Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc

Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc.

HÀ NỘI, NĂM 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

VŨ THỊ DOAN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU,

MIỀN NÚI PHÍA BẮC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

VŨ THỊ DOAN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU,

MIỀN NÚI PHÍA BẮC

Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước

Mã số: 9580212NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TUẤN ANH

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đãđược thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Vũ Thị Doan

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất tới thầy hướngdẫn PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh đã tận tình, tận tâm hướng dẫn, đóng góp ý kiến đểtác giả có thể hoàn thành luận án này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Quy hoạch Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triểnnông thôn tỉnh Hòa Bình, Cục Thống kê tỉnh Hòa Bình, Công ty cổ phần chế tạo bơmHải Dương, Công ty trách nhiệm hữu hạn Grundfos Việt Nam, đã cung cấp số liệu,giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo,Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng đã giúp đỡ, tạo điều kiệnthuận lợi, đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong buổi hội thảo mở rộng đã giúp

đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả chỉnh sửa và hoàn thiện luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong buổi bảo vệ luận án tiến sĩ kỹthuật cấp cơ sở đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả chỉnh sửa vàhoàn thiện luận án

Tác giả xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tin tưởng, động viên tác giả trong suốt quátrình thực hiện luận án

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

6.1 Ý nghĩa khoa học 3

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

7 Cấu trúc luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Khái niệm về đất dốc 5

1.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB 6

1.2.1 Vị trí địa lý 6

1.2.2 Đặc điểm địa hình 7

1.2.3 Đặc điểm khí hậu 10

1.2.4 Đất đai, đặc điểm thổ nhưỡng 10

1.2.5 Mạng lưới sông ngòi 11

1.2.6 Quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồng cạn của vùng 11

1.2.7 Các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn 13

1.3 Đánh giá về hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn 16

1.3.1 Về nguồn nước 16

1.3.2 Về công trình 16

1.3.3 Về mô hình tưới, hình thức tưới 16

1.3.4 Về công nghệ tưới 17

1.3.5 Về phía người dân, những người trực tiếp sản xuất 17

1.3.6 Về cơ cấu cây trồng 17

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến luận án 17

1.4.1 Các nghiên cứu nước ngoài 17

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 20

Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Xây dựng bài toán 24

2.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán 25

2.2.1 Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới 25

2.2.2 Hệ thống các quan điểm và nguyên lý tiếp cận hệ thống 26

2.2.3 Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống 27

2.3 Phương pháp giải bài toán 35

2.3.1 Thiết lập các phương án bố trí trạm bơm 37

2.3.2 Đề xuất và thiết kế các phương án 38

2.3.3 Lựa chọn hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc 53

2.3.4 Giải bài toán tối ưu 58

Kết luận chương 2 64

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 65

3.1 Lựa chọn khu vực điển hình để áp dụng phương pháp đã xây dựng 65

3.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên xã hội tỉnh Hòa Bình 65

3.2.1 Vị trí địa lý 65

3.2.2 Đặc điểm khí hậu 66

3.2.3 Đặc điểm địa hình 67

3.2.4 Hiện trạng sử dụng đất 69

3.2.5 Hiện trạng canh tác cây trồng 70

3.2.6 Mạng lưới trạm thủy văn 73

3.2.7 Mạng lưới sông suối 73

3.2.8 Hiện trạng công trình tưới 75

3.3 Hiện trạng cấp nước tưới cho cây trồng cạn tỉnh Hòa Bình 77

3.3.1 Tưới tự chảy 78

3.3.2 Tưới bằng động lực 79

3.4 Lựa chọn vùng tưới điển hình ở tỉnh Hòa Bình 80

3.5 Xác định quy mô của trạm bơm, chi phí thiết bị và chi phí xây dựng theo loại máy bơm…… 82

3.5.1 Xác định cột nước bơm tưới 82

3.5.2 Xác định lưu lượng thiết kế và lưu lượng yêu cầu tưới hàng năm 82

3.5.3 Các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu 86

3.6 Xác định quan hệ giữa đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị 90

3.7 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định các phương án tối ưu 90

3.7.1 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định phương án tối ưu cho 3 vùng điển hình của huyện Cao Phong 90

3.7.2 Kiểm tra chương trình tính toán 97

3.7.3 Thiết lập các thông số để phân vùng tưới hợp lý cho vùng đất dốc 98

3.7.4 Xây dựng bảng tra thông số thiết kế trạm bơm 104

Kết luận chương 3 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

1 Những kết quả đạt được 107

2 Những đóng góp mới của luận án 108

3 Tồn tại và hướng phát triển 109

4 Kiến nghị 109

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

PHỤ LỤC 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lược đồ tự nhiên vùng TDMNPB [3] 7

Hình 1.2 Bản đồ nền vùng TDMNPB [4] 9

Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạn vùng TDMNPB 13

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí trạm bơm một cấp 24

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí một trạm bơm lên nhiều bể tháo 24

Hình 2.3 Bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt 25

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí trạm bơm nhiều cấp 25

Hình 2.5 Sơ đồ khối của phương pháp quét [55] 32

Hình 2.6 Quét với bước quét trở lại thay đổi [55] 33

Hình 2.7 Quét trong không gian hai chiều với bước không đổi [55] 34

Hình 2.8 Quét trong không gian hai chiều với bước thay đổi [55] 35

Hình 2.9 Sơ đồ khối các bước giải bài toán 36

Hình 2.10 Bố trí trạm bơm một cấp 37

Hình 2.11 Một trạm bơm bơm lên 02 bể tháo - Hình 2.12 Một trạm bơm bơm lên 03 bể tháo 38

Hình 2.13 Trạm bơm hai cấp nối tiếp - Hình 2.14 Trạm bơm ba cấp nối tiếp 38

Hình 2.15 TB lấy nước từ sông, suối - Hình 2.16 TB lấy nước từ hồ chứa 39

Hình 2.17 Sơ họa hệ thống ghép ống nối đường ống đẩy làm việc chung 41

Hình 2.18 Một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo có cao trình mực nước yêu cầu khác nhau 44

Hình 2.19 Hình minh họa các phương án khác nhau ứng với các cao trình bể tháo khác nhau trường hợp một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo 48

Hình 2.20 Sơ họa hai trạm bơm nối tiếp 50

Hình 2.21 Hình minh họa các phương án khác nhau ứng với các cao trình bể tháo khác nhau trường hợp trạm bơm nhiều cấp 50

