Giáo trình thủy nông - Chương 4 ppt

CHƯƠNG 4: CHẾ ĐỘ TIÊU CHO CÁC LOẠI CÂY TRỒNG Do lượng mưa lớn và phân bố không đồng đều không gian và thời gian, nên thường tạo ra một lớp nước vượt quá công thức tưới tăng sản, nếu thời

CHƯƠNG 4: CHẾ ĐỘ TIÊU CHO CÁC LOẠI CÂY TRỒNG

Do lượng mưa lớn và phân bố không đồng đều (không gian và thời gian), nên thường tạo ra một lớp nước vượt quá công thức tưới tăng sản, nếu thời gian đó kéo dài thì sẽ gây ngập úng và giảm năng suất cây trồng, có khi mất mùa Vì vậy cần nghiên cứu và giải quyết lượng nước thừa đó một cách hợp lý cho từng loại cây trồng, gọi đó là chế độ tiêu

Tính toán chế độ tiêu cho các loại cây trồng là xác định các chỉ tiêu cơ bản (hệ số tiêu, kích thước công trình tiêu) để xây dựng công trình tiêu hợp lý

Đối với cây hoa màu, cây công nghiệp và cây ăn quả khả năng chịu ngập kém hơn so với lúa, do đó việc tiêu nước cần được khẩn trương, đồng thời ngoài việc tiêu nước mặt cần phải tiến

hành tiêu nước ngầm để đảm bảo cho rể cây không bị úng

Tiêu nước mặt: Khi tiến hành tính toán chế độ tiêu theo phương pháp này cần phải thực

hiện phương châm “ rải nước, chôn nước”

-Rải nước: Dựa vào khả năng chịu ngập của cây trồng đặc biệt là cây lúa, giử lại một lớp nước trong ruộng trong thời gian tiêu, nhằm giảm căng thẳng khi tiêu nước và giảm kích thước công trình tiêu

-Chôn nước: Lợi dụng các khu trũng trong vùng ( ao, hồ, kênh tưới ) nhằm trử một phần lượng nước mưa và tiêu dần vào thời gian sau đó, nhằm giảm căng thẳng khi tiêu nước và giảm kích thước công trình tiêu

Tiêu nước ngầm: Thường áp dụng cho các khu ruộng màu, nhằm hạ thấp mực nước ngầm

xuống để không gây úng cho rể cây

4-1:TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TIÊU CHO LÚA

Lúa là loại cây trồng có khả năng chịu ngập cao, khả năng này thay đổi tuỳ theo từng giống lúa và thời kỳ sinh trưỡng Khả năng đó được đặc trưng bởi 2 yếu tố đó là độ sâu chịu ngập và thời gian chịu ngập Tận dụng được khả năng này ta sẽ giảm nhỏ được hệ số tiêu

Thời gian chịu ngập cho phép Độ sâu chịu ngập

1 ngày < 350 mm

3 ngày < 250 mm

5 ngày < 200 mm

7 ngày < 150 mm Trong hệ thống tiêu thì bờ ruộng và cửa tiêu là những công trình chủ chốt, trong đó cửa tiêu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tiêu Cửa tiêu được chia làm 2 dạng: cửa tràn và ống tiêu

-Cửa tràn: Chiều cao cửa tràn bằng lớp nước thích hợp trong ruộng (hmax= amax), khi mưa càng lớn thì hệ số tiêu càng lớn, do đó không có tác dụng điều tiết nước mặt ruộng nhưng dễ quản lý

-Ống tiêu: có kích thước nhất định, có thể đặt ngang tại mặt ruộng, cửa tiêu có thể điều tiết lớp nước mặt ruộng, tuy nhiên hệ số tiêu bé hơn so với loại cửa tràn

h max

Loại cửa tràn

Loại ống tiêu

4-1-1: Tính hệ số tiêu trong trường hợp công trình tiêu nước kiểu cửa tràn

K e

H i tb

H i-1

H i

SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

P i

ei

Phương trình cân bằng nước tại mặt ruộng:

Pi- (h0i+ q0i)= ± ∆Hi (1)

Trong đó:

Pi: lượng mưa rơi xuống trong thời đoạn tính toán (mm/ ngày)

h0i: lượng ngấm và bốc hơi (mm/ngày); h0i= ke+ e (mm/ngày)

ke: hệ số ngấm

e: lượng bốc hơi ngày; (lấy tài liệu bốc hơi ngày của tháng ứng với lượng mưa

trong tháng đó)

∆Hi:lượng nước tăng giảm tại mặt ruộng trong ngày (mm/ngày)

∆Hi= Hi- Hi-1

Hi-1; Hi: cột nước đầu và cuối thời đoạn tính toán

q0i: lưu lượng tiêu đơn vị (mm/ngày)

( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

=

max 0

2 0

0 0

054 0 402

.

