Toàn văn luận án Nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý cho vùng đồng bằng sông Cửu Long

Mục đích nghiên cứu Thiết lập được bài toán mô hình bơm tưới hợp lý, nhằm xác định được các thông số tối ưu của mô hình về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, số máy bơm tro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN TIẾN THÁI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ

VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN TIẾN THÁI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ

VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

Mã số: 62-62-30-01

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Chí Nguyện

PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh

HÀ NỘI, NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Tiến Thái

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới:

GS.TS Lê Chí Nguyện

PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh

Những người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn những ý kiến trao đổi khoa học của các nhà khoa học tham dự buổi hội thảo mở rộng về luận án tiến sĩ của tác giả

Tác giả xin trân trọng cảm ơn những nhận xét bổ ích của các thành viên trong Hội đồng bảo vệ cấp cơ sở luận án tiến sĩ của tác giả

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo đại học và Sau đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng và Phát triển nông thôn, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii 

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x 

MỞ ĐẦU 1 

1 Tính cấp thiết của đề tài 1 

2 Mục đích nghiên cứu 2 

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 

4 Nội dung nghiên cứu 2 

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3 

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 

7 Những đóng góp mới của luận án 4 

8 Bố cục của luận án 4 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 

1.1 Tổng quan về bài toán quy hoạch, thiết kế tối ưu 6 

1.1.1 Ngoài nước 6 

1.1.2 Trong nước 10 

1.2 Tổng quan về tình hình sử dụng máy bơm và xây dựng trạm bơm ở ĐBSCL 12 

1.2.1 Về xây dựng trạm bơm 12 

1.2.2 Về loại máy bơm 14 

1.2.3 Hình thức kết cấu nhà trạm 16 

1.2.4 Quản lý vận hành 18 

1.3 Tổng quan về điều kiện tự nhiên vùng ĐBSCL 19 

1.3.1 Quá trình hình thành ĐBSCL 19 

1.3.2 Địa hình 22 

1.3.3 Mạng lưới sông rạch 23 

1.3.3.1 Hệ thống sông rạch thiên nhiên 23 

1.3.3.2 Hệ thống kênh đào 23 

1.3.4 Địa chất 25 

1.3.5 Đất đai - Thổ nhưỡng 26 

iv

1.3.6 Đặc điểm mưa 27 

1.3.7 Đặc điểm thủy triều 27 

1.4 Một số kết luận rút ra từ phần tổng quan 28 

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ 31 

2.1 Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý 31 

2.1.2 Nguyên lý tiếp cận hệ thống 32 

2.1.3 Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống 33 

2.1.4 Hệ thống chỉ tiêu đánh giá 34 

2.2 Mô hình mô phỏng 35 

2.2.1 Khái niệm về mô phỏng 35 

2.2.2 Những đặc trưng cần phản ánh khi xây dựng mô hình mô phỏng mô hình bơm tưới 36 

2.2.3 Thiết lập mô hình mô phỏng mô hình bơm tưới 36 

2.3 Bài toán tối ưu về mô hình bơm tưới 37 

2.3.1 Bài toán tìm cực tiểu và cực đại 37 

2.3.2 Một số khái niệm 37 

2.3.2.1 Biến (hay biến chính) 38 

2.3.2.2 Ràng buộc (hay điều kiện ràng buộc) 38 

2.3.2.4 Hàm mục tiêu 38 

2.3.3 Đặt bài toán 40 

2.3.4 Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu 40 

2.3.4.1 Phương pháp quét khi có một biến điều khiển 41 

2.3.4.2 Phương pháp quét khi có nhiều biến điều khiển 43 

2.4 Thiết lập các bước nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý 45 

2.5 Lựa chọn hàm mục tiêu 46 

2.5.1 Các chỉ tiêu tối ưu để xây dựng hàm mục tiêu 46 

2.5.1.1 Chỉ tiêu tối ưu về chi phí tĩnh 47 

2.5.1.2 Chỉ tiêu tối ưu về chi phí động 49 

v

2.5.1.3 Chỉ tiêu tối ưu về lợi nhuận 50 

2.5.1.4 Chỉ tiêu tối ưu về giá trị thuần hiện tại 50 

2.5.2 Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu làm hàm mục tiêu 50 

2.5.3 Điều kiện ràng buộc của hàm mục tiêu 50 

2.5.4 Các biến số của hàm mục tiêu 51 

2.5.4.1 Nhóm biến số không điều khiển được 51 

2.5.4.2 Nhóm biến số điều khiển được 52 

2.6 Cách xác định các thành phần trong hàm mục tiêu 53 

2.6.1 Tổng chi phí xây dựngđơn vị 53 

2.6.1.1 Chi phí xây dựng công trình đầu mối trạm bơm 53 

2.6.1.2 Chi phí xây dựng hệ thống kênh mương 54 

2.6.2 Chi phí quản lý hàng năm bình quân đơn vị 55 

2.6.2.1 Chi phí năng lượng 56 

2.6.2.2 Chi phí lương 61 

2.6.2.3 Chi phí sửa chữa thường xuyên 61 

2.6.2.4 Chi phí quản lý doanh nghiệp 62 

2.7 Thuật toán và các bước giải bài toán tối ưu mô hình bơm tưới 62 

2.7.1 Trình tự thực hiện tính toán ở sơ đồ khối trường hợp 1 (hình 2.8) 62 

2.7.21 Trình tự thực hiện tính toán ở sơ đồ khối trường hợp 2 (hình 2.9) 63 

2.8 Lập chương trình tính toán 66 

2.9 Kết luận chương 2 66 

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH BƠM TƯỚI HỢP LÝ VÙNG ĐBSCL 69 