Hình 2.22 Sơ đồ khối tổng quát trình tự giải bài toán tối ưu 59

Hình 2.23 Sơ đồ khối chọn máy bơm cho một trạm bơm trong phương án j 61

Hình 3.1 Bản đồ hành chính tỉnh Hòa Bình [60] 66

Hình 3.2 Bản đồ nền địa hình tỉnh Hòa Bình [61] 68

Hình 3.3 Bản đồ đất tỉnh Hòa Bình [60] 70

Hình 3.4 Vùng trồng cam Cao Phong 72

Hình 3.5 Bản đồ mạng lưới trạm thủy văn tỉnh Hòa Bình [64] 73

Hình 3.6 Bình đồ khu tưới 1 (Nguồn: Sở NN&PTNT tỉnh Hòa Bình) 91

Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án 92

Hình 3.8 Bản đồ hiện trạng vùng tưới 2 [60] 93

Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án 94

Hình 3.10 Bản đồ hiện trạng khu tưới vùng 3 [60] 95

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án 96

Hình 3.12 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=10% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m 102

Hình 3.13 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=20% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m 103

Hình 3.14 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=30% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m 103

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Quan hệ đường kính ống với lưu lượng giới hạn 42

Bảng 3.1 Bảng hiện trạng sử dụng đất 69

Bảng 3.2 Diện tích và tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạn 71

Bảng 3.3 Các trạm bơm điện trên địa bàn tỉnh Hòa Bình 75

Bảng 3.4 Mức tưới và hệ số tưới theo thời đoạn tưới 83

Bảng 3.5 Hệ số tưới theo thời đoạn tưới 30 năm từ năm 2024 ÷2053 84

Bảng 3.6 Các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu 86

Bảng 3.7 Loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu 87

Bảng 3.8 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án sử dụng máy bơm trong nước (máy bơm Hải Dương) 88

Bảng 3.9 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án sử dụng máy bơm nước ngoài (máy bơm Grundfos) 89

Bảng 3.10 Quan hệ đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị 90

Bảng 3.11 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 1 91

Bảng 3.12 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 2 93

Bảng 3.13 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 3 95

Bảng 3.14 Kết quả phương án tối ưu cho 3 vùng tưới điển hình 96

Bảng 3.15 Bảng kết quả thiết kế phương án tối ưu chạy bằng phần mềm PVBTU và tính toán bằng excel tính cho 3 vùng tưới huyện Cao Phong 97

TDMNPB - Trung du, miền núi phía Bắc

PVBTU - Chương trình phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Việt Nam có diện tích đất đồi núi khá lớn có thể canh tác cây trồng cạn gồm các cây ănquả, cây công nghiệp, cây lương thực… Theo số liệu điều tra của Tổng cục thống kê,diện tích gieo trồng cây trồng cạn năm 2020 ở một số khu vực như sau: Trung du,miền núi phía Bắc (TDMNPB): 1.241.400 ha; Bắc Trung Bộ và duyên hải miềnTrung:

1.213.400 ha; Đông Nam Bộ: 1.179.600 ha; Tây Nguyên: 1.640.600 ha [1] Việc tướinước cho cây trồng cạn vùng đồi núi, ngoài việc tận dụng nước mưa, còn lại chủ yếutưới bằng động lực (chiếm khoảng 90%), các hình thức bơm động lực có thể kể đến là:Bơm giếng sâu, bơm tia, bơm nước va, bơm thủy luân, bơm cánh quạt ly tâm, lấy nướcngầm, nước từ hồ và sông suối… Trong đó phổ biến là hình thức dùng trạm bơm lấynước từ sông, suối, hồ chứa cho các dải đất, vùng đồi canh tác ven bờ sông, suối trênsườn dốc Đặc điểm cơ bản của các trạm bơm tưới này là: cột nước yêu cầu lớn, lưulượng yêu cầu nhỏ và địa hình khu tưới phân cấp bậc thang nên hầu hết sử dụng loạimáy bơm ly tâm

Trong công tác thiết kế, quy hoạch, vận hành các hệ thống tưới nói chung và các trạmbơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt ra bài toán cần xác định phương án thiết kế, vậnhành tối ưu sao cho chi phí đầu tư xây dựng ban đầu và chi phí năng lượng bơm là nhỏnhất Với công trình cấp nước cho các khu tưới có dạng trên là cần xác định phương án

bố trí và thông số thiết kế cho các trạm bơm trong tổ hợp các phương án thiết kế khácnhau sao cho đảm bảo yêu cầu tưới với chi phí đầu tư xây dựng và chi phí quản lý vậnhành là nhỏ nhất

Do đó, vấn đề cấp thiết hiện nay đang cần là cấp nước tưới cho các loại cây trồng cạn

có giá trị kinh tế cao ở vùng đất dốc khu vực TDMNPB, là vùng đất chưa được khaithác hiệu quả, còn nhiều tiềm năng phát triển kinh tế của nước ta Yêu cầu cụ thể củabài toán thực tế hiện nay là cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu của trạmbơm tưới phù hợp với điều kiện nguồn nước, địa hình, loại cây trồng, phục vụ tướicho cây trồng, vừa đảm bảo kỹ thuật mà kinh phí đầu tư xây dựng và chi phí điệnnăng, chi phí hàng năm trong quản lý, khai thác là nhỏ nhất

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế

tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc”

là đề tài có ý nghĩa lớn về khoa học, học thuật và có tính thực tiễn cao, giúp các cơquan quản lý định hướng và lựa chọn sơ đồ bố trí, loại máy bơm phù hợp, có hiệu quảkinh tế cao đối với các dự án đầu tư xây dựng phục vụ tưới cho cây trồng cạn vùng đấtdốc ở nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưucủa trạm bơm tưới cho vùng đất dốc

- Ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạmbơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu công trình cấp nước bằngđộng lực cho cây trồng cạn vùng TDMNPB

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới bao gồm sơ đồ bốtrí trạm bơm, các thông số về quy mô diện tích phụ trách, lưu lượng thiết kế trạm bơm,cột nước bơm thiết kế, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm và loại hình nhàmáy bơm

+ Trong luận án chỉ tập trung nghiên cứu trạm bơm đầu mối và đường ống dẫn tới bểxả

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, luận án tập trung giải quyết những vấn đềchính như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên, quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồngcạn và các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB.Tổng quan các nghiên cứu liên quan cả trong và ngoài nước

- Phân tích cơ sở lý thuyết, đề xuất cơ sở khoa học, phương pháp lựa chọn sơ đồ bốtrí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc;

- Áp dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơmtưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc và ứng dụng phần mềm phân vùng bơm tối ưuvùng đất dốc để xác định các phương án tối ưu cho một số vùng điển hình và thiết lậpcác thông số để lựa chọn phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho câytrồng vùng đất dốc

5 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trên, luận án sử dụng tổng hợp một sốphương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp thống kê: tổng hợp và phân tích các tài liệu đã có nhằm tổng kết và kếthừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề có liên quan đến nộidung nghiên cứu của luận án

- Phương pháp phân tích hệ thống: ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống, phân tíchcác yếu tố liên quan đến kết quả của bài toán, từ đó có cơ sở thiết lập mô hình toán:+ Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