0

2 274

.

0

h

H m

H g b m q

i

i

Trong đó:

m0: hệ số lưu lượng

b0: chiều rộng cửa tiêu để tiêu cho 1 ha (m), b0= b/ω

Hitb: cột nước bình quân trong thời đoạn tính toán (mm)

max 1

H a

i

ai-1: lớp nước mặt ruộng đầu thời đoạn tính toán; ai-1> hmax

Các phương trình (1); (2); (3) là các phương trình cơ bản để xác định hệ số tiêu, với 3 ẩn số là: q0i ; ∆Hi; Hitb

Để giải 3 phương trình trên ta có thể dùng phương pháp giải tích hay đồ giải

a.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 3 ngày max là (120; 130; 50) mm

-Tổn thất do thấm và bốc hơi h0i= 5 (mm/ngày)

-Chiều cao cửa tràn hmax= 100 mm

-Cho b0= 0.65 (m/ha); m0= 0.34

∆Hi (mm/ng) Ngày

mưa

P mm/ng

q0i mm/ng

h0i

ai

mm

Hitb

mm

q’ 0i

mm/ng

aitb

mm

Trong bảng trên các đại lượng ở cột (2); (3); đầu cột (7) là những giá trị đã biết trước khi tính toán

Sau đó gi¶ thiết q0i ở cột (3), tính Hitb theo phương trình 3 ở cột (8)

Khi có Hitb ta tính được q’

0I theo phương trình 2 ở cột (9)

Nếu q’

0i= q0i thì giả thiết ban đầu là đúng, nếu không thì giả thiết lại

Xác định trị số lớp nước bình quân theo công thức: aitb= Hitb+ hmax ở cột 10

Khi có ai-1 ; aitb ta xác định được lớp nước mặt ruộng cuối thời đoạn tính toán:

aitb= (ai + ai-1)/2

⇒ ai = 2 aitb- ai-1

Trị số ai chính là trị số ai-1 của thời đoạn tính toán sau

Sau mỗi lần tính ta cê các trị số ai-1; Pi; h0i mới và tiếp tục tính toán cho thời đoạn tiếp theo, cho đến khi q’0i ≈ 0 thì dừng

C¸c bưíc tÝnh to¸n ®ưîc tiÕn hµnh như sau:

Bưíc 1: GØa thiÕt gi¸ trÞ b0

Bưíc 2: TÝnh to¸n lưu lưîng tiªu ®¬n vÞ cho tõng ngµy

Ngµy thø nhÍt:

- Gi¶ thiÕt gi¸ trÞ q0i (mm/ngµy), dùa vµo (1) x¸c ®Þnh ∆Hi

- Dùa vµo (3) x¸c ®Þnh Hitb

- Dùa vµo (2) x¸c ®Þnh q’0i vµ so s¸nh q’0i víi q0i

0i ≈ q0i th× gi¶ thiÕt dóng vµ tÝnh tiÕp bưíc 3

0i ≠ q0i th× gi¶ thiÕt l¹i q0i vµ quay l¹i tÝnh theo bưíc 2

- X¸c ®Þnh aitb= Hitb+hmax

- Líp nưíc cuỉi thíi ®o¹n tÝnh to¸n thø nhÍt ai= 2aitb-ai-1; ®©y cñng chÝnh lµ líp

nưíc dÌu thíi ®o¹n thø 2

Ngµy thø 2: C¸c b−íc tÝnh to¸n t−¬ng tù nh− ngµy thø nhÍt, cø tiÕp tôc tÝnh nh− thÕ cho

c¸c ngµy tiÕp theo khi nµo q’0i ≈ 0 th× dõng

B−íc 3: Têm l¹i øng víi mĩt gi¸ trÞ b0 ta cê quan hÖ (atb∼t) vµ so s¸nh:

*NÕu (atb∼t) ≤ ([hn]∼t) th× b0 chôn ban ®Ìu lµ hîp lý

*NÕu (atb∼t) > ([hn]∼t) th× ph¶i gi¶ thiÕt l¹i b0 vµ tÝnh to¸n l¹i

B−íc 4:

Hệ số tiêu thiết kế được xác định theo công thức sau:

64

8

max

0i

tk

q

q = (l/s-ha)

b.Xác định hệ số tiêu bằng phương pháp đồ giải:

Để thuận tiện trong đồ giải ta cần biến đổi hệ phương trình trên thành hệ 2 phương trình có

2 ẩn số Hitb; q0i :

Từ phương trình 1: Pi- (h0i+ q0i)= ± ∆HI

ta biến đổi như sau: Pi- (h0i+ q0i) = Hi- Hi-1

⇒ q0i= (Pi- h0i)- Hi+ Hi-1

Cộng trừ vế phải cho Hi-1 ta có

q0i= (Pi- h0i) + 2Hi-1 - (Hi+ Hi-1)

⇒ q0i= (Pi- h0i+ 2Hi-1)- 2Hitb

Đặt Wi= Pi- h0i+ 2Hi-1

⇒ q0i= Wi - 2Hitb (mm/ngày)

Như vậy ở mỗi thời đoạn tính toán khi ta xác định được Hi-1; (Pi- h0i) thì sẽ xác định được Wi Do đó phương trình trên chỉ còn phụ thuộc vào 2 biến là q0i;Hitb

Trong đó:

Hi-1: là cột nước tràn ở thời đoạn trước Ở thời đoạn bắt đầu tính toán thì Hi-1= a0- hmax

a0: lớp nước mặt ruộng trước khi tiêu

hmax: Chiều cao cửa tràn

Từ phương trình 2 ta có:

( ) 2 0

0

0i 0.274m b 2g H i

q =

Với b0 cho trước thì phương trình trên chỉ còn phụ thuộc vào 2 biến là q0i;Hitb

Hay nói cách khác ta cần vẽ 2 đường quan hệ sau:

q0i= f1(Hittb) với b0 làm thông số

q0i= f2(Hittb) với Wi làm thông số

Đồ giải được tiến hành theo các bước sau như sau:

Bước 1: Vẽ quan hệ q0i= f1(Hitb) = 0.274m0 (2g)1/2b0 (Hitb)3/2 ; với b0 cho trước

Bước 2: Vẽ quan hệ q0i= f2(Hitb) = Wi - 2Hitb; với Wi làm thông số

Trong đó:

Wi= Pi- h0i+ 2Hi-1

Hi-1= a0- hmax

Ngày thứ 1: cột nước tiêu đầu thời đoạn tính toán là Hi-1= a0- hmax= 0

⇒ Wi= Pi- h0i

q0i= f2(Hitb) = (Pi- h0i)- 2Hitb

Xác định giao điểm của f1 và f2 giá trị tung độ chính là giá trị Hitb, vậy cột nước tiêu ở cuối thời đoạn thứ nhất là : Hi= 2Hitb- Hi-1

Ngày thứ 2: cột nước tiêu đầu thời đoạn tính toán chính là cột nước tiêu ở cuối thời đoạn

thứ nhất Hi-1= Hi

Ngày thứ 3: Các bước tính toán tương tự như trên cho đến khi Hi≈ 0

Bước 3: Sau khi đồ giải ta xác định được 1 bộ thông số quan hệ (q0i∼t); (Hitb∼t) từ các giao điểm của f1 và f2

Xác định quan hệ (aitb∼t) theo công thức sau: aitb= Hitb+ hmax

So sánh (aitb∼t) với khả năng chịu ngập của lúa ([h]∼t), sẽ có hai trường hợp xãy ra:

Nếu (aitb∼t) ≤ ([h]∼t) thì giá trị b0 đã chọn ban đầu là hợp lý

Nếu (aitb∼t) > ([h]∼t) thì giá trị b0 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 (q0i∼t) ta xác định được quan hệ (qi

tiêu∼t) theo công thức sau:

qi

tiêu= q0i / 8.64 (l/s-ha)

Hệ số tiêu thiết kế qtk= (qi

tiêu)max

H itb

q 0i

q 0i = f 2 (H itb ); W i la thong so

q 0i = f 1 (H itb ); b 0 la thong so

W i /2

W i

4-1-2: Tính hệ số tiêu trong trường hợp công trình tiêu nước kiểu ống tiêu:

d

h max

H itb

H i

H i-1

a i

a i-1

Dùng phương pháp giải tích hoặc đồ giải, bằng cách giả thiết tiết diện ống tiêu Ω, xây dựng đường quan hệ (q0i∼ Hitb) từ 2 phương trình sau:

( ) ( )i

i i

i

i i

oi

H f H W

q

H f

d H g m

q

2 0

1 2 0

2

2 2

274

0

=

−

=

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

Ω

=

Trong đó:

Ωtròn= (∏d2)/4; Ωchử nhật= b.h

b (m); d(mm)

