Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 4 pdf

Do vậy có thể lợi dụng đặc tính này để trữ nước trên ruộng khi có mưa lớn, kéo dài thời gian tiêu, vì vậy sẽ giảm được hệ số tiêu cần thiết.. Cách xác định thời gian tập trung dòng chảy

Chương 4

Chế độ tiêu vμ Yêu cầu tiêu

Tiêu thoát nước cho nông nghiệp là vấn đề quan trọng như tưới nước Thiếu nước thì

cây trồng không phát triển được, ngược lại thừa nước cây trồng cũng suy yếu Do đó hai

vấn đề này phải giải quyết song song trong quy hoạch thiết kế hệ thống thủy lợi

Trong một hệ thống thủy lợi thường bao gồm nhiều đối tượng cần tiêu như đất cấy lúa,

đất trồng cây trồng cạn, đất ao hồ, đất thổ cư, đường sá Do vậy để xác định được hệ số tiêu

tổng hợp cho khu vực cần phải tính được hệ số tiêu thành phần, vì mỗi loại đất tiêu có đặc

điểm khác nhau

4.1 Tính hệ số tiêu cho vùng trồng lúa

Lúa là cây trồng phát triển trên môi trường ngập nước, nó có khả năng chịu ngập tốt

Do vậy có thể lợi dụng đặc tính này để trữ nước trên ruộng khi có mưa lớn, kéo dài thời

gian tiêu, vì vậy sẽ giảm được hệ số tiêu cần thiết

4.1.1 Các tài liệu cần thiết

- Mô hình mưa tiêu lớn nhất thời đoạn ngắn 1, 3, 5, 7 ngày theo tần suất thiết kế,

thường P = 10%

- Giai đoạn sinh trưởng của cây lúa và chiều cao cây theo từng giai đoạn

- Đặc trưng thấm của đất (hệ số thấm ổn định)

- Lượng bốc hơi mặt ruộng trong thời gian tính toán (theo kết quả tính toán bốc hơi

thực tế mặt ruộng với bốc hơi tiềm năng tính từ công thức Penman)

- Khả năng chịu ngập của lúa theo tài liệu thí nghiệm, thường được xác định theo

chiều cao của cây lúa

- Thời gian tiêu cho phép, thường xác định theo:

[T] = t + 2

[T] - thời gian tiêu cho phép (ngày);

t - thời gian mưa theo mô hình tính toán (ngày)

Bảng 4.1 - Chiều cao cây lúa hè thu ứng với từng giai đoạn sinh trưởng

(theo tài liệu ủy ban NNTW, giống lúa CR203)

Chiều cao cây lúa (cm) 25 ữ 30 30 ữ 35 40 ữ 50 50 ữ 55

Bảng 4.2 - Chiều sâu ngập so với chiều cao cây và thời gian chịu ngập cho phép

của lúa CR203 để năng suất giảm không quá 10%

Thời gian chịu ngập 1 ngày 2 ngày 3 ngày 4 ngày 5 ngày 6 ngày 7 ngày 8 ngày Năng suất giảm 10% 0,82 0,62 0,53 0,48 0,44 0,38 0,35 0,31

Bảng 4.3 - Khả năng chịu ngập theo chiều cao cây lúa

Tháng Chiều cao cây

(mm) 1 ngày 2 ngày 3 ngày 4 ngày 5 ngày 6 ngày 7 ngày 8 ngày

7

8

9

300

350

450

246

287

369

186

217

279

159

186

238

144

168

216

132

154

198

114

133

171

105

122

158

93

108

140

Hệ số dòng chảy σ có thể sử dụng như sau đối với các vùng tiêu nước:

+ σlúa = 1,0; + σao hồ = 1,0 + σmàu = 0,6; + σloại khác = 0,5 Cường độ ngấm ổn định của đất trồng lúa phụ thuộc vào loại đất Lúa thường được gieo trồng trên đất thịt, hệ số ngấm ổn định ít biến đổi, thường lấy K = 2 mm/ngày

4.1.2 Phương pháp tính toán

Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở cân bằng nước mặt ruộng và tình hình công trình ở đây được tính khi hệ thống tiêu hoàn chỉnh, các ô ruộng đều có công trình tiêu tự chảy ra kênh tiêu Do vậy phương pháp tính toán phụ thuộc vào loại công trình tiêu và trạng thái chảy qua công trình Công trình trên mặt ruộng có thể là đập tràn hoặc ống tiêu

1 Công trình tiêu nước mặt ruộng là đập tràn

a) Trường hợp chảy tự do

Trường hợp này dựa vào hệ hai phương trình:

- Phương trình cân bằng nước mặt ruộng

- Phương trình năng lượng (dòng chảy qua công trình)

• Hệ phương trình cơ bản để tính toán hệ số tiêu:

i 0i i

3 2

(b) q 0,273mb 2g.H

⎫

⎪

⎬

⎪

trong đó:

Wi = Pi ư h0i + 2Hi - 1;

Pi - lượng mưa tính toán trong ngày (mm);

0,273 - hệ số đổi đơn vị từ m3/s sang mm/ngày;

b0i - chiều rộng đập tràn để tiêu cho một đơn vị diện tích là 1 ha (m/ha);

i

H - độ cao cột nước bình quân trong ngày trên đỉnh đập tràn (mm):

i

i 1 i

H

2

ư +

=

Hi - 1 - cột nước trên đỉnh đập tràn đầu ngày tính toán;

Hi - cột nước cuối ngày (mm);

h0i = ei + Ki - tổn thất do bốc hơi và ngấm (mm/ngày)

ei - lượng bốc hơi mặt ruộng trong ngày (mm/ngày);

Ki - lượng nước thấm trên ruộng trong ngày (mm/ngày)

Thấm ổn định thường lấy K = 2mm/ngày

• Phương pháp giải hệ phương trình (4.1):

+ Phương pháp giải tích

- Đồng hóa hai phương trình ta có:

3

W ư 2H = 0, 273mb 2g.H

W ư 2H ư 0, 273mb 2g.H = 0 Thay Wi = Pi - h0i + 2Hi - 1 vào phương trình trên ta có:

i

3 2 i

Trong mỗi thời đoạn tính toán (1 ngày) với b0i là thông số giả định cho trước còn lại ẩn

số là H Đây là phương trình phải giải bằng đúng dần, giả thiết i Hi và tính thử để tổng giá

trị bằng 0 sẽ là nghiệm của phương trình

- Có giá trị Hi thay vào phương trình (4.1b) ta sẽ tính được q0i

- Tính Hi = 2Hi - Hi - 1

- Đưa tất cả giá trị vào bảng thống kê kết quả tính toán

Bảng 4.4 - Thống kê kết quả tính toán hệ số tiêu

Ngày Pi

(mm)

h0i (mm)

P0i (mm)

Wi (mm)

i H (mm)

q0i (mm/ngày)

Hi - 1 (mm)

Hi (mm)

i a (mm)

qi (l/s-ha)

Quá trình tính toán sẽ thực hiện từ ngày đầu của trận mưa thiết kế cho đến khi kết thúc mưa và mực nước trên ruộng trở lại mực nước ban đầu thì sẽ kết thúc quá trình tính, sau đó

sẽ kiểm tra điều kiện ràng buộc về thời gian tiêu cho phép và khả năng chịu ngập Nếu thỏa mãn quá trình tính toán sẽ kết thúc, nếu không phải giả định lại b0i và tính toán lặp lại tương tự như trên

P - độ cao đập tràn, xác định theo yêu cầu

chịu ngập thường xuyên của lúa;

Hình 4.1: Chảy tự do

i

i P H

a = +

64 , 8

q

q 0 i

i = (l/s-ha)

Hệ số lưu lượng m

m = 0,42 đối với đập tràn thành mỏng;

m = 0,45 đối với đập tràn thực dụng;

m = 0,35 đối với đập tràn đỉnh rộng

+ Phương pháp đồ thị

Hệ phương trình (4.1) có thể giải bằng đồ thị như sau:

- Xây dựng đường quan hệ (q0i ~Hi) theo phương trình (4.1b) là quan hệ đường cong

- Xây dựng đường quan hệ (q0i ~Hi) theo phương trình (4.1a) là quan hệ đường thẳng

- Giao điểm của hai đường này chính là cặp nghiệm của hệ 2 phương trình

Cứ tiếp tục tính toán như vậy cho quá trình mưa và sẽ kết thúc như trường hợp tính theo giải tích cho tới khi trạng thái nước ruộng trở lại ban đầu

Hình 4.2: Đồ thị xác định H và q 0i

Hiện nay vì máy vi tính phát triển nên thường dùng phương pháp giải tích

b) Trường hợp chảy ngập

Khi mực nước hạ lưu đập tràn cao hơn so với

đỉnh tràn, lưu lượng chảy qua đập tràn sẽ bị ảnh

hưởng của mực nước hạ lưu

Hình 4.3: Trạng thái chảy ngập

Hệ phương trình lúc này sẽ là:

⎪⎭

⎪

⎬

⎫ σ

=

ư

=

2 3 i i

0 n i

0

i i i

0

H g b m 273 , 0

q

H 2 W

q

(4.3)

Phương trình thứ 2 thêm hệ số ngập σn :

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

σ

H

h

f n

n

Hệ số ngập xác định theo tài liệu thí nghiệm, có thể tra theo bảng 4.5, tùy vào mực nước trên ruộng và mực nước kênh tiêu

Bảng 4.5 - Quan hệ giữa tỷ số

H

hn

và hệ số σ n

H

h

H

h

H

h

H

h

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,28

0,996 0,992 0,988 0,984 0,980 0,976 0,972 0,968 0,963 0,958 0,952

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50

0,939 0,932 0,925 0,917 0,909 0,901 0,892 0,884 0,875 0,865 0,855

0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72

0,845 0,834 0,823 0,812 0,800 0,787 0,774 0,760 0,746 0,730 0,714

0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90

0,698 0,682 0,662 0,642 0,621 0,599 0,576 0,550 0,520

Phương pháp giải tích để giải hệ phương trình (4.3) cũng giống trường hợp trên chỉ khác là phải xét đến hệ số ngập σn

Thí dụ áp dụng : Tính hệ số tiêu cho lúa với mô hình mưa 5 ngày, tiêu hết trong 7 ngày Kết quả tính toán xem bảng 4.6, với chiều cao đập tràn P = 100mm

Bảng 4.6 - Kết quả tính toán hệ số tiêu cho lúa vùng Hải Dương

Ngày Pi

(mm)

h0i (mm)

P0i (mm)

Wi (mm)

q0i (mm/ngày)

i

H (mm)

Hi (mm)

i a (mm)

qi (l/s-ha) 19/07

20/07

21/07

22/07

23/07

24/07

25/07

55,25

1,20

73,87

129,85

38,79

0

0

8,54 8,54 8,54 8,54 8,54 8,54 8,54

46,71 -7,34 65,33 121,31 30,25 -8,54 -8,54

46,71 28,66 77,33 225,31 222,25 93,46 27,46

10

5

19 76,5

75

24 4,5

9

12

29

74 73,5 34,5

11

18

6

52

96

1

18

3

109

112

129

174 173,5

135

111

1,15 0,57 2,19 8,85 8,68 2,77 0,52

2 Công trình tiêu nước mặt ruộng là ống tiêu

ống tiêu là công trình tiêu nước đơn giản, dễ bảo vệ vì đặt dưới bờ ruộng, bảo đảm lưu

lượng tương đối ổn định khi chảy qua ống

Hình 4.4: Chảy tự do qua ống

a) Trường hợp chảy tự do

Hệ phương trình tính toán:

i

i

0i i

1 2 0i

d

q 0, 273 2g H

2

⎫

⎪⎪

⎬

= μω ⎜⎝ ư ⎟ ⎪⎠ ⎭

(4.4)

trong đó:

ω - diện tích mặt cắt ngang ống tiêu, có thể ω = b.d hoặc

4

d2 π

=

μ - hệ số lưu lượng, thường μ = 0,60 ữ 0,62

Các giá trị khác ý nghĩa giống như trên và cách giải hệ phương trình (4.4) cũng tương

tự như trường hợp đập tràn

b) Trường hợp chảy ngập

Khi mực nước sau ống tiêu cao hơn đáy ống tiêu, khi đó hệ phương trình sẽ là:

i 0i i 0i

q 0, 273 2gZ

⎫

⎬

Z - chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (mm)

Cách giải hệ phương trình này cũng giống các trường hợp trên

4.2 Tính toán tiêu cho cây trồng cạn

Đặc điểm của cây trồng cạn là khả năng chịu ngập kém, nên cần tiêu khẩn trương, mưa

đến đâu là tiêu đến đấy, thường tính theo mưa ngày Do đó hệ số tiêu thường lớn so với lúa

4.2.1 Các tài liệu cần thiết

- Mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất 10%

- Thời gian tập trung dòng chảy của lưu vực (τ)

- Hệ số dòng chảy của lưu vực Khi thiếu tài liệu thí nghiệm có thể tra bảng, hệ số này

phụ thuộc vào loại đất, độ dốc mặt đất

- Thời gian kéo dài của trận mưa (t)

4.2.2 Cách xác định thời gian tập trung dòng chảy (τ)

Thời gian tập trung dòng chảy là cơ sở để xác định công thức tính toán hệ số tiêu lớn

nhất Do vậy trước tiên phải xác định giá trị này

Giá trị này thường được tính theo công thức kinh nghiệm:

1 Công thức Pasini

I

SL 3 α

=

trong đó:

τ - thời gian tập trung dòng chảy, tính theo giờ (h);

S - diện tích lưu vực tiêu (km2);

L - chiều dài sườn dốc chính (km);

I - độ dốc lưu vực;

α - hệ số kinh nghiệm, thường lấy bằng 0,102 ữ 0,108

2 Công thức Angaro

3 SL 18 , 0

=

Công thức này áp dụng cho vùng bằng phẳng, lưu vực nhỏ Giá trị S, L có ý nghĩa và

thứ nguyên như công thức (4.6), chỉ khác là τ tính bằng ngày

3 Công thức Kirpich

77 , 0

I

L 0663 ,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

L - cũng có thứ nguyên giống công thức trên

Công thức này được Công ty Zaika của Nhật Bản áp dụng tính tiêu cho khu vực nam

Hà Nội

4 Công thức Giadotti

H 8 , 0

L 5 , 1 S 4 Δ

+

=

ΔH là chênh lệch mực nước giữa cao độ trung bình của lưu vực và điểm ra (m) Giá trị

ΔH xác định khó chính xác

4.2.3 Tính toán hệ số tiêu lớn nhất cho cây trồng cạn

Hệ số tiêu lớn nhất được xác định trên cơ sở hình thành dòng chảy trên lưu vực

Chia làm ba trường hợp nghiên cứu:

1 Khi thời gian mưa (t) lớn hơn thời gian tập trung dòng chảy (T c ), t > T c

Hình 4.5: Đường quá trình Q ~ t khi t > T c

- Tại thời gian t = 0 bắt đầu mưa Q = 0

- Tại thời gian t = ti: Diện tích tập trung nước mưa về cửa tiêu chỉ chiếm một phần diện

tích gạch chéo của lưu vực, lưu lượng dòng chảy chỉ là Qi với Qi < Qmax

ti

Si

Hình 4.6: Đường đẳng thời với t = t i tại thời điểm t = t i

- Đến thời điểm t = Tc, toàn bộ diện tích nước mưa trên lưu vực đã chảy qua cửa tiêu,

lưu lượng dòng chảy tại cửa ra của khu tiêu đã đạt trị số Qmax Giá trị này được duy trì từ

t = Tc đến t = tm

Hình 4.7: Đường đẳng thời với t = t i tại thời điểm t = T c và t = t m

- Tính toán lưu lượng lớn nhất và hệ số tiêu lớn nhất:

t

PS

Qmax σ

và:

t

P

qmax σ

trong đó:

σ - hệ số dòng chảy, tra theo bảng tra của tài liệu thực nghiệm;

P - lượng mưa thiết kế trong thời gian mưa (mm);

t - thời gian mưa

Tùy theo thí nghiệm của lượng mưa và thời gian mưa mà ta sẽ có hệ số đổi đơn vị

trong hai công thức trên để thứ nguyên của Qmax và qmax sẽ đạt được thứ nguyên như trên

Đến thời gian t = tj sau khi ngừng mưa, phần chảy của nước mưa qua cửa tiêu chỉ còn

lại phần diện tích gạch ở phía thượng lưu của lưu vực tiêu (Sj) và Qj < Qmax

Sj

tj

Hình 4.8: Tại t = t j sau khi ngừng mưa

Hệ số tiêu cũng có thể xác định theo quan hệ giữa qmax với qTB (hệ số tiêu trung bình)

trong đó:

K - hệ số lũ, thường K ≤ 2:

t

T 1 t

T t

T t P t P

q

q

c TB

+ σ

σ

=

Vì tmưa < Tc nên 1 < K < 2

2 Khi thời gian mưa (t) bé hơn thời gian tập trung dòng chảy (T c ), t < T c

Hình 4.9: Đường quá trình Q ~ t khi t < T c

- Tại thời gian t = ti, diện tích dòng chảy của mưa chỉ đạt một phần diện tích tiêu của

lưu vực nên lưu lượng nước mưa chảy qua cửa tiêu lúc đó là Qi với Qi < Qmax

Hình 4.10: Tại thời điểm t = t i đến t = t m

- Đến thời điểm t = tm kết thúc mưa nhưng diện tích dòng chảy của mưa trên lưu vực

không phải toàn bộ mà chỉ là một phần diện tích (có gạch chéo) chảy qua cửa tiêu, lưu

lượng dòng chảy đạt giá trị Qmax Giá trị này được duy trì từ t = tm đến t = Tc, do bảo tồn sự

cân bằng dòng chảy

Lưu lượng lớn nhất được tính:

c

i max

T

PS

hoặc:

c max T

P

(4.15)