6.1 Ý nghĩa khoa học

Phát triển phương pháp luận giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối

ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm về đất dốc

Đất dốc là đất có bề mặt nghiêng, thường gồ ghề không bằng phẳng hay nhấp nhô,lượn sóng Mặt nghiêng đó gọi là sườn dốc hay mặt dốc, góc được tạo thành giữa mặtdốc và mặt bằng (mặt phẳng nằm ngang) gọi là độ dốc của mặt đất hay độ dốc của địahình [2]

Trong sản xuất nông lâm nghiệp người ta thường phân chia đất đai theo 5 cấp độ dốcnhư sau [2]:

- 8o • 15o: Ở cấp độ dốc này đối với các loại đất mẫn cảm với xói mòn (thành phần cơgiới nhẹ, sức kháng xói thấp, mưa tập trung, sườn dốc dài ) cần làm ruộng bậc thangngay Trên đất sâu dày có sức kháng xói tốt như đất đỏ bazan và sườn dốc quá dài thìlàm bậc thang rộng, bậc thang dần và phương thức nông lâm kết hợp được áp dụngphổ biến

- 16o • 25o: Cần làm ruộng bậc thang ngay có mặt ruộng hẹp Gia cố bờ phải rất chắcchắn, tránh trượt đất Cho nước từ bậc nọ sang bậc kia đi dích dắc, đường dẫn chỗ rộng

chỗ hẹp tùy địa hình và bề rộng mặt tràn để sao cho tốc độ chảy bị khống chế tối đakhi

có mưa lớn.

- 26o • 35o: Việc trồng cây nông nghiệp rất hạn chế, nếu trồng chỉ trồng trong các bồnđất kín kiểu như trồng ngô trên hốc đá vôi Đất khu vực này chủ yếu cho việc khoanhnuôi và gây rừng

- >35o: Ở độ dốc này thì không trồng cây nông nghiệp, mà tái sinh và bảo vệ rừng.Dựa vào cấp độ dốc của đất để định hướng sử dụng và chọn biện pháp canh tác thíchhợp Ở vùng núi nước ta hầu hết đất đai là đất dốc Một vài nơi cũng gọi là đất bằng có

bề mặt tương đối bằng phẳng hoặc dốc nhẹ nhưng với diện tích rất nhỏ bé và phân tán.Cho nên thực chất của việc phát triển kinh tế xã hội vùng núi phải dựa trên cơ sở pháttriển nông hộ cùng với việc sử dụng đất nông nghiệp cũng như canh tác trên đất đồinúi một cách bền vững

Canh tác trên đất có độ dốc từ trung bình đến rất dốc gặp rất nhiều những khó khăn,trở ngại về việc đi lại, công tác làm đất, thiếu nguồn nước, nạn xói mòn đất xảy ranghiêm trọng trong mùa mưa, [2]

Thực tế cho thấy vùng trồng cây tập trung, cây có giá trị kinh tế cao chủ yếu ở vùngtrung du, vùng đồi có đất dốc nhẹ, dốc vừa được phân theo cấp độ dốc như sau:

- Vùng có đất dốc từ cấp I là dốc nhẹ có độ dốc dưới 7o tương đương với độ dốc i12,5%

- Vùng đất dốc cấp II có độ dốc vừa với độ dốc 8o  15o tương đương 14%  i  27%

Vì vậy, trong luận án này tác giả nghiên cứu cây trồng cạn tập trung vùng TDMNPBvùng đất dốc có độ dốc nhẹ và dốc vừa có độ dốc i  27%, để thuận tiện trong quátrình nghiên cứu, tác giả chọn độ dốc i trong khoảng từ 10%  30%

1.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB

1.2.1 Vị trí địa lý

Vùng TDMNPB bao gồm 14 tỉnh: Hà Giang, Cao Bằng, Lào Cai, Bắc Kạn, Lạng Sơn,Tuyên Quang, Yên Bái, Thái Nguyên, Phú Thọ, Bắc Giang, Lai Châu, Điện Biên, Sơn

La và Hòa Bình cùng 21 huyện, một thị xã phía Tây của hai tỉnh Thanh Hóa và NghệAn.

Hình 1.1 Lược đồ tự nhiên vùng TDMNPB [3]

1.2.2 Đặc điểm địa hình

Địa hình vùng TDMNPB khá phức tạp và phân hóa mạnh với nhiều dãy núi cao, hệthống sông suối dày đặc xen với các thung lũng và cao nguyên Địa hình vùngTDMNPB có thể chia thành ba tiểu vùng:

- Vùng cao núi đá gồm các tỉnh: Lai Châu (huyện Tam Đường và Phong Thổ), ĐiệnBiên (huyện Tủa Chùa, Tuần Giáo và Thành phố Điện Biên), Sơn La (dọc theo quốc lộ

6 rộng khoảng 20km kéo dài từ Mộc Châu - Yên Sơn - Sơn La – Thuận Châu đếnQuỳnh Nhai), Hà Giang (huyện Đồng Văn, Mèo Vạc, Quản Bạ và Yên Minh), Cao

Bằng dọc biên giới Việt Trung) Vùng này chủ yếu là núi đá vôi có độ cao trung bình

so với mực

nước biển trên 600m, địa hình phức tạp có độ dốc lớn, có nhiều hang, hốc đá và cáckhe nứt, khả năng giữ nước kém.

- Vùng núi thấp tập trung ở các tỉnh như: Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn (dọc theo quốc

lộ 3 và dọc theo quốc lộ 4B), Tuyên Quang (phân bố ở phía Bắc của tỉnh), Bắc Kạn(dọc theo quốc lộ 3) Vùng này chủ yếu có độ cao trung bình so với mực nước biển từ200- 600m, có độ dốc trung bình 20-350

- Vùng trung du tập trung ở các tỉnh như: Thái Nguyên, Bắc Giang, Phú Thọ và HòaBình [4], [5]

Như vậy với điều kiện địa hình vùng TDMNPB thì việc cung cấp nước tưới cho vùngyêu cầu cột nước địa hình cao, lưu lượng bơm tưới nhỏ và mất nhiều chi phí trong quátrình quản lý vận hành các hệ thống tưới đặc biệt với những khu tưới cao cục bộ, nhỏ

lẻ và có độ dốc lớn thì việc đáp ứng nhu cầu cấp nước tưới lại càng phức tạp và khônghiệu quả về mặt kinh tế

9Hình 1.2 Bản đồ nền vùng TDMNPB [4]

1.2.3 Đặc điểm khí hậu

Khí hậu vùng TDMNPB là khí hậu nhiệt đới gió mùa, chia thành hai mùa rõ rệt: mùamưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9, không khí nóng ẩm Mùa khô từ tháng 10 đếntháng 4 năm sau, thời tiết khô hanh, ít mưa, lạnh, kèm theo các đợt gió mùa Đông Bắc