Các bước tính củng tượng như đối với công trình tiêu là cửa tràn

4-2: CHẾ ĐỘ TIÊU CHO CÂY TRỒNG CẠN

Cây trồng cạn là loại cây không có khả năng chịu ngập như cây lúa, độ ẩm trong đất không được vượt quá độ ẩm cho phép Do đó khi tính toán chế độ tiêu cho cây trồng cạn cần kết hợp tiêu nước mặt và tiêu nước ngầm

4-2-1: Tiêu nước mặt cho cây trồng cạn

Xác định hệ số tiêu (q) và chiều dài ruộng tiêu hợp lý (L)

4-2-1-1: 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:

*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:

-Thời gian mưa t

-Chiều dài nước chảy L

-Tốc độ dòng chảy trên mặt v

Khi tính toán cần dựa trên các giã thiết sau đây :

-Mưa rãi đều trên khắp khu ruộng và cường độ mưa không đổi (q=const)

-Điều kiện che phủ mặt đất như nhau (n=const)

-Tốc độ nước chảy trên mặt không đổi (v=const; i= const)

-Tính ngấm của đất và tốc độ ngấm như nhau (k=const)

α.Lưu lượng tiêu bình quân trong khu vực:

τ

σ

+

=

t

Sp

Q bq

Trong đó:

σ: hệ số dòng chảy; σ = f(độ che phủ, lượng mưa, lượng ngấm)

p: lượng mưa thiết kế

S: diện tích mặt ruộng

τ: thời gian tập trung dòng chảy; τ = L/v

v: vận tốc dòng chảy

L: chiều dài nước chảy (chiều dài ruộng tiêu)

t: thời gian mưa

Vậy để xác định lưu lượng bình quân, ta cần xác định vận tốc dòng chảy mặt trên ruộng tiêu đó

Với giả thiết ban đầu ta đã xem dòng chảy trên ruộng là dòng đều, vậy theo công thức Sezi

ta có:

χ

ω

= +

=

=

B h

Bh

R

RI C

v

2

1

P

C D

L

Trong đó:

B: chiều rộng thửa ruộng

h: chiều sâu lớp nước mặt ruộng (10 ÷50 mm)

h<< B ⇒ R≈ h

hI C

v= 1

Khi xác định được v ta sẽ xác đinh được Qbq trong khu ruộng tiêu

β hệ số tiêu lớn nhất trong khu vực: Đây là cơ sở để thiết kế các công trình tiêu, hệ số tiêu

được xác định theo công thức: qmax= Qmax / S Để xác định Qmax ta phân ra các trường hợp sau:

Trường hợp 1:khi t > τ thì S < Smax

Tức là khi bắt đầu mưa đường quá trình dòng chảy (Q∼t) tăng lên và đạt giá trị cực đại tại điểm τ = L/v Ở thời điểm đó hạt mưa đầu tiên rơi xuống tại C đã chảy về D, khi đó ta có:

Q max

τ

τ

t

t

Q

τ

σ max

max

S p

Với diện tích mặt ruộng S= Smax

⇒ q max = Q max / S = σ.p / τ

Trường hợp 2:khi t = τ thì S= Smax

Tức là khi bắt đầu mưa đường quá trình dòng chảy (Q∼t) tăng lên và đạt giá trị cực đại tại điểm t= τ = L/v Ở thời điểm đó hạt mưa đầu tiên rơi xuống tại C đã chảy về D và mưa tạnh nên đường quá trình giảm xuống, khi đó ta có:

t

S p

max

σ

=

⇒ q max = Q max / S = σ.p / t

Q max

t = τ

t

Q

Trường hợp 3:khi t < τ thì S > Smax

Tức là đường quá trình dòng chảy (Q∼t) đạt giá trị cực đại sau khi hết mưa Hạt mưa đầu tiên rơi xuống tại C chưa chảy vềö đến D và cách D một đoạn (L- vt) nên lúc này diện tích tập trung dòng chảy Smax< S, khi đó ta có:

t

S p

Qmax σ. . max

=

Với ϕ= Smax / S; gọi là hệ số chậm tới hay hệ số tập trung nước

⇒ q max = Q max / S = σ.p.ϕ / t

Q max

t t

τ

t

Q

4-2-1-2:Xác định chiều dài ruộng tiêu:

Chiều dài ruộng tiêu phải xác định hợp lý nhằm tránh khối lượng đào đắp lớn hoặc làm ảnh hưởng đến sinh trưỡng của cây trồng

k

q’

y

P

dx

x

L Nếu gọi q là lưu lượng trên 1 đơn vị chiều rộng tại mặt cắt x: q= v.ω = v.(y.1) = v.y