- Tại thời điểm t = tk với tm < tk < Tc

Diện tích dòng chảy của nước mưa trên lưu vực gồm phần diện tích nằm giữa phần dưới

và phần trên lưu vực tiêu, diện tích vẫn giữ không đổi và lưu lượng vẫn đạt giá trị Qmax

- Tại thời điểm t = Tc: Diện tích tập trung dòng chảy qua cửa tiêu gồm phần phía

thượng lưu và vẫn giữ không đổi với Q = Qmax

Si

Tc - tm

Si

tK - tm

tK

Tại thời điểm t = tK Tại thời điểm t = Tc

Hình 4.11

- Đến thời điểm t = tj, sau thời điểm Tc lúc

này diện tích tập trung dòng chảy chỉ còn phần

phía thượng lưu của lưu vực tiêu (phần gạch chéo)

chảy qua cửa tiêu

Sj

tj

Lưu lượng dòng chảy nước mưa qua cửa tiêu

Qj với Qj < Qmax

Hệ số tiêu lớn nhất cũng có thể xác định theo

quan hệ:

qmax = KqTB →

c m

c

c TB

max

T

t 1 T t P T P

q

q

+ σ

σ

=

Hình 4.12: Tại thời điểm t = t j (sau T c )

Vì tm < Tc nên 1 < K < 2

3 Khi thời gian mưa (t) bằng thời gian tập trung dòng chảy (T c ), t = T c

Hình 4.13: Đường quá trình Q ~ t khi t = T c

- Tại thời gian t = ti, diện tích tập trung dòng chảy của nước mưa chỉ một phần diện

tích, lưu lượng dòng chảy Qi < Qmax

- Tại thời điểm t = tm = Tc diện tích dòng chảy của nước mưa trên toàn lưu vực đều

chảy qua cửa tiêu, lưu lượng dòng chảy của mưa đạt giá trị lớn nhất Q = Qmax sau đó giảm

dần cho đến khi Q = 0

Lưu lượng lớn nhất và hệ số tiêu lớn nhất tính giống trường hợp 1

max t

P

= và qmax = KqTB với K = 2

S

Sj

Tại thời điểm t = ti Tại thời điểm t = tm = Tc

Tại thời điểm t = t j (sau mưa)

Si

tj

Hình 4.14

4.2.4 Cách tính hệ số tiêu lớn nhất cho cây trồng cạn theo phương pháp cường độ

mưa giới hạn

Theo tài liệu thống kê của các vùng, cường độ mưa giới hạn có thể xác định theo các

hệ thức:

t

A i , b t

A i , b t

A

+

= +

=

trong đó:

i - cường độ mưa giới hạn, thường đơn vị là mm/phút;

t - thời gian mưa tính toán;

A, b, n - hệ số thực nghiệm theo từng vùng khí hậu

Hệ số tiêu lớn nhất xác định cường độ mưa giới hạn

Xuất phát từ cường độ mưa được tính theo:

i = Atn

n

Xem q là hàm của thời gian mưa (t), vì thế giá trị qmax sẽ có khi 0

dt

dq =

Lấy đạo hàm bậc nhất của hệ thức (4.17) và cho bằng 0 ta sẽ rút ra:

n 1

nT

ư

Thay (4.18) vào (4.17) ta sẽ có:

( )n 1 cn 1

n

n 1

n A K

ư σ

Xác định qmax theo 3 trường hợp, ta sẽ xác định hệ số K trong công thức trên

1 Khi t > T c

Hệ số K khi đó sẽ là:

t

T 1

K= + c

1 n

n 1

n A

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư σ

2 Khi t < T c

t

T 1

n

n 1

n A

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư σ

3 Khi t = T c

K = 2 và

( )n 1 cn 1

n

n 1

n A 2

ư σ

Hệ số dòng chảy σ có thể tra bảng 4.7

Bảng 4.7 - Hệ số dòng chảy σ

Loại đất Loại đất sử dụng Độ dốc

mặt đất (°) Đất thịt pha cát Đất thịt vừa

và thịt pha sét Đất sét

Rừng đồi

0 ữ 5

5 ữ 10

10 ữ 30

0,10 0,25 0,30

0,30 0,35 0,50

0,40 0,50 0,60

Đồng cỏ

0 ữ 5

5 ữ 10

10 ữ 30

0,10 0,16 0,22

0,30 0,36 0,42

0,40 0,55 0,60

Đất trồng trọt

0 ữ 5

5 ữ 10

10 ữ 30

0,30 0,40 0,52

0,50 0,60 0,72

0,60 0,70 0,82