Do địa hình phức tạp, diện tích trải rộng nên hình thành các tiểu vùng khí hậu khácnhau, ở mỗi tiểu vùng có sự phân hóa khá mạnh phụ thuộc vào chiều hướng và dạngđịa hình, lại có những đặc trưng khí hậu thời tiết riêng Nhiệt độ trung bình hàng năm

từ 20 - 240C Chế độ mưa và lượng mưa trên toàn vùng phụ thuộc vào chế độ gió mùa

và các dạng địa hình khác nhau, phân theo mùa rõ rệt Mùa mưa thường kéo dài từtháng 4 đến tháng

10 Lượng mưa trong mùa mưa chiếm khoảng 75-85% lượng mưa cả năm Tháng 7 vàtháng 8 có lượng mưa bình quân cao nhất đều đạt 250mm/tháng Lượng mưa bìnhquân tháng nhỏ nhất thường vào tháng 12 và tháng 1 trung bình đạt từ 16-36mm/tháng

Độ ẩm trung bình năm khoảng 82% - 85%, tuy nhiên một số nơi mùa khô độ ẩm kháthấp chỉ khoảng 72% - 79% như Hoàng Su Phì, Mù Cang Chải và Bảo Lạc [4], [5].Nhìn chung đặc điểm khí hậu vùng TDMNPB là điều kiện thuận lợi để phát triển câytrồng cạn có giá trị kinh tế cao trên vùng đất dốc

1.2.4 Đất đai, đặc điểm thổ nhưỡng

Vùng TDMNPB có 12 nhóm đất chính: đất đỏ vàng, đất mùn vàng đỏ trên núi, đất phù

sa, đất đen, Trong đó nhóm đất đỏ vàng có quy mô lớn nhất chiếm khoảng 65% diệntích tự nhiên và phân bố ở tất cả các tỉnh: nhóm đất đỏ vàng có diện tích nhiều nhất ởTuyên Quang chiếm 88% diện tích tự nhiên, Lạng Sơn chiếm 87,1% diện tích tựnhiên, Hòa Bình chiếm 79,6% diện tích đất tự nhiên, ; nhóm đất này rất thích hợp đốivới cây công nghiệp dài ngày như cà phê chè, cây ăn quả, Nhóm đất mùn vàng đỏtrên núi chiếm khoảng 20% diện tích tự nhiên và một số nhóm khác tuy chiếm tỷ trọngkhông cao về diện tích nhưng có ý nghĩa lớn về hiệu ích sử dụng trong sản xuất nôngnghiệp [4], [5] Như vậy với các nhóm đất chính và tỷ trọng cao về diện tích như trênthích hợp đối với cây trồng có giá trị kinh tế cao đã và đang phát triển theo thế mạnhtrong từng khu vực của vùng TDMNPB

1.2.5 Mạng lưới sông ngòi

Vùng TDMNPB có mạng lưới sông ngòi khá dày đặc đóng vai trò quan trọng trongviệc cung cấp nước cho vùng và vùng Đồng bằng sông Hồng Đây là vùng bắt nguồncủa các sông lớn thuộc lưu vực sông Hồng, sông Thái Bình như: sông Đà, sông Thao,sông Cầu, sông Thương, sông Chảy và lưu vực sông Bằng Giang, Kỳ Cùng, sông

Mã, sông Mê Kông

Mật độ sông suối của vùng tuy cao nhưng sự phân bố cũng không thật đồng nhất Ởcác khu vực có trung tâm mưa lớn mật độ sông suối có thể lên tới 1,5 - 2km/km2 (nhưkhối vòm sông Chảy, Bắc Hoàng Liên Sơn …) Ngược lại ở các vùng ít mưa, bốc hơilớn trên nền đá vôi mật độ sông suối thường thấp dưới 0,5 km/km2 (như các caonguyên Sơn La - Nà Sản, Mộc Châu, Đồng Văn, Mèo Vạc …)

Chế độ thủy văn các sông trong vùng phụ thuộc chủ yếu vào chế độ mưa và khả năngđiều tiết của lưu vực các sông Lượng nước trên các sông suối trong mùa mưa lũthường chiếm từ 65 - 77% lượng nước cả năm, tuy nhiên vào mùa khô lượng nước cácsông thường cạn kiệt [4], [5]

Mặc dù mạng lưới sông ngòi dày đặc, mật độ sông suối của vùng tuy cao nhưng sựphân bố cũng không đều giữa các khu vực trong vùng và có sự chênh lệch lớn giữalượng nước trên các sông suối giữa các mùa trong năm Do vậy, nguồn cung cấp nướccho cây trồng những khu vực có địa hình dốc vùng núi cao gặp nhiều khó khăn, tuynhiên ở những vùng trung du, vùng đồi núi thấp thì nguồn cung cấp nước cho câytrồng thuận lợi hơn nhiều nhất là cung cấp nước tưới cho cây trồng cạn cây có giá trịkinh tế cao

1.2.6 Quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồng cạn của vùng

Đặc điểm của vùng là có địa hình đồi núi dốc, điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu nhiệtđới ẩm gió mùa phù hợp để phát triển các loại cây công nghiệp, cây ăn quả Mỗi vùngmiền có một số loại cây trồng mang lại giá trị kinh tế cao, đó là cây chủ lực của địaphương, nổi tiếng như: cây chè tỉnh Thái Nguyên, cam Cao Phong tỉnh Hòa Bình, quýttỉnh Bắc Kạn, bưởi Đoan Hùng tỉnh Phú Thọ, vải tỉnh Bắc Giang, nhãn và xoài tỉnhSơn La ngoài ra còn có các loại cây lương thực như rau, ngô, khoai, sắn… cây côngnghiệp ngắn ngày lạc, vừng, đậu…

Từ các chính sách của Đảng và Nhà nước khuyến khích phát triển kinh tế miền núi,xóa đói giảm nghèo, phát triển bền vững nền kinh tế nông nghiệp Những năm gầnđây, Việt Nam đã phát triển nhiều vùng cây công nghiệp, cây ăn quả có giá trị kinh tếcao Theo Đề án “Phát triển cây ăn quả chủ lực đến năm 2025 và 2030” được Bộtrưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phê duyệt tại quyết định số 4085/QĐ-BNN-TT ngày 27 tháng 10 năm 2022, xác định cơ cấu ngành trồng trọt đến năm 2025:diện tích cây ăn quả cả nước 1,2 triệu ha, sản lượng đạt trên 14 triệu tấn; trong đó, diệntích cây ăn quả chủ lực 960.000 ha, sản lượng là 11-12 triệu tấn Tại các vùng sản xuấtcây ăn quả tập trung: tỷ lệ giá trị sản phẩm được sản xuất dưới các hình thức hợp tác,liên kết đạt 30- 35%; tỷ lệ diện tích trồng mới, trồng tái canh sử dụng giống chất lượngcao 70-80% [6] Vì vậy, nhu cầu cung cấp nước tưới cho cây trồng cũng thay đổi theo

sự chuyển dịch của cơ cấu cây trồng và để đảm bảo cung cấp đủ nước tưới cho câytrồng cần có các giải pháp cấp nưới tưới phù hợp với sự chuyển dịch đó