Xem dòng chảy trên ruộng là dòng đều:

+

=

=

=

y

y R

R C

yI C RI C

v

87 87

1

1 1

Trong đó:

R: bán kính thuỷ lực, R= ω/χ ≈ y

y: chiều sâu lớp nước mặt ruộng, y= 0.01÷0.05 m

I: độ dốc mặt ruộng

δ: hệ số gồ ghề mặt ruộng, δ= 1.5÷ 4.0 ⇒ y << δ

Vậy vận tốc dòng chảy trên 1 đơn vị diện tích chiều rộng tại mặt cắt x là:

y C y

I yI

y

δ δ

Lưu lượng tại mặt cắt x là: q x = C 0 y 2

Thiết lập phương trình cân bằng nước cho đoạn dx: q+ p.dx = q’+ k.dx

k: hệ số ngấm của đất

⇒ C0(y+dy)2 - C0y2 = (p-k)dx

vì y rất nhỏ nên có thể xem dy2= 0

⇒ 2C0.y.dy) = (p-k)dx

k p

H C

L

L k p H

C

dx k p ydy

C

L H

−

=

⇒

−

=

−

∫

2 0

2

0

0 0

0

2

(1)

H: chiều sâu cột nước tiêu cuối ruộng (mm) Đây là đại lượng chưa biết, do đó cần biểu diễn

H thông qua một đại lượng trung gian

*Tuy nhiên sau khi mưa tạnh, trên ruộng vẫn còn một lớp nước gọi là W:

W= ϕ.L.H

Trong đó:

ϕ: hệ số hình dạng mặt nước, ϕ=2/3 ⇒ W= (2/3).L.H

Theo yêu cầu đặt ra thì lượng nước W phải được tháo hết đi trong thời gian t0

W= lượng nước tiêu trong thời gian t0 + lượng nước tiếp tục ngấm trên đoạn L

W= q0.to + (k/2).L.t0

k/2: hệ số ngấm bình quân trong thời gian t0

q0: lưu lượng tiêu trung bình trong thời gian t0; q= C0(H/2)2

⇒ (2/3).L.H = q0.to + (k/2).L.t0

⇒ (2/3).L.H = (1/4).C0.H2.to + (k/2).L.t0

⇒ (2/3).L.H = (1/4).[C0.H2 + 2k.L].t0

(C H kL)

LH t

2 3

8

2 0 0

+

Từ 2 phương trình (1) & (2) víi ( )

0

C

L K P

= thay vµo hai pt vµ b×nh ph−¬ng 2 vÕ ta cê:

(p k)

t k p C

L

−

+

≈

7

2 0 2 0

Trong đó:

L (mm); k (mm/ngày); p (mm/ngày); t0 (giờ)

Vậy khi biết được C0; p; k; t0 thì tính được L

4-2-2: Tiêu nước ngầm cho cây trồng cạn

Tiêu nước ngầm có tác dụng rất lớn đối với những vùng có mực nước ngầm cao hoặc những vùng bị mặn, phèn cần thau chua rữa mặn

P

4-2-2-1: Phương trình cơ bản:

L

dh h

h 0

h 2

h 1

Từ phương trình cân bằng giữa lượng nước ngấm xuống đất và lượng nước chảy vào kênh tiêu trong thời gian t:

(q h - P 0 L) dt = -ϕδLdh (1)

Trong đó:

P0: lượng nước ngấm vào đất khi đã trừ đi lượng bốc hơi; P0= P- e

P: lượng mưa thiết kế

e: lượng bốc hơi

qh: hệ số tiêu hay lưu lượng tiêu đơn vị

dt: thời gian để mực nước ngầm giảm một độ sâu dh

ϕ: hệ số hình dạng đường mực nước ngầm, ϕ =1

δ: hệ số thoát nước trong đất (%);δ = A(1-βmax)

A: độ rổng (% thể tích đất)

βmax: độ ẩm lớn nhất theo khả năng giử nước tối đa của đất

L: khoảng cách giữa hai rảnh tiêu

Từ phương trình cơ bản trên, muốn xác định tốc độ hạ thấp mực nước ngầm dh/dt, ta phải biết được qh; L

Tuỳ theo vị trí đáy kênh tiêu so với tầng không thấm, ta có thể chia làm 2 loại rảnh tiêu sau: -Rảnh tiêu hoàn chỉnh: tầng không thấm sát với đáy kênh tiêu

-Rảnh tiêu không hoàn chỉnh: Tầng không thấm nằm cách đáy kênh tiêu một độ sâu nhất định hoặc vô hạn