3.1 Mô phỏng các thông số của mô hình bơm tưới 69 

3.1.1 Cột nước bơm tưới 69 

3.1.1.1 Cột nước địa hình 69 

3.1.1.2 Cột nước bơm tưới 75 

3.1.2 Loại máy bơm và loại hình nhà trạm bơm 76 

3.1.3 Lưu lượng trạm bơm 77 

3.1.4 Diện tích trạm bơm phụ trách 79 

vi

3.1.5 Hình dạng khu tưới 80 

3.2 Mô phỏng quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm với số tổ máy bơm 80 

3.2.1 Thiết kế trạm bơm 82 

3.2.2 Lập chi phí xây dựng theo số tổ máy bơm 82 

3.3 Mô phỏng quan hệ giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm 86 

3.3.1 Bố trí hệ thống kênh mương 86 

3.3.2 Thiết kế hệ thống kênh mương 87 

3.3.3 Lập chi phí xây dựng 87 

3.3.4 Tìm mối quan hệ giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm 88 

3.3.4.1.Phân tích tương quan giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm 88 

3.3.4.2 Xây dựng hàm quan hệ giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm 88 

3.4 Các số liệu đầu vào của mô hình 91 

3.4.1 Số liệu để tính chi phí năng lượng 91 

3.4.2 Số liệu để tính chi phí lương 93 

3.4.3 Số liệu để tính chi phí sửa chữa thường xuyên 93 

3.4.4 Số liệu để tính chi phí quản lý doanh nghiệp 94 

3.4.5 Các số liệu khác 94 

3.5 Kết quả mô hình bơm tưới hợp lý cho ĐBSCL (trường hợp 1) 94 

3.5.1 Khu ngọt ven sông Tiền sông Hậu 94 

3.5.1.1 Khu ngọt cao không ngập úng 94 

3.5.1.2 Khu ngọt địa hình trung bình ngập nông 95 

3.5.1.3 Khu ngọt địa hình cao ngập sâu 95 

3.5.2 Khu chua nội địa Đồng Tháp Mười 96 

3.5.3 Khu chua Tứ Giác Long Xuyên 96 

3.5.4 Khu mặn bán đảo Cà Mau 96 

3.5.4.1 Khu mặn có khả năng tiếp nước ngọt từ sông Hậu 96 

3.5.4.2 Khu mặn không có khả năng tiếp nước ngọt từ sông Hậu 97 

vii

3.6 Áp dụng chương trình tính toán cho một vùng tưới có quy mô xác định (trường

hợp 2) 97 

3.6.1 Mô tả khái quát vùng tính toán 97 

3.6.2 Các thông số đầu vào của vùng tính toán 97 

3.6.3 Kết quả tính toán 98 

3.7 Kết luận chương 3 101 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 105 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Đầu bơm được sử dụng ở các trạm bơm điện Tiền Giang 14 

Hình 1 2 Đầu bơm tự chế - Máy bơm nước ( Mộc hóa – Long An) 15 

Hình 1 3 Tổ máy bơm - Trạm bơm Văn Giáo 15 

Hình 1 4 Trạm bơm tự xây của người dân huyện Ô Môn – Thành phố Cần Thơ 16 

Hình 1 5 Trạm bơm xã Tiết - An Giang 17 

Hình 1 6 Trạm bơm tăng áp 3-2 -An Giang 17 

Hình 1 7 Các cửa sông của sông Tiền và sông Hậu 20 

Hình 1 8 Hình ảnh vùng biển cổ ĐBSCL cách đây 5000 đến 6000 năm 21 

Hình 1 9 Bản đồ vùng ĐBSCL ngày nay 21 

Hình 1 10 Ban đồ địa hình ĐBSCL 22 

Hình 1 11 Hệ thống sông ở ĐBSCL 24 

Hình 1 12 Hệ thống sông, kênh rạch ĐBSCL 24 

Hình 1 13 Diện phân bố trầm tích amQII2-3 ở ĐBSCL 25 

Hình 1 14 Bản đồ đất vùng ĐBSCL 26 

Hình 1 15 Bản đồ đẳng trị mưa năm ĐBSCL 27 

Hình 1 16 Đường quá trình mực nước triều tiêu biểu ĐSCL 28 

Hình 2 1 Sơ đồ khối của phương pháp quét 42

Hình 2 2 Quét với bước quét trở lại thay đổi 43 

Hình 2 3 Quét trong không gian hai chiều với bước không đổi 44 

Hình 2 4 Quét không gian hai chiều với bước thay đổi 45 

Hình 2 5 Sơ đồ các bước nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý 47 

Hình 2 6 Sơ đồ khối tính bình quân gia quyền năng lượng tiêu thụ cho trường hợp 1 59 

Hình 2 7 Sơ đồ khối tính bình quân gia quyền năng lượng tiêu thụ cho trường hợp 2 60 

Hình 2 8 Sơ đồ của thuật toán quét hàm mục tiêu C*p = C*p(f,n,h,p) 64 

Hình 2 9 Sơ đồ khối của thuật toán quét hàm mục tiêu C*p = C*p(p) 65 

Hình 2 10 Giao diện khởi động chương trình 67 

ix

Hình 2 11 Giao diện nhập số liệu 67 

Hình 2 12 Giao diện thay đổi hệ số trong công thức tính chi phí kênh mương 68 

Hình 2 13 Giao diện kết quả tính toán 68 

Hình 3 1 Sơ đồ khối xây dựng bản đồ cột nước địa hình bơm tưới 70

Hình 3 2 Sơ đồ thủy lực mùa kiệt ĐBSCL 71 

Hình 3 3 Bản đồ cột nước địa hình bơm tưới khu ngọt ven sông Tiền, sông Hậu 72 

Hình 3 4 Bản đồ cột nước địa hình bơm tưới khu chua nội địa ĐTM 73 

Hình 3 5 Bản đồ cột nước địa hình bơm tưới khu chua TGLX 74 

Hình 3 6 Bản đồ cột nước địa hình bơm tưới khu mặn bán đảo Cà Mau 74 

Hình 3 7 Bản đồ cột nước địa hình bơm tưới vùng ĐBSCL 75 

Hình 3 8 Hình dạng khu tưới 80 

Hình 3 9 Quan hệ giữa chi phí xây dựng kênh mương với lưu lượng trạm bơm 90 

Hình 3 10 Bản đồ vị trí trạm bơm điện Ông Cha 99 

Hình 3 11 Hình dạng khu tưới trạm bơm điện Ông Cha 100 

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Cột nước bơm của các khu thuộc ĐBSCL 76 