Bên cạnh những vùng cây công nghiệp, cây ăn quả đang hình thành thì hiện nay sảnxuất cây trồng cạn của vùng TDMNPB phân bố không đồng đều, thường tập trung ởcác vùng đồi, vùng trung du và rải rác ở một số nơi sản xuất xen kẹp giữa các núi cao

Do đó, hiện trạng sản xuất cũng rất thô sơ và tản mạn, phân tán theo hộ gia đình, canhtác thủ công Mặt khác, tính chất thời vụ của cây trồng cạn cũng gây ra nhiều hạn chếtrong việc phát triển cây trồng cạn Diện tích vùng sản xuất, loại cây trồng thường thayđổi theo từng mùa, từng năm không có kế hoạch và quy hoạch cụ thể, một số cây côngnghiệp, cây ăn quả có giá trị kinh tế cao là tương đối ổn định và có xu hướng phát triểntheo quy mô trên diện rộng như: cà phê, chè, vải, nhãn, bưởi, cam, quýt, xoài, na, Theo tổng cục thống kê diện tích gieo trồng cây trồng cạn năm 2020 lên đến 1.195.500

ha Diện tích cây ngô vẫn chiếm tỷ lệ lớn nhất đến 42% về diện tích cây trồng cạn củavùng nhưng là cây có giá trị kinh tế thấp, hiện nay cây ăn quả có giá trị kinh tế cao(cây chủ lực) đã và đang được đầu tư nhân rộng về diện tích và không ngừng gia tăng

về sản lượng cũng như về chất lượng, do vậy, để phát huy lợi thế của vùng là phát triểncây trồng cạn có giá trị kinh tế cao nhằm nâng cao thu nhập của người dân, thì chuyểndịch cơ cấu cây trồng cũng là một giải pháp Tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạnđược thể hiện trên hình 1.3

Đậu tương Vừng Cao su Xoài Rau Bông

Cà phê Chuối Bòng, bưởi

Lạc Chè Cam quýt Vải

Mía Thuốc lá, thuốc lào Dứa Nhãn

Đậu

Sắn Khoai lang

Ngô

2.911

9.804

2.702 4.191

0.075 4.341

1.235 2.1520.305

10.163

1.74 0.433

3.89 1.703 0.71 1.156

1.491

Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạn vùng TDMNPB [1]

Những năm gần đây việc hình thành các vùng cây trồng cạn ngày càng được nhân rộng

và phát triển trên nhiều tỉnh trong vùng Theo báo cáo của Cục trồng trọt (năm 2019,2020) diện tích, năng suất, sản lượng của cây trồng chủ lực của vùng không ngừngtăng lên trong vùng TDMNPB cũng như trên cả nước, số liệu cụ thể trong phụ lục 1.Cây trồng cạn (nhất là các cây trồng chủ lực) của vùng ngày càng nhận được sự quantâm của các Bộ, ban ngành, các doanh nghiệp lớn, nhỏ trong nước và người dân trongvùng nhờ đó cũng tạo ra nhiều cơ hội phát triển, nhân rộng diện tích, quy mô, sảnlượng, chất lượng cây có giá trị kinh tế cao Do vậy, tiềm năng phát triển cây trồng cạn(cây chủ lực) có giá trị kinh tế cao là rất lớn, nhất là vùng TDMNPB

1.2.7 Các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn

Mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn phổ biến là tưới tự chảy và tưới động lực

Tưới tự chảy: những nơi có có nguồn nước mặt hoặc nước ngầm lộ thiên cao hơnđất trồng trọt (chiếm khoảng 10% diện tích)

- Mô hình tưới tự chảy này nước được lấy từ các khe, suối dùng kênh dẫn nước về các

rãnh, luống theo hộ gia đình hoặc có thể một khu trồng trọt (khe, suối  kênh  rãnh

 luống) Ưu điểm của hệ thống tưới tự chảy này là dễ làm, chi phí thấp Nhưng cũngtồn tại nhiều hạn chế về cao độ tưới và nguồn cung cấp nước tưới

- Ở các vùng đất dốc, lợi dụng chênh lệch địa hình đập dâng (bai) được xây lên mụcđích tạo nguồn nước lấy từ các con suối, con khe, dùng kênh dẫn nước về các rãnh,luống để phục vụ nhu cầu tưới nước cho người dân trong vùng (suối + đập dâng kênh

 rãnh  luống) Ưu điểm của hệ thống tưới này cũng là dễ làm, chi phí thấp, tuynhiên cũng bị hạn chế về cao độ vùng tưới và nguồn cung cấp nước tưới (mực nướcsuối, đập dâng), hiệu quả sử dụng nước không cao

- Một số vùng lấy nước từ hồ chứa (tạo nguồn), dùng kênh dẫn nước và chuyển nướctới các rãnh, luống phục vụ nhu cầu tưới cho vùng (hồ  kênh  rãnh  luống) Hìnhthức tưới này có ưu điểm là lợi dụng được nguồn nước từ các khe, suối, hồ vì vậy chiphí để xây dựng hệ thống tưới này không cao và dễ thực hiện Hiệu quả sử dụng nướccủa hình thức tưới này còn thấp chưa chủ động trong việc cung cấp nước tưới cho câytrồng Hơn nữa việc lấy nước tự phát cũng sẽ gây ra hiện tượng thiếu nước cho những

hộ lấy nước ở xa nguồn nước

Mô hình các hệ thống tưới tự chảy có ưu điểm chung là chi phí rẻ (không phải đầu tưkinh phí về máy bơm, nhà trạm…), dễ thực hiện, dễ vận hành hệ thống tưới không đòihỏi người quản lý vận hành có trình độ kỹ thuật cao so với tưới bằng động lực, tuynhiên không chủ động trong việc lấy nước tưới cho cây trồng nhất là với vùng trung

du, miền núi và cũng chỉ áp dụng được trong những điều kiện địa hình nhất định

 Tưới bằng động lực: dùng máy bơm, hệ thống công trình trạm bơm (dạng nàychiếm khoảng 90% diện tích)

- Hiện nay một số hộ gia đình dùng máy bơm bơm nước từ ao, hồ, suối kết hợp với cácống nước mềm sau đó dùng vòi phun cầm tay để tưới (ao, hồ, suối  máy bơm giađình

