, sản xuất kém hiệu quả gần khu vực trạm bơm Yên Lệnh, Bảy Cửa thành các hồ điều hòa.
Mức độ giảm nhỏ hệ số tiêu của lưu vực sau khi đã trữ bớt một phần lượng nước cần tiêu vào các hồ điều hòa, được xác định theo công thức sau:
∆qtrữ = Htk x αℎ
8,64 (l/s/ha) (2-22)
Trong đó:
-∆qtrữ : Hệ số tiêu có thể giảm (l/s/ha);
-αℎ: Tỷ lệ diện tích các hồ điều hòa so với diện tích vùng tiêu (%)
αℎ= ωℎ
ω (2-23)
-ωℎ: Diện tích mặt nước hồ điều hòa (ha ); - ω: Tổng diện tích vùng tiêu (ha );
- Htk: Độ sâu trữ nước thiết kế của hồ điều hòa (mm);
- Htk = H +∑ho (mm); (2-24)
-H: Độ sâu thực tế có khả năng trữ của hồ điều hòa. Trong luận văn chọn độ sâu H = 1.000 mm.
-∑h0: Tổn thất do ngấm và bốc hơi trong thời gian tính toán (mm). Trong luận văn chọn ∑h0 = 10 mm.
c. Tính toán hệ số tiêu của hồ điều hòa
Sơ đồ mực nước trong hồ điều hòa
Hình 2.4. Sơ đồ mực nước trong hồ điều hoà.
- Độ sâu công tác hay dung tích công tác (lưu thông) của hồ điều hòa dao động từ mực nước lớn nhất (MN max) đến mực nước thấp nhất (MN min).
- Trước khi xuất hiện trận mưa thiết kế, mực nước trong hồ điều hòa được giữ ở mức thấp nhất (MN min).
- Trong những ngày mưa toàn bộ lượng nước mưa (∑Pi) của trận mưa được trữ lại trong hồ điều hòa và sẽ được tiêu ra ngoài vào hai ngày cuối cùng của đợt tiêu là những ngày không mưa. Do vậy hệ số dòng chảy của hồ điều hòa trong những ngày mưa bằng không (C = 0,0).
- Những ngày tiêu căng thẳng, hồ điều hoà sẽ đảm nhận nhận trữ lại một phần lượng nước cần tiêu của lưu vực để giảm nhẹ hệ số tiêu. Phần dung tích Wtrữ
tương ứng với độ sâu Htrữ trong sơ đồ hình 2.4 dùng để trữ lượng nước tiêu nói trên. Toàn bộ lượng nước này sẽ được tiêu hết vào những ngày có yêu cầu tiêu không căng thẳng và những ngày cuối cùng của đợt tiêu.
Hệ số tiêu của đối tượng tiêu nước là hồ điều hoà trong giản đồ hệ số tiêu sơ bộ xác định như sau:
+ Trong thời gian mưa: qi = 0
+ Hai ngày cuối cùng của đợt tiêu: qi = 28 , 17 ∑Pi (2-25) MN max Wtrữ MN min Htrữ ∑Pi
d. Hệ số tiêu thiết kế của lưu vực
Hệ số tiêu thiết kế của lưu vực sau khi đã sử dụng các hồ điều hòa để điều tiết lượng nước cần tiêu, được xác định theo công thức sau:
qtk = n q q n j tru j ∑ = ∆ − 1 (2-26) Trong đó:
- qtk: Hệ số tiêu thiết kế của lưu vực, (l/s/ha);
- qj: Hệ số tiêu của lưu vực tại ngày mưa thứ j (ngày phải trữ nước vào hồ điều hòa),( l/s/ha);
- n: Số ngày có mưa lớn phải trữ nước vào hồ điều hòa; -∆qtrữ : Hệ số tiêu có thể giảm nhỏ nhờ hồ điều hòa (l/s/ha);
2.4.3.2. Kết quả tính toán.
a. Kết quả tính toán hệ số tiêu lưu vực ở hiện tại
Kết quả tính toán hệ số tiêu lưu vực Yên Lệnh tại thời điểm hiện tai được ghi trong bảng 2.12
Bảng 2.12. Hệ số tiêu sơ bộ lưu vực tiêu Yên Lệnh.