Bảng 3 2 Hệ số tưới của các khu thuộc ĐBSCL 79 

Bảng 3 3 Các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu 81 

Bảng 3 4 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm 200HH200 83 

Bảng 3 5 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm HL400-5 83 

Bảng 3 6 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm 300HH260 84 

Bảng 3 7 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm HL1200-3 84 

Bảng 3 8 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm HTĐ800-3 84 

Bảng 3 9 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm 10HTĐ80 85 

Bảng 3 10 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm12HTĐ115 85 

Bảng 3 11 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm HTĐ1200-3 85 

Bảng 3 12 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án máy bơm HTĐ1500-5 86 

Bảng 3 13 Chi phí xây dựng kênh mương ứng với khu tưới dạng hình vuông 88 

Bảng 3 14 Chi phí xây dựng kênh mương ứng với khu tưới dạng hình chữ nhật có cạnh dài song song với tuyến công trình trạm bơm 89 

Bảng 3 15 Chi phí xây dựng kênh mương ứng với khu tưới dạng hình chữ nhật có cạnh dài vuông góc với tuyến công trình trạm bơm 89 

Bảng 3 16 Các trạm khí tượng thủy văn đại diện 91 

Bảng 3 17 Cao trình mặt ruộng đại diện khu tưới 92 

Bảng 3 18 Bảng lượng bốc thoát hơi chuẩn và hệ số cây trồng cho lúa 93 

Bảng 3 19 Công thức tưới tăng sản cho lúa 94 

Bảng 3 20 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu khu ngọt cao không ngập úng 95 

Bảng 3 21 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu khu ngọt địa hình trung bình ngập nông 95 

Bảng 3 22 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu khu ngọt địa hình cao ngập sâu 95 

Bảng 3 23 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu khu chua nội địa ĐTM 96 

Bảng 3 24 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu khu chua TGLX 96 

Bảng 3 25 Kết quả mô hình bơm tưới tối 96 

Bảng 3 26 Kết quả mô hình bơm tưới tối ưu 97 

Bảng 3 27 Kết quả mô hình bơm tối ưu cho trạm bơm Ông Cha 98 

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có diện tích tự nhiên khoảng 3,9 triệu ha [1], đất đai ở đây có tiềm năng to lớn về độ phì nhiêu tự nhiên, lại có những thuận lợi cơ bản

về khí hậu như sự giầu có về nhiệt lượng, độ ẩm và ánh sáng là những nguồn năng lượng tiềm tàng của thiên nhiên mà chúng ta có thể khai thác Vùng đất này rất xứng đáng được ưu tiên đầu tư để phát triển sản xuất nông nghiệp

Ngày nay ĐBSCL, chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội

ở Việt Nam Sản lượng nông nghiệp chiếm 50% cả nước, riêng lương thực xuất khẩu 90% [2] Các thành quả phát triển kinh tế xã hội ở ĐBSCL trong những thập niên vừa qua đều có vai trò to lớn của hệ thống thủy lợi trong đó có hệ thống trạm bơm tưới

Hệ thống trạm bơm tưới có vai trò quan trọng trong việc cải tạo môi trường nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực cải tạo đất Thực tiễn cho thấy hiệu quả các các trạm bơm tưới ở ĐBSCL những năm qua là rất to lớn, đóng vai trò quyết định trong việc khai thác tài nguyên nước để phát triển nông nghiệp, làm ngọt hóa hàng trăm ngàn ha, đã biến những vùng đất phèn mặn thiếu nguồn nước ngọt hoang hóa thành những cánh đồng hai vụ, bộ mặt nông thôn đang được đổi thay từng ngày

Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống trạm bơm ở ĐBSCL còn nhỏ lẻ, manh mún, chưa có quy hoạch cụ thể Hơn nữa, với một vùng đồng bằng rộng lớn như ĐBSCL có các vùng sinh thái khác nhau (ngọt, ngọt hóa, mặn lợ, mặn), với cơ cấu mùa vụ khác nhau, tập quán canh tác của người dân ĐBSCL cùng với điều kiện địa hình và nguồn nước khác nhau thì việc xác định mô hình bơm tưới hợp lý là một vấn đề cần được xác định trên cơ sở khoa học, đảm bảo các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật và phù hợp với tình hình thực tế của ĐBSCL

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý vùng ĐBSCL” là đề

tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2

Định nghĩa về mô hình bơm tưới hợp lý: là tổ hợp các thông số tối ưu về quy mô

diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, cột nước bơm, loại máy bơm, số máy bơm trong một trạm, hiệu suất bơm, công suất bơm và loại hình nhà máy bơm

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết lập được bài toán mô hình bơm tưới hợp lý, nhằm xác định được các thông số tối

ưu của mô hình về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm, cột nước bơm, hiệu suất bơm và loại hình nhà máy bơm Nhằm ứng dụng trong công tác quy hoạch và thiết kế hệ thống trạm bơm đảm bảo cung cấp nước tưới cho phát triển nông nghiệp, nông thôn hiện vẫn được coi là vấn đề then chốt, quyết định sự thành công của quá trình phát triển kinh tế - xã hội nói chung

và công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa nói riêng của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam Đặc biệt với vùng ĐBSCL, lấy sản xuất nông nghiệp làm nền tảng cho sự phát triển bền vững về kinh tế, xã hội văn hóa và môi trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình bơm tưới hợp lý bao gồm các thông số về quy mô diện tích, lưu lượng trạm bơm phụ trách, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm, cột nước bơm, hiệu suất bơm và loại hình nhà máy bơm

- Phạm vị nghiên cứu: Vùng ĐBSCL, không xét đến biến đổi khí hậu mực nước biển dâng Sử dụng các loại máy bơm trong nước đang được dùng phổ biến ở ĐBSCL

4 Nội dung nghiên cứu

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

- Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên, tình hình sử dụng máy bơm và xây dựng trạm bơm tưới tiêu vùng ĐBSCL Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về các bài toán tối ưu trong quy hoạch, thiết kế, quản lý, vận hành hệ thống tưới, cấp thoát nước