 ống dẫn nước mềm  vòi phun cầm tay) Hình thức tưới này mang tính cá nhân, tựphát và nhỏ lẻ phụ thuộc nhiều vào ý thức của người dân Nhiều hộ dân cùng lấy nước

từ ao, hồ, suối cùng một thời điểm vào những ngày nhu cầu tưới căng thẳng của cây

trồng, dẫn đến những gia đình có địa hình cao hơn ở xa nguồn nước hơn sẽ không đủnước tưới Mặc dù, hình thức lấy nước này còn nhiều bất cập như tự phát, chi phí chotừng hộ gia đình cao hơn so với bơm lên bể chứa, hiệu quả kinh tế còn thấp nhưng lại

là hình thức khá phổ biến trong vùng

- Hình thức tưới bao gồm máy bơm (trạm bơm) hút nước từ hồ, sông, suối bơm nướclên các đường ống áp lực, sau đó được dẫn đến vòi phun cầm tay hoặc giàn phun hiệnđại (hồ chứa, sông, suối  trạm bơm  hệ thống đường ống  vòi phun cầm tay hoặcgiàn phun hiện đại) Máy bơm thường dùng là máy bơm ly tâm có lưu lượng nhỏ vàcột nước bơm từ thấp đến trung bình Ưu điểm của hình thức tưới này là áp dụng chocác vùng có quy mô lớn, áp dụng khi địa hình tương đối bằng phẳng, chênh lệch cao

độ trong khu tưới không lớn, phù hợp với các vùng canh tác cây công nghiệp, cây ănquả đã và đang phát triển trong những năm gần đây Nhược điểm là chi phí lớn hơn sovới các hình thức tưới khác Do đó nếu có sự tính toán, xây dựng hình thức tưới nàyvới chi phí nhỏ nhất thì việc nhân rộng hình thức tưới này “phù hợp” với vùng trung

du, miền núi

- Hình thức tưới gồm máy bơm dùng hút nước từ hồ, sông, suối (trạm bơm) bơm nướclên bể chứa hoặc kênh, dùng hệ thống đường ống áp lực dẫn nước tới các vòi phuncầm tay (hồ chứa, sông, suối  trạm bơm  bể chứa, kênh  đường ống  vòi phun).Máy bơm thường là máy bơm ly tâm hoặc máy bơm hỗn lưu có lưu lượng nhỏ và cộtnước bơm cao Ưu điểm, của hình thức tưới này là thường áp dụng cho các vùng cóquy mô lớn, chênh lệch địa hình lớn, độ dốc lớn như vùng đồi núi Trung du, một sốnông trường cũng đã áp dụng hình thức tưới này Nhược điểm, cũng là chi phí cao hơn

so với các hình thức tưới khác Do vậy nếu tính toán, xây dựng hình thức tưới này vớichi phí nhỏ nhất thì hình thức tưới này cũng “phù hợp” để nhân rộng cho vùng trung

du, miền núi

Từ trước đến nay việc đầu tư cho phát triển cây trồng cạn chưa được chính quyền địaphương và người dân quan tâm đúng mức, nhất là việc đầu tư cho hệ thống tưới do đónăng suất, chất lượng, sản lượng cây trồng cạn còn nhiều hạn chế Vì vậy, để phát triểnsản xuất cây trồng cạn với việc mở rộng quy mô diện tích hơn nữa, nâng cao năng suất

cây trồng, đảm bảo chất lượng với cây trồng có giá trị kinh tế cao thì trong tương laicần giải quyết những vấn đề sau:

- Thực hiện tốt các chính sách về phát triển cây trồng cạn cụ thể theo Đề án “Phát triểnngành trồng trọt đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”.

- Chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ cây rau màu, cây ngô sang cây công nghiệp, cây ănquả có giá trị kinh tế cao

- Cải tạo, nâng cấp, sửa chữa các hệ thống công trình cấp nước, hồ chứa nước tạonguồn để nâng cao năng lực của các hệ thống công trình thủy lợi

- Nghiên cứu các sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho câytrồng để đảm bảo nhu cầu nước tưới của cây trồng đặc biệt là cây trồng cạn, cây có giátrị kinh tế cao (cây chủ lực) của vùng sao cho chi phí xây dựng và vận hành hệ thốngtưới là nhỏ nhất

1.3 Đánh giá về hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn

Hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn của vùng TDMNPB chưa cao, cònnhiều hạn chế vì những nguyên nhân chính sau đây:

1.3.1 Về nguồn nước

Vùng TDMNPB có nguồn cung cấp nước khá dồi dào là điều kiện thuận lợi cho các hệthống công trình thủy lợi phục vụ cung cấp nước tưới cho phát triển cây trồng nóichung và cung cấp nước tưới cho cây trồng cạn, cây có giá trị kinh tế cao nói riêng

1.3.2 Về công trình

Các công trình thủy lợi đã và đang được đầu tư xây dựng, nâng cấp, sửa chữa nhưngchưa được đầu tư đồng bộ, còn nhiều công trình bị xuống cấp, chưa được duy tu, sửachữa thường xuyên, thậm chí có những công trình còn bị hư hỏng trong thời gian dàilàm suy giảm năng lực tưới, tiêu, khó đáp ứng được yêu cầu phát triển của ngành nôngnghiệp nói chung và cấp nước tưới cho cây trồng cạn nói riêng

1.3.3 Về mô hình tưới, hình thức tưới

Do điều kiện về địa hình, nguồn nước, cả những tập quán canh tác của người dân địaphương, vì vậy mô hình tưới tự chảy thông qua hệ thống hồ chứa, bai đập, kênhmương diện tích tưới còn nhỏ lẻ, manh mún Diện tích trồng cây lâu năm được tưới tự

chảy chỉ đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu tưới của cây trồng cạn đặc biệt là cây lâunăm; cây

công nghiệp; cây ăn quả có múi - cây trồng chủ lực của vùng.

1.3.4 Về công nghệ tưới

Những năm gần đây, cũng có một số nghiên cứu ứng dụng về tưới cho cây trồng cạntrong vùng, sử dụng công nghệ tưới hiện đại như: tưới phun mưa, tưới nhỏ giọt đãđược áp dụng cho một số vùng tưới cho cây trồng cạn nhưng những công nghệ tướinày cũng đang gặp nhiều hạn chế như: chi phí đầu tư ban đầu lớn, thiết bị đi kèm phảikiểm tra, sửa chữa và thay thế định kỳ, nhất là những vùng đất dốc

1.3.5 Về phía người dân, những người trực tiếp sản xuất

Phần lớn người dân trong vùng vẫn dùng hình thức bơm nước từ hồ chứa, sông, suối

để tưới cho cây trồng bằng vòi phun cầm tay, mang tính tự phát, nhỏ lẻ Hình thức nàychưa được tính toán khoa học, cụ thể về lưu lượng nước bơm Với từng diện tích câytrồng ứng với các địa hình khác nhau gây nên sự lãng phí nguồn nước tưới, hiệu quả

sử dụng nước thấp

1.3.6 Về cơ cấu cây trồng

Những năm gần đây diện tích cây trồng cạn không ngừng được tăng lên, một số chủtrương của toàn ngành nông nghiệp như chuyển đổi cơ cấu cây trồng nhằm mang lạihiệu quả cao trong sản xuất nông nghiệp nhờ đó làm gia tăng thu nhập của người dântrong vùng