Ngày mưa 1 2 3 4 5 6 7 qlúa 0,38 11,67 18,41 7,85 4,76 2,01 0,29 αlúa.qlúa 0,22 6,66 10,51 4,48 2,72 1,15 0,17 qmàu 1,40 13,81 7,10 3,55 2,42 - - αmàu.qmàu 0,05 0,51 0,26 0,13 0,09 - - qao hồ thông thường 0,47 4,60 2,37 1,18 0,81 - - αao.qao 0,01 0,05 0,03 0,01 0,01 - - qthuỷ sản 2,33 23,02 11,83 5,92 4,04 - - αt.sản.qt.sản 0,21 2,12 1,09 0,54 0,37 - - qcn, đô thị 3,32 32,80 16,86 8,43 5,76 - - αcn.qcn 0,23 2,28 1,17 0,59 0,40 - - qdân cư 1,51 14,96 7,69 3,85 2,63 - - αdcư.qdcư 0,21 2,04 1,05 0,52 0,36 - - qkhác 1,40 13,81 7,10 3,55 2,42 - - αkhác.qkhác 0,12 1,16 0,60 0,30 0,20 - - qhệ thống 1,04 14,81 14,70 6,58 4,15 1,15 0,17
b. Kết quả tính toán hệ số tiêu lưu vực đến năm 2020
Theo cơ cấu sử dụng đất năm 2020, đường quá trình hệ số tiêu của đối tượng tiêu nước trên vùng tiêu (qkli~ t ) xác định theo công thức (2-20),
Áp dụng công thức (2-21) ta có Ckl =1,0583; thay vào công thức (2-20) ta được : qkli = 0,12248.Pi
Kết quả tính toán được ghi ở bảng 2.13
Bảng 2.13. Hệ số tiêu sơ bộ của lưu vực tiêu Yên Lệnh năm 2020.
Ngày tiêu 1 2 3 4 5 6 7 P 20,12 198,9 102,2 51,12 34,9 0 0 qlúa 0,38 11,67 18,41 7,85 4,76 2,01 0,29 αlúa.qlúa 0,13 4,12 6,50 2,77 1,68 0,71 0,10 qkl 2,46 24,36 12,52 6,26 4,27 0,00 0,00 αkl.qkli 1,59 15,76 8,10 4,05 2,77 0,00 0,00 q 1,73 19,88 14,60 6,82 4,45 0,71 0,10
Với mô hình mưa tiêu thiết kế tần suất 10% và cơ cấu sử dụng đất năm 2011, dự báo cơ cấu sử dụng đất năm 2020, kết quả tính toán cho thấy hệ số tiêu trung bình ngày lớn nhất của lưu vực tiêu Yên Lệnh là 14,81 l/s/ha, đến năm 2020 là 19,88 l/s/ha, trong khi đó các công trình tiêu đã có ở trên lưu vực tiêu Yên Lệnh chỉ tiêu được hệ số tiêu từ 6 – 7 l/s/ha, thấp hơn nhiều so với kết quả tính toán ở trên. Đây là một trong những nguyên nhân chính làm gia tăng diện tích úng ngập trên lưu vực nghiên cứu.
Để giảm nhẹ yêu cầu tiêu hay giảm hệ số tiêu thiết kế cho hệ thống thủy nông này, ngoài một trong các giải pháp công trình sẽ được đề cập đến trong luận văn này còn phải chuyển đổi một số diện tích ao hồ thông thường hoặc đất trồng lúa nước thường xuyên bị úng cho năng suất kém thành hồ điều hòa.
Căn cứ điều kiện tự nhiên của khu vực tiêu, và qua khảo sát tổng thể khu đầu mối trạm bơm Yên Lệnh cho thấy có 26,6 ha ao hồ tự nhiên và hơn 70 ha diện tích đất lúa thường xuyên bị ngập, cho năng suất thấp và hiệu quả kinh tế kém. Do đó luận văn sẽ nghiên cứu chuyển toàn bộ 26,6 ha ao và một số diện tích đất lúa kém hiệu quả ở trên thành hồ điều hòa.
Phương án 1: Hồ điều hòa có diện tích 60ha từ việc chuyển 33,4 ha đất lúa kém hiệu quả và 26,6 ha ao hồ tự nhiên.
Phương án 2: Hồ điều hòa có diện tích 75ha từ việc chuyển 48,4 ha đất lúa kém hiệu quả và 26,6 ha ao hồ tự nhiên.
Phương án 3 : Hồ điều hòa có diện tích 90 ha từ việc chuyển 63,4 ha đất lúa kém hiệu quả và 26,6 ha ao hồ tự nhiên.
Cơ cấu sử dụng đất đến năm 2020 của lưu vực tiêu Yên Lệnh tương ứng với các phương án diện tích hồ điều hòa được thể hiện ở bảng 2.14
Bảng 2.14. Cơ cấu sử dụng đất đến năm 2020 của lưu vực tiêu Yên Lệnh tương ứng với các phương án diện tích hồ điều hòa.
Phương án Tỷ lệ Lúa Hoa màu Ao hồ NTTS Khu công nghiệp, đô thị
Dân cư Khác Hồ điều
hòa Tổng DT 1 DT 1034,47 63,8 308,5 926,83 380,6 249,8 60 3024 % 34,21 2,11 10,20 30,65 12,59 8,26 1,98 100 2 DT 1019,47 63,8 308,5 926,83 380,6 249,8 75 3024 % 33,71 2,11 10,20 30,65 12,59 8,26 2,48 100 3 DT 1004,47 63,8 308,5 926,83 380,6 249,8 90 3024 % 33,22 2,11 10,20 30,65 12,59 8,26 2,98 100 Lấy tổng tổn thất do ngấm và bốc hơi mặt nước trong thời gian hồ trữ nước và tiêu nước là 10mm. Thay các thông số Htrữ = 1000 mm và ∑ho = 10 mm vào công thức (2-23) xác định được HTK = 1010 mm.