- Đưa ra những luận cứ lý thuyết trong phân tích hệ thống và toán tối ưu liên quan đến nghiên cứu mô hình bơm tưới hợp lý Từ đó làm cơ sở để thiết lập và lựa chọn phương

3

pháp xây dưng mô hình bơm tưới phù hợp

- Lựa chọn hàm mục tiêu của bài toán tối ưu dựa trên chỉ tiêu đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án Mục tiêu và điều kiện ràng buộc, một mặt phản ánh đúng thực tế hoạt động của các hệ thống trạm bơm, mặt khác đáp ứng yêu cầu trong công tác nghiên cứu và xây dựng hệ thống trạm bơm

- Đề xuất phương pháp và kỹ thuật xử lý miền xác định, điều kiện ràng buộc của hàm mục tiêu và tài liệu đầu vào của mô hình Phương pháp và kỹ thuật xử lý phải phản ánh đúng bản chất vật lý và mối liên hệ giữa các yếu tố khí hậu, thủy lực, thủy văn,

…của hệ thống

- Áp dụng mô hình và phương pháp giải cho các vùng của ĐBSCL và một thí dụ trạm bơm cụ thể nhằm chứng minh khẳ năng áp dụng của mô hình cũng như phương pháp giải vào lĩnh vực quy hoạch, thiết kế trạm bơm điện

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a) Cách tiếp cận

+ Cách tiếp cận hệ thống:

- Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

- Tổng thể điều kiện tự nhiên ĐBSCL

- Tổng thể hiện trạng sử dụng máy bơm và xây dựng các hệ thống trạm bơm tưới ĐBSCL

- Các vấn đề phát triển khi nghiên cứu đề tài: kinh tế, xã hội, môi trường, sinh thái + Kế thừa các công trình nghiên cứu đã có

+ Phối hợp các nghiên cứu đang tiến hành

+ Sử dụng thành tựu khoa học công nghệ hiện đại vào nghiên cứu

b) Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu

4

- Phương pháp mô hình hóa

- Phương pháp phân tích hệ thống và tối ưu hóa

- Cung cấp cở sở khoa học để quy hoạch, thiết kế các trạm bơm điện vùng ĐBSCL

- Cung cấp phần mềm tính toán để giải quyết bài toán tìm các thông số tối ưu trong công tác tư vấn thiết kế và quy hoạch các trạm bơm tưới

7 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng được phương pháp luận, thiết lập và giải bài toán xác định mô hình bơm tưới hợp lý trên cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống và thuật toán tối ưu

- Đề xuất được mô hình bơm hợp lý dựa trên chỉ tiêu chi phí động đơn vị nhỏ nhất cho các vùng đặc trưng của ĐBSCL

- Xây dựng được phần mềm tính toán “Chương trình xác định mô hình bơm hợp lý” phục vụ cho công tác quy hoạch, thiết kế hệ thống trạm bơm tưới

8 Bố cục của luận án

Lời cảm ơn

Mở đầu

Chương I Tổng quan

Chương II Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định mô hình bơm tưới hợp lý

Chương III Áp dụng phương pháp để xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý vùng ĐBSCL

5

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố Danh mục các tài liệu tham khảo

6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về bài toán quy hoạch, thiết kế tối ưu

1.1.1 Ngoài nước

Nói đến toán tối ưu, chúng ta phải kể đến Newton, Largrange và Cauchy là những người đã đặt nền móng cho lĩnh vực này Newton và Leibnitz khám phá ra phép tính vi tích phân, trong khi Bernoulli, Euler, Largrange và Weirstrass đã xây dựng nền tảng cho phương pháp tính toán sai số, độ biến động và giải quyết vấn đề cực tiểu của hàm

số Largrange đi đầu trong việc giải quyết phương pháp tính của bài toán tối ưu có ràng buộc với những số nhân phát sinh Cauchy là người đầu tiên công bố nghiên cứu ứng dụng phương pháp độ giảm dốc nhất để giải quyết các bài toán cực tiểu không ràng buộc Mặc dù những đóng góp trên đây có từ rất sớm, nhưng cho đến giữa thế kỷ

20 với sự trợ giúp đắc lực của máy tính số, thì toán tối ưu mới thực sự phát triển với nhiều kỹ thuật và phương pháp giải mới được áp dụng rộng rãi trong thực tế [3]

Vào những năm 1960, phương pháp số giải bài toán tối ưu không ràng buộc mới được phát triển ở Anh Còn phương pháp Đơn hình được Dantzig xây dựng trong năm 1947

để giải bài toán quy hoạch tuyến tính Năm 1975, Bellman công bố nguyên tắc tối ưu nhằm giải quyết các bài toán quy hoạch động Đây chính là kim chỉ nam cho việc xây dựng thuật toán giải các bài toán tối ưu có ràng buộc Năm 1951 Kuhn và Tucker đã đưa ra những điều kiện cần và đủ để có nghiệm tối ưu của bài toán tối ưu trong bài toán quy hoạch cũng như làm cơ sở để giải quyết các bài toán Quy hoạch phi tuyến sau này Đóng góp của Zoutendijk và Rosen trong những năm 1960 cho bài toán Quy hoạch phi tuyến là rất có ý nghĩa, mặc dù chưa có được một phương pháp độc lập để giải mọi bài toán quy hoạch phi tuyến, nhưng những nghiên cứu của Carroll, Fiacco và McCormick đã cho phép giải quyết nhiều vấn đề khó khăn của loại bài toán này thông qua những kỹ thuật giải đã biết của toán tối ưu không ràng buộc Cũng trong thời gian này Duffin, Zener và Peterson xây dựng thuật toán Quy hoạch ràng buộc hình học Còn Gomory đi tiên phong trong toán Quy hoạch nguyên, một trong những lĩnh vực được quan tâm và phát triển nhanh nhất trong toán tối ưu do nhu cầu thực tiễn đối với lĩnh vực này Dantzig, Charnes và Cooper đã xây dựng kỹ thuật Quy hoạch xác suất và