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến luận án

1.4.1 Các nghiên cứu nước ngoài

Trong công tác thiết kế, vận hành các hệ thống tưới, cấp nước nói chung và các trạmbơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt ra bài toán cần xác định phương án thiết kế, vậnhành tối ưu sao cho chi phí đầu tư ban đầu và chi phí năng lượng bơm là nhỏ nhất.Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về bài toán này, điển hình như: Chase vàOrmsbee (1989) đã đề xuất một phương pháp tiếp cận quy hoạch phi tuyến (NLP-Nonlinear programming), sử dụng một chương trình tối ưu phi tuyến và công cụ môphỏng thủy lực để giải các ràng buộc và hàm mục tiêu của bài toán thiết kế và vậnhành tối ưu trạm bơm cấp nước trong hệ thống nhiều bể điều tiết [7] Najmaii và

Movaghar (1992) đã sử dụng mô hình NLP để thiết kế tối ưu các trạm bơm lấy nước

từ sông sử dụng phương

pháp tối ưu hóa Lagrange [8] Một số tác giả đã nghiên cứu vận hành tối ưu trạm bơmcấp nước như Coulbeck và Orr năm 1985; Duan và cộng sự năm 1990; Brion và Maysnăm 1991 [9], [10], [11] Ormsbee và Lansey (1994) đã nghiên cứu các phương phápđược sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống bơm cấp nước nhằm giảm thiểuchi phí vận hành [12] Ashofteh (1999) đã tối ưu hóa loại và số lượng máy bơm trongcác mạng nối tiếp và song song, xem xét cả đầu tư ban đầu và chi phí năng lượng tiêuthụ [13] Mahdi Moradi-Jalal (2003) đã nghiên cứu bài toán thiết kế và vận hành tối ưucác trạm bơm tưới qua việc tích hợp một quy trình vận hành tối ưu vào sơ đồ thiết kế[14] Etana (2015) đã nghiên cứu bài toán thiết kế và vận hành tối ưu hệ thống trạmbơm tưới sử dụng mô hình GAMS [15] Các kết quả đầu ra của mô hình bao gồm loạimáy bơm đã chọn, công suất, số lượng máy bơm và lịch trình vận hành máy bơm tối

ưu cho các vấn đề liên quan đến giai đoạn thiết kế Lai và cộng sự (2020) đã thiết lậpmột mô hình tối ưu hóa cho các máy bơm làm việc song song với mục tiêu giảm mứctiêu thụ điện năng của hệ thống máy bơm và cải thiện độ tin cậy [16] Ngoài ra, có một

số nghiên cứu sử dụng quy hoạch động (Dynamic programming-DP) và các phươngpháp tối ưu khác để giải bài toán thiết kế và vận hành tối ưu trạm bơm như Cohen năm1982; Ormsbee và cộng sự năm 1989; Zessler và Shamir năm 1989; Mays và Tungnăm 1992, Mingxing (2020), Zhang (2019), [17], [18], [19], [20], [21], [22]

Bên cạnh đó, Mala-Jetmarova và cộng sự (2017) đã giới thiệu một phương pháp trongthiết kế mạng phân phối nước, các tác giả đã phân loại rõ các phương pháp tối ưu hóatheo mục tiêu tối ưu (mục tiêu đơn, đa mục tiêu và các mục tiêu khác) hoặc phươngpháp tính toán (ví dụ: ngẫu nhiên, heuristic,…) Trong hơn 70% các phương án, mụctiêu duy nhất “chi phí thấp nhất” được chọn và nhiều đề xuất thiết kế chỉ xem xét chiphí xây dựng, dẫn đến một góc nhìn không đầy đủ về vai trò của nước Từ những năm

1980 trở đi, một số nhà thiết kế đã tích hợp cả chi phí xây dựng và vận hành vàophương pháp thiết kế [23] Gessler và Walski đề xuất một công thức tính chi phí xâydựng bao gồm chi tiết về chi phí đào và những chi phí khác [24] Theo Alperovits vàShamir chi phí bơm được tính từ một cách tiếp cận thực nghiệm phụ thuộc vào côngsuất cần thiết, mang lại kết quả thực tế [25] Các cách tiếp cận đa mục tiêu ngày càngđược áp dụng rộng rãi trong ba thập kỷ qua và họ xem xét việc phân tích chi phí và cáckhía cạnh khác

như thiếu hụt áp suất hoặc vượt mức, phát thải nhà kính hoặc chất lượng nước, cùngnhiều vấn đề khác.

Về mặt kỹ thuật tính toán, các kỹ thuật lập trình tiến hóa như thuật toán di truyền đãđược sử dụng rộng rãi để tối ưu hóa hệ thống phân phối nước, ví dụ các nghiên cứu bởiMarchi et al., Kadu và cộng sự., hoặc Van Dijk và cộng sự [26], [27], [28] Tuy nhiên,hầu hết các nỗ lực trong các mô hình hiện đại đều giải quyết các quá trình tính toán.Theo Goulter hầu hết các mô hình tối ưu hóa được phát triển trong nghiên cứu khôngđược sử dụng trong thiết kế thực tế [29] Nguyên nhân chính của sự hạn chế việc sửdụng không phải vì các mô hình không hoạt động, như Walski et al chứng minh,nhưng chủ yếu là do những thách thức để giải thích và sử dụng chúng trong điều kiệnthực tế [24] Ngược lại, kỹ thuật tìm kiếm gradient là ít phổ biến hơn nhưng chúng đãchứng minh một cách thuyết phục rằng chúng có thể mang lại những giải pháp gầnnhư tối ưu cho mạng cấp nước Phương pháp này cũng trực quan hơn các quy trìnhthiết kế và tối ưu hóa khác Mặt khác, do biến đổi khí hậu, di cư dân cư, v.v., nhu cầunước thay đổi trở nên cực đoan hơn… Sự thay đổi theo mùa này khiến công tác thiết

kế càng phức tạp hơn trong việc hình thành hệ thống cấp nước hiệu quả một cách hợp