Thay các thông số HTK và αt
vào công thức (2-22) ta có được ∆qtrữ như bảng 2.15:
Bảng 2.15. Hệ số tiêu trung bình của hệ thống có thể được giảm nhỏ tương ứng với các phương án diện tích hồ điều hòa.
Phương án diện tích hồ điều hòa αtrữ HTK (mm) ∆qtrữ (l/s/ha) 60 ha 0,02 1.010 2,32 75 ha 0,025 1.010 2,90 90 ha 0,03 1.010 3,48
Tính toán kết quả đường quá trình hệ số tiêu của hệ thống tương ứng với các phương án diện tích hồ điều hòa:
Bảng 2.16. Kết quả tính toán đường quá trình hệ số tiêu của hệ thống tương ứng với phương án diện tích hồ điều hòa là 60 ha.
Ngày tiêu 1 2 3 4 5 6 7 P 20,12 198,9 102,2 51,12 34,9 0 0 qlúa 0,38 11,67 18,41 7,85 4,76 2,01 0,29 αlúa.qlúa 0,13 3,99 6,30 2,69 1,63 0,69 0,10 qkl 2,42 23,89 12,28 6,14 4,19 0,00 0,00 αkl.qkli 1,59 15,72 8,08 4,04 2,76 0,00 0,00 qisb 1,72 19,71 14,37 6,73 4,39 0,69 0,10 qihc 1,72 17,39 16,69 6,73 4,39 0,69 0,10
Tổng hệ số tiêu trong 2 ngày tiêu từ ngày thứ 2 và thứ 3 trước và sau hiệu chỉnh là không thay đổi.
Ngày tiêu thứ 2 nước được trữ trong hồ điều hòa là 2,32 l/s/ha và đến ngày tiêu thứ 3 hồ điều hòa bắt đầu xả 2,32 l/s/ha ra hệ thống tiêu
Hệ số tiêu dùng để thiết kế hệ thống kênh tiêu và các công trình đầu mối là 17,39 l/s/ha.
Bảng 2.17. Kết quả tính toán đường quá trình hệ số tiêu của hệ thống tương ứng với phương án diện tích hồ điều hòa là 75 ha.
Ngày tiêu 1 2 3 4 5 6 7 P 20,12 198,9 102,2 51,12 34,9 0 0 αlúa.qlúa 0,38 11,67 18,41 7,85 4,76 2,01 0,29 αkl.qkli 0,13 3,93 6,21 2,65 1,60 0,68 0,10 qkl 2,40 23,71 12,18 6,09 4,16 0,00 0,00 αkl.qkli 1,59 15,72 8,08 4,04 2,76 0,00 0,00 qisb 1,72 19,65 14,28 6,69 4,36 0,68 0,10 qihc 1,72 16,75 16,75 7,12 4,36 0,68 0,10
Ngày tiêu thứ 2 nước được trữ trong hồ điều hòa là 2,9 l/s/ha và từ ngày tiêu thứ 3, hồ điều hòa bắt đầu xả 2,49 l/s/ha ra hệ thống tiêu, ngày tiêu thứ 4 xả thêm 0,43 l/s/ha.
Hệ số tiêu dùng để thiết kế hệ thống kênh tiêu và các công trình đầu mối là 16,75 l/s/ha.
Bảng 2.18. Kết quả tính toán đường quá trình hệ số tiêu của hệ thống tương ứng với phương án diện tích hồ điều hòa là 90 ha.
Ngày tiêu 1 2 3 4 5 6 7 P 20,12 198,9 102,2 51,12 34,9 0 0 αlúa.qlúa 0,38 11,67 18,41 7,85 4,76 2,01 0,29 αkl.qkli 0,13 3,88 6,12 2,61 1,58 0,67 0,10 qkl 2,38 23,54 12,09 6,05 4,13 0,00 0,00 αkl.qkli 1,59 15,72 8,08 4,04 2,76 0,00 0,00 qisb 1,72 19,59 14,19 6,65 4,34 0,67 0,10 qihc 1,72 16,12 16,12 8,20 4,34 0,67 0,10
Ngày tiêu thứ 2 nước được trữ trong hồ điều hòa là 3,48 l/s/ha và từ ngày tiêu thứ 3, hồ điều hòa bắt đầu xả 1,92 l/s/ha ra hệ thống tiêu, ngày tiêu thứ 4 xả
thêm 1,56 l/s/ha.
Hệ số tiêu dùng để thiết kế hệ thống kênh tiêu và các công trình đầu mối là 16,12 l/s/ha.