7

giải bài toán với giả thiết về các thông số phụ thuộc và phân bố tần suất [3,4]

Trong những năm gần đây đã phát triển thêm một số dạng mới về thuật toán quy hoạch như: Thuật toán di truyền, thuật toán tôi ủ mô phỏng và phương pháp hệ thần kinh cơ

sở Thuật toán di truyền là phương pháp tìm kiếm dựa trên nguyên lý cơ học của quá trình chọn lọc tự nhiên và di truyền trong sinh học Thuật toán tôi ủ mô phỏng lại dựa theo quá trình tôi ủ của các chất rắn Còn phương pháp hệ thần kinh cơ sở thì giải quyết vấn đề dựa trên năng lượng tiêu hao hiệu quả của hoạt động hệ thần kinh trung tâm [3,5]

Vài thâp niên trở lại đây, trên thế giới, có rất nhiều ứng dụng lý thuyết tối ưu rộng rãi

và hiệu quả trong khoa học kỹ thuật, kinh tế và đời sống Trong đó có lĩnh vực thiết kế quy hoạch và quản lý hệ thống tưới, cấp nước sạch, điển hình như:

Quy hoạch tuyến tính:

- Vedula S và Rogers P.P (1981) phân tích phương án quy hoạch hệ thống tưới cho một lưu vực ở Ấn Độ với hai mục tiêu mâu thuẫn là: Lợi ích kinh tế ròng (NPV) lớn nhất và diện tích trồng trọt được đảm bảo tưới lớn nhất

Tác giả đã sử dụng mô hình quy hoạch tuyến tính để xác định nghiệm tối ưu cho mỗi mục tiêu riêng biệt Sau đó áp dụng kỹ thuật phân tích sai khác thông qua đường cong sai khác để tìm ra nghiệm hài hòa nhất thỏa mãn cả hai mục tiêu trên [6] Ở đây tác giả

sử dụng chỉ tiêu động NPV làm hàm mục tiêu Tác giả đã sử lý đưa hàm mục tiêu từ dạng phi tuyến về dạng tuyến tính với mục đích để dễ xác định các biến trong hàm mục tiêu

- Tyagi N.K (1986) sử dụng mô hình quy hoạch tuyến tính để tính toán mức độ cải thiện về năng suất cây trồng và quy trình tưới nhằm khống chế vấn đề xâm nhập mặn Mục tiêu ưu tiên của mô hình là tổng chi phí nhỏ nhất Kết quả của mô hình từ mục tiêu thứ nhất được đưa vào mô hình phục vụ mục tiêu thứ hai là lợi nhuận ròng (NPV) lớn nhất Như vậy tác giả đã vận dụng phương pháp giải theo dãy mục tiêu được sắp xếp [6]

8

- Lakshminarayan V và Rajagopalan S.P (1997) xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính nhằm xác đinh cơ cấu cây trồng tối ưu và quy trình cấp nước tối ưu từ hệ thống kênh tưới kết hợp với các giếng bơm nước ngầm trong năm nhằm thu được tổng lợi nhuận lớn nhất trong năm Phân tích độ nhạy của mô hình được tiến hành đối với công suất các giếng ngầm, diện tích trồng trọt, chi phí thủy lợi, chi phí nông nghiệp đối với mỗi loại cây trồng [6]

- Walkerr W.R và cộng sự (1979) đã xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính để xác định hệ thống kinh nghiệm quản lý tốt nhất nhằm giảm mức độ xâm nhập mặn tại Grand Valley (Colorado) Bài toán quy hoạch tuyến tính tổng chi phí nhỏ nhất được áp dụng và lời giải cho phép giảm độ mặn trong đất qua đó cải thiện năng lực tưới của hệ thống [6]

- Loucks D.P và cộng sự (1981) sử dụng mô hình quy hoạch tuyến tính trong quá trình

ra quyết định lựa chọn cơ cấu cây trồng và quản lý các phương án sử dụng nguồn nước tưới trong khu vực Mô hình đã phân tích và đề ra thứ tự ưu tiên khi sử dụng nguồn nước tưới là nước mặt hay nước ngầm, nước ngầm tầng nông hay tầng sâu Hàm mục tiêu của mô hình là lợi nhuận ròng (NPV) lớn nhất [6]

- Raman H và Vasudevan S (1991) thiết lập mô hình quy hoạch tuyến tính nhằm tối

đa lợi nhuận ròng (NPV) từ cây trồng trong nông nghiệp khi cơ cấu cây trồng, diện tích trồng trọt và lượng nước tưới điều tiết từ một hồ chứa đã xác định Mô hình đã chạy thử khi thay đổi nhiều loại ràng buộc để tìm ra một số quy luật có liên quan khi

so sánh các kết quả tương ứng [6]

- Inmaculada Pulido-Calvo và Juan Carlos Gutiérrez-Estrada (2006) xây dựng mô hình quy hoạch tuyến tính để lựa chọn loại máy bơm, công suất bơm và số máy bơm vận hành đáp ứng yêu cầu nước cho nuôi trồng thủy sản, sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất

Mô hình này được thành lập dựa trên số liệu thực tế của trạm bơm cấp nước nuôi trồng thủy sản ở miền Nam Tây Ba Nha [7]

- Jacek Błaszczyk và cộng sự (2012) sử dụng mô hình quy hoạch tuyến tính để tối ưu hóa lập kế hoạch chạy máy bơm cho hệ thống cấp nước sạch được ứng dụng ở Toronto phía Bắc nước Mỹ Tác giả đã tối ưu hóa vận hành cấp nước liên tục, cung cấp lịch

9

trình cho 153 máy bơm đáp ứng yêu cầu về cung cấp nước hệ thống Hàm mục tiêu là chi phí điện năng nhỏ nhất [8] Tuy nhiên mô hình này còn có hạn chế do bỏ qua tổn thất thủy lực trên hệ thống đường ống khi tính chi phí điện năng

Quy hoạch phi tuyến:

- Zhenyu Yang và Hakon Borsting (2010) lập kế hoạch và điều khiển tối ưu cho hệ thống đa máy bơm, xuất phát từ quan điểm hiệu quả năng lượng Tác giả sử dụng mô hình quy hoạch phi tuyến nguyên để giải bài toán với mục tiêu chi phí năng lượng là nhỏ nhất Một giải pháp tối ưu liên quan đến có bao nhiêu máy bơm có sẵn được đưa vào hoạt động khi yêu cầu cột nước bơm của hệ thống thay đổi hoặc sự thay đổi điều kiện vận hành hệ thống Cơ chế điều khiển phản hồi được đưa vào xem xét để nâng cao hiệu suất hệ thống Lập trình phi tuyến được thực hiện ở một cơ sở thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm cho thấy rõ ràng và tiềm năng lớn để nâng cao hiệu quả hệ thống đa máy bơm [9]

Quy hoạch động:

- Dudley N.J (1998) sử dụng bài toán quy hoạch động - mô phỏng, nhằm xác định sản lượng thu hoạch tối đa từ cây bông được tưới và cây lúa không được tưới, tương ứng với các mức độ cấp nước từ hồ chứa trong hệ thống Bài toán sử dụng hai mục tiêu tương đương nhau [6]

- Windssorr J và Chow V.T (1971) đã sử dụng mô hình toán học hai cấp, trong đó mô hình quy hoạch động được sử dụng để tính toán nhu cầu nước tưới, yêu cầu về lượng lao động hiệu quả, trong khi ở cấp độ khác mô hình quy hoạch tuyến tính được áp dụng để tính lợi nhuận ròng (NPV) lớn nhất, quy trình tưới tối ưu và thiết kế tối ưu hệ thống tưới Như vậy đầu ra của mô hình quy hoạch động sau khi xử lý đã trở thành đầu vào của mô hình quy hoạch tuyến tính [6]

Thuật toán di truyền:

- Aristotelis Mantoglou và Maria Papantoniou (2008) đã sử dụng phương pháp thiết kế

tối ưu hệ thống công trình trạm bơm ở vùng nước ngầm ven biển dựa trên thuật toán

di truyền và giải pháp số phương trình vi phân, phân phối dòng chảy nước ngọt, mô

10

phỏng phương trình dòng chảy nước ngọt thu được từ giao diện sắc nét Mục tiêu là tìm ra các vị trí tốt ở mỗi thế hệ thuật toán di truyền cùng với các điều kiện ràng buộc bảo vệ tầng nước ngầm không bị xâm mặn với chi phí là nhỏ nhất [10]

1.1.2 Trong nước

Việt Nam là một trong số các nước nghèo nhưng đã ứng dụng các phương pháp tối ưu sớm nhất Những năm 60 đã có thời ngành khoa học này được phổ biến khá rộng rãi ở Miền Bắc, khiến các từ tối ưu, hệ thống đã đi vào ngôn ngữ hàng ngày của người dân lúc bấy giờ Sau đó những năm 70, vượt qua nhiều khó khăn trở ngại, các phương pháp tối ưu bắt đầu được nghiên cứu vận dụng vào kế hoạch hóa và quản lý kinh tế vĩ

mô Song, rất tiếc chưa thu được kết quả cụ thể thì đã không thể tiếp tục duy trì mà ngày càng sút kém qua cuộc khủng hoảng kinh tế xã hội của đất nước và gần như tan

rã khi chuyển sang kinh tế thị trường [11] Hơn ba thập kỷ qua khoa học phát triển, máy tính phổ biến, các phần mềm được ứng dụng, lý thuyết phân tích hệ thống và tối

ưu hóa đã trở thành công cụ cơ bản của các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật, công nghệ, thiết kế và quản lý Trong lĩnh vực Thủy lợi, điển hình là hệ thống thủy nông, những năm gần đây nhiều đề tài đã ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa để giải quyết những vấn đề xảy ra trong thực tế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, cụ thể như sau:

- Hoàng Lâm Viện (1978) dựa trên cơ sở phân tích hệ thống về tình hình nguồn nước, địa hình, quy mô sử dụng đất nông nghiệp của đồng bằng sông Hồng và ĐBSCL Tác giả đã đưa ra được phạm vi cột nước bơm , làm cơ sở cho việc xây dựng quy mô trạm bơm và loại hình máy bơm cho các vùng thuộc hai đồng bằng nói trên [12] Tuy nhiên, kết quả này đến nay không sử dụng được vì các điều kiện biên của bài toán không còn phù hợp Khắc phục nhược điểm này, Lê Chí Nguyện (2009) sử dụng phương pháp phân tích hệ thống và lý thuyết tối ưu hóa nhằm xác định quy mô và loại hình máy bơm thích hợp cho tưới vùng ĐBSCL Hàm mục tiêu là tổng chi phí quản lý vận hành hàng năm đơn vị theo tấn mét cột nước (CE →min) [13] Kết quả mới nêu lên một số định hướng và sơ bộ quy mô trạm bơm tưới ở ĐBSCL Hơn nữa, chỉ tiêu kinh tế được

sử dụng trong hàm mục tiêu là chỉ tiêu tĩnh Hiện nay, đối với các dự án Thủy lợi khi

về sự tương tác hai quá trình ấy và đưa ra các tham số đặc trưng cho sự tương tác đó

Từ đó tác giả thiết lập quan hệ hàm số giữa năng lượng bơm nước với mực nước sông thiết kế thông qua đặc tính của các máy bơm và hình thức công trình của từng trạm bơm tưới và tiêu nước [14]

- Dương Thanh Lượng (1997) đã áp dụng toán tối ưu để xác định hệ số tiêu thiết kế tối

ưu cho hệ thống tiêu trạm bơm Nhâm Tràng, Hà Nam Chỉ tiêu tối ưu được sử dụng để làm hàm mục tiêu là chỉ tiêu NPV (lợi nhuận ròng) Tác giả đã sử dụng thuật toán quét hàm mục NPV tìm giá trị NPV max Giá trị hệ số tiêu thiết kế nào ứng với giá trị NPV max thì đó là giá trị hệ số tiêu thiết kế tối ưu của trạm bơm [15] Kết quả này chỉ ứng dụng được 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, nghiên cứu bài toán phân vùng tối ưu hệ thống thủy nông Văn Giang với chỉ tiêu tối