lý Vì những lý do này, những thiết kế có thể quản lý những thay đổi về nhu cầu làđiều mong muốn Babayan và cộng sự giới thiệu vấn đề này trong quá trình tối ưu hóacủa họ bằng cách sử dụng độ lệch chuẩn trong tính toán nhu cầu [30] Trong nghiêncứu như Granados et al., hệ số an toàn được xác định sau khi phân tích độ nhạy củacác biến số ảnh hưởng đến sự thay đổi nhu cầu, đặc biệt là cho mục đích nông nghiệp[31] Một cách tiếp cận khác được sử dụng trong Kapelan et al., trong đó độ bền đượctối đa hóa tạo ra các tình huống ngẫu nhiên và tính toán xác suất đáp ứng các điều kiệnyêu cầu tại tất cả các nút [32] Babayan và cộng sự so sánh quan điểm hệ số an toànđối với cách tiếp cận nhu cầu ngẫu nhiên điều chỉnh theo một xác suất nhất định, vàkết luận rằng mặc dù cả hai cách tiếp cận đều có kết quả tương tự nhau, nhưng cáchsau lại tốn kém hơn về mặt tính toán [30] Nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuậtphân tích mới, tối ưu hóa thuật toán di truyền (GA) để giúp xác định các giải pháp thaythế vận hành và mở rộng hệ thống cấp nước với chi phí thấp GA cũng đã được ápdụng trong việc tối ưu hóa hệ thống bơm cấp nước GA cũng được sử dụng để cảithiện thiết kế hệ thống phân phối nước (Simpson

et al 1994; Reis và cộng sự 1997; Savic và Walters 1997; Boulos và cộng sự 2000,2001a,b; Rodin và Moradi-Jalal 2002) [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39].

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về giải pháp cấp nước tưới trên sườn dốc vàmột số nghiên cứu về bài toán thiết kế hệ thống tưới tiêu hợp lý điển hình như:

Năm 1995-1996, Trung tâm Thủy nông Cải tạo đất và Cấp thoát nước - Viện Khoa họcThủy lợi đã nghiên cứu về giải pháp cấp nước tưới trên đất dốc: nghiên cứu bể trữnước lót bạt plastic phục vụ cấp nước sinh hoạt vùng cao, ứng dụng tại Hà Giang, CaoBằng và một vài tỉnh miền núi phía Bắc Tuy nhiên, do vật liệu plastic không bền vữngtrong môi trường tự nhiên nên bể này nhanh chóng bị hư hỏng sau một thời gian sửdụng [5]

Dương Thanh Lượng (1997) đã xây dựng bài toán để xác định hệ số tiêu thiết kế tối ưucho các hệ thống tiêu vùng Đồng bằng Bắc Bộ Chỉ tiêu tối ưu được sử dụng để làmhàm mục tiêu là chỉ tiêu NPV (lợi nhuận ròng) Tác giả đã sử dụng thuật toán quéthàm mục NPV tìm giá trị NPV max Giá trị hệ số tiêu thiết kế nào ứng với giá trị NPVmax thì đó là giá trị hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm [40] Kết quả này ứng dụngđược cho các trạm bơm tiêu vùng Đồng bằng Bắc Bộ

Phạm Thị Hoài (2001) sử dụng phương pháp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa, nghiêncứu bài toán phân vùng tối ưu hệ thống thủy nông Văn Giang với chỉ tiêu tối ưu làNPV

→ max (lợi nhuận ròng lớn nhất) Tác giả đã đưa ra nhiều phương án khác nhau vềranh giới bơm tưới giữa trạm bơm Văn Giang đã được xây dựng và trạm bơm mới cầnđược xây dựng, ứng với từng phương án tính được: chi phí xây dựng ban đầu, chi phíquản lý hàng năm và hiệu ích đem lại của công trình Từ đó tính được giá trị NPV,phương án về ranh giới bơm tưới nào cho giá trị NPV lớn nhất thì đó là phương án tối

ưu nhất [41] Kết quả của tác giả mới chỉ nghiên cứu cho vùng trồng lúa

Nguyễn Tuấn Anh (2003) dựa trên lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp mô hình

mô phỏng và tối ưu hóa để xây dựng bài toán xác định phương án và quy mô trạmbơm tưới áp dụng cho trạm bơm IAKO tỉnh Gia Lai Kết quả nghiên cứu cho thấy

nghiệm của bài toán phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc điểm địa hình của khu tưới,chế độ tưới của cây trồng, nguồn nước, loại máy bơm, các chỉ tiêu kinh tế về đầu tư vàquản lý

công trình [42] Tuy nhiên, kết quả này mới chỉ là bước đầu, vì bài toán đã đơn giảnhóa nhiều yếu tố đầu vào, chưa xét đến biến đổi khí hậu.

Giai đoạn 2000-2003, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã chế tạo và đưa vào ứngdụng thành công công nghệ bơm va, bơm thủy luân với cột nước bơm 1060 m,không sử dụng nhiên liệu và hoạt động suốt ngày đêm Đây là giải pháp công nghệ phùhợp để cấp nước sinh hoạt và sản xuất đã được ứng dụng hiệu quả nhằm phát triểnthủy lợi nhỏ miền núi, vùng sâu, vùng xa, những nơi có địa hình cao, bị chia cắt, đốitượng sử dụng nước phân tán và phân bố ở vị trí cao hơn nước Tuy nhiên, các bơmnày cần được đặt trên các suối có nguồn sinh thủy tốt và phù hợp với nhu cầu sử dụngnước nhỏ [5]

Giai đoạn 2006-2008, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường đã nghiên cứu đề xuất sơ

đồ công nghệ thu trữ nước trên đất dốc, phòng chống xói mòn, đưa 3 loại vật liệu (ximăng

- đất, xi măng vỏ mỏng, HDPE) vào áp dụng cho mô hình thu trữ nước tưới cho câycam huyện Cao Phong - Hòa Bình, mô hình thu trữ nước mưa trên đồi cát phục vụcanh tác lâm nghiệp và phòng chống hoang mạc hóa, sa mạc hóa tại huyện Bắc Bìnhtỉnh Bình Thuận Đây là giải pháp phù hợp, giá thành rẻ cho các vùng đất đang cónguy cơ sa mạc hóa, vùng đất dốc [5], [43]

Nguyễn Quốc Dũng (2012) đã nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ đập ngầmlấy nước trên suối, tường hào thu nước mái đồi cấp nước cho vùng núi đá khan hiếmnước ở Hà Giang, Lai Châu Công nghệ đã mở ra hướng cấp nước cho vùng miền núinhưng mới chỉ đề cập đến khía cạnh cấp nước sinh hoạt cho nông thôn vùng miền núi[5], [44]

Để thu trữ nước, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường nghiên cứu sử dụng bể chứabằng túi nhựa dẻo lắp đặt tại xã Trung Minh thuộc thành phố Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình

Bể chứa bằng túi nhựa dẻo có kết cấu từ nhiều lớp nhựa có tính bền cơ học và khảnăng ổn định hóa học cao, tuổi thọ của bể có thể lên đến 40 năm Tuy nhiên, do túi dể

bị rách thủng bởi lực cơ học hoặc vật nhọn nên cần xử lý nền đặt bể và có hàng ràobảo vệ nên giá thành còn cao [5]

Lưu Văn Quân (2015) sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giải bài toántối ưu về chi phí đầu tư xây dựng của hệ thống tiêu cho vùng nông nghiệp - đô thị.Phương