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

án tối ưu nhất [16] Kết quả này tác giả mới chỉ tìm quy mô diện tích trạm bơm phụ trách tối ưu, chưa nghiên cứu loại máy tối ưu và số máy bơm tối ưu đặt trong trạm

- Nguyễn Tuấn Anh (2003) dựa trên lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp mô hình mô phỏng và tối ưu hóa để phân khu tưới hợp lý cho các hệ thống tưới cây trồng cạn bằng động lực trên vùng đất dốc với mục tiêu tổng chi phí là nhỏ nhất 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 và quản lý công trình [17] Tuy nhiên, kết quả này mới chỉ là

12

bước đầu, còn một số vấn đề chưa được nghiên cứu như: Ảnh hưởng của việc bố trí hệ thống công trình mặt ruộng đến nghiệm của bài toán, xây dựng các công thức thực nghiệm cũng như đưa ra những kiến nghị cụ thể về hình thức phân khu tưới và ranh giới phân khu tưới cho các vùng có điều kiện khác nhau

- Nguyễn Tiến Thái và cộng sự (2012) sử dụng lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích các yếu tố liên quan như: Địa hình, địa chất, nguồn nước và tập quán canh tác của người dân vùng ĐBSCL để đề xuất một số kiểu trạm bơm lắp ghép dùng cho ĐBSCL [18] Đây mới chỉ là một thông số tối ưu trong bài toán xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý, các thông số khác chưa được tác giả nghiên cứu như: Dạng khu tưới, quy mô diện tích trạm bơm phụ trách, lưu lượng trạm bơm, số máy bơm, loại máy bơm trong một trạm, cột nước bơm và hiệu suất bơm

1.2 Tổng quan về tình hình sử dụng máy bơm và xây dựng trạm bơm ở ĐBSCL

Nước là yếu tố cơ bản không thể thiếu trong sản xuất nông nghiệp Ngày xưa, con người đã biết chế tạo và sử dụng các công cụ thô sơ như gàu sòng, gàu dai, xe nước

để đưa nước vào đồng ruộng đảm bảo đủ nước cho cây trồng phát triển Ngày nay, với nền khoa học phát triển, máy bơm nước phổ biến, con người đã xây dựng các hệ thống trạm bơm, nhằm chủ động nước trong sản xuất nông nghiệp Chính vì lẽ đó, hệ thống trạm bơm đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế nông nghiệp Đặc biệt là vùng ĐBSCL coi phát triển nông nghiệp là nhiệm vụ quan trọng, được Đảng và Nhà nước quan tâm hàng đầu Tuy nhiên không phải bất cứ hệ thống trạm bơm nào khi xây dựng cũng phát huy được hết nhiệm vụ đặt ra Vì vậy, ta phải phân tích đánh giá hiện trạng các hệ thống trạm bơm để làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình bơm tưới hợp lý vùng ĐBSCL

1.2.1 Về xây dựng trạm bơm

Sau giải phóng miền Nam các trạm bơm có quy mô lớn được xây dựng theo kinh nghiệm đã làm ở miền Bắc Tuy nhiên, khi đi vào vận hành nhận thấy các trạm bơm này không mang lại hiệu quả theo mục tiêu đề ra và đến năm 1990 đã bị phá bỏ [19]

Có thể nêu một số nguyên nhân chính như sau:

13

+ Xây dựng hệ thống kênh dẫn nước không đồng bộ, thường chỉ xây dựng kênh chính

và kênh cấp I, còn kênh cấp dưới không có hoặc không đạt yêu cầu kỹ thuật, các cống điều tiết đầu kênh cũng vậy Hơn nữa, hệ thống kênh dẫn là kênh bằng đất nên tổn thất lưu lượng dọc đường rất cao và rất khó duy trì các chỉ số thiết kế ban đầu như độ dốc đáy kênh (i), độ nhám lòng kênh (n), dẫn đến tình trạng khi máy bơm hoạt động nước không được đưa đến các ruộng xa, trong khi các ruộng gần trạm bơm bị ngập

+ Các thiết bị cơ điện của trạm bơm được đầu tư chất lượng không cao, hiệu suất thấp, dẫn đến chi phí duy tu hàng năm lớn, trong khi đó sản phẩm nông nghiệp chưa trở thành hàng hóa và thế mạnh của địa phương nếu so với thời điểm hiện nay

+ Do hiệu quả hoạt động của các trạm bơm không cao, cũng như do thay đổi cơ cấu sản xuất và đô thị hóa nông thôn làm diện tích đất trồng lúa ngày càng thu hẹp, thay thế vào đó là khu dân cư, khu công nghiệp hoặc là cây trồng khác có nhu cầu nước khác với cây lúa Thêm vào đó việc duy tu, sửa chữa những trạm bơm đã cũ và hư hỏng nhiều không mang lại hiệu quả kinh tế nên dần dần thay thế các trạm bơm bằng các cống lấy nước, người dân tự sử dụng bơm nhỏ để tưới lúa

+ Diện tích phụ trách của nhiều trạm bơm quá lớn, chỉ phù hợp với cơ cấu sản xuất nông nghiệp tại thời điểm xây dựng nhưng không phù hợp với thời điểm hiện nay khi

mà cơ cấu sản xuất thay đổi, canh tác dạng nông hộ đang chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp, bao cấp điện năng đã bị xóa bỏ và khoa học kỹ thuật trong nông nghiệp đã phát triển vượt bậc

+ Mặt khác hình thức sản xuất, quản lý tập thể không phù hợp với đặc điểm kinh tế xã hội của ĐBSCL cũng như đáp ứng yêu cầu của từng hộ nông dân

Sản xuất nông nghiệp ở ĐBSCL không thể thiếu máy bơm và trạm bơm Xuất phát từ thực tế ấy, từ năm 2000 đến nay, các trạm bơm vừa, nhỏ và các máy bơm lưu động không ngừng được xây dựng, phát triển Về cơ bản các trạm bơm nay đáp ứng được mục tiêu đề ra Tuy nhiên các trạm bơm được xây dựng vẫn còn nhỏ, lẻ, phân tán, chủ yếu là tự phát, theo kinh tế hộ cá thể và tổ hợp tác xã Theo kết quả điều tra ở phụ lục1 [19], các trạm bơm đơn lẻ có quy mô từ 10 ha đến dưới 500 ha chiếm tỷ trọng từ 35 đến 40%

14

1.2.2 Về loại máy bơm

Theo kết quả điều tra ở phụ lục1 [19]cho thấy:

ĐBSCL chủ yếu sử dụng 2 hình thức là bơm điện (1 pha và 3 pha) và bơm dầu Trong

đó bơm dầu đang được sử dụng phổ biến Diện tích canh tác được tưới, tiêu bằng bơm dầu hiện chiếm từ 60% đến 75% Nguyên nhân do máy bơm dầu cơ động, thích hợp cho khu bơm nhỏ lẻ, ngoài nhiệm vụ bơm nước còn có nhiệm vụ chạy ghe, xay sát Đối với máy bơm điện sử dụng loại ly tâm trục ngang và trục đứng có các thông số phổ biến là P =15-55KW, Qb = 300-2500 m3/h, Hb = 1.0 - 5.0 m Các loại máy bơm này có cả trong và ngoài nước sản xuất Hiện tại ở ĐBSCL dùng phổ biến loại máy bơm ly tâm của Trung Quốc, nguyên nhân do loại máy bơm này có giá thành rẻ nhưng hiệu suất thấp Còn máy bơm tự chế của người dân có dạng trục xiên kiểu lùa, sử dụng các động cơ dầu và xăng (P = 6-12KW) có xuất xứ từ Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản

Việc lựa chọn, lắp ráp, sử dụng máy bơm chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế, chưa tiến hành tính toán, lựa chọn máy bơm theo đúng yêu cầu kỹ thuật dẫn tới tổn hao năng lượng rất lớn Mặt khác, các máy bơm sử dụng loại vừa và nhỏ đa phần là tự chế, không có thông số rõ ràng và hiệu suất thấp

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 1 Đầu bơm được sử dụng ở các trạm bơm điện Tiền Giang

15

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 3 Tổ máy bơm - Trạm bơm Văn Giáo

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 2 Đầu bơm tự chế - Máy bơm nước ( Mộc hóa – Long An)

+ Bán kiên cố - nhà tạm: Là hình thức phổ biến, do kinh phí đầu tư còn hạn chế, hệ thống kênh rạch nhiều, diện tích tưới tiêu bị phân tán

Ngoài ra còn có hình thức khá phổ biến là máy bơm đặt thời vụ, không cố định Khi không cần bơm thì có thể dùng động cơ vào mục đích khác như chạy ghe, xay xát

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 4 Trạm bơm tự xây của người dân huyện Ô Môn – Thành phố Cần Thơ

17

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 6 Trạm bơm tăng áp 3-2 -An Giang

Nguồn: Lê Chí Nguyện (2009)

Hình 1 5 Trạm bơm xã Tiết - An Giang

ở các tỉnh An Giang, Đồng Tháp, Kiên Giang Tuy nhiên đối với một trạm bơm có diện tích phục vụ lớn hơn, trải rộng qua nhiều xã, việc quản lý sẽ khá phức tạp và mô hình quản lý cần sớm được nghiên cứu, thử nghiệm để bảo đảm đáp ứng tốt nhất yêu cầu sản xuất [19,20]

Hình thức quản lý công ích do nhà nước chi trả chi phí có mô hình quản lý khai thác như Công ty trách nhiệm hữu hạn Nhà nước một thành viên, trạm thủy nông các huyện Hình thức này không phổ biến, hiện tại được áp dụng một vài hệ thống trạm bơm lớn ở các tỉnh như An Giang, Long An, Hậu Giang [19,20]

Hiện nay mô hình hợp tác công tư trong đầu tư, quản lý khai thác trạm bơm điện ở ĐBSCL đang được Nhà nước khuyến khích phát triển, điển hình như tỉnh An Giang Các mô hình theo hình thức này đó là (i) Mô hình Hợp tác xã (HTX)/Tổ hợp tác (THT), (ii) Mô hình Doanh nghiệp tư nhân và (iii) Mô hình Cá nhân/Cá thể Chúng có đặc điểm chung là phí dịch vụ thủy lợi nội đồng (dịch vụ bơm nước) xác định thông qua “Hiệp thương” với nông dân, thời gian thu hồi vốn từ 3-5 năm hoặc lâu hơn, nhưng thường không quá 10 năm [20] Mỗi mô hình đều có ưu nhược điểm riêng, có thể đánh giá sơ bộ như sau:

+ Ưu điểm: Các mô hình hợp tác công tư đều có tư cách pháp nhân, thuận tiện trong giao dịch và nhận các khoản hỗ trợ từ cơ quan cấp trên Về vốn, được vay vốn tại các ngân hàng, tổ chức tín dụng Trong đó, mô hình doanh nghiệp thường có nguồn vốn lớn và chủ động hơn trong đầu tư, quản lý Với mô hình HTX thường được ưu tiên sử dụng các nguồn vốn vay ưu đãi phục vụ phát triển nông nghiệp và cộng đồng Về hoạt động, mô hình doanh nghiệp có thuận lợi hơn về hoạt động chuyên môn và quản lý do

19

có đội ngũ cán bộ có trình độ Còn mô hình HTX có tính chất hoạt động vừa mang tính dịch vụ vừa mang tính phục vụ do đó giá dịch vụ thủy lợi nội đồng thấp hơn các mô hình khác, tỉ lệ dân đóng phí dịch vụ cao hơn Với mô hình THT, cá nhân thì thủ tục thành lập, hoạt động đơn giản hơn và tiết kiệm hơn về chi phí quản lý Về quan hệ với chính quyền và cơ quan chuyên môn, các mô hình này đều nhận được sự quan tâm giúp đỡ, hỗ trợ cho hoạt động Đối với HTX thường xuyên được dự các lớp tập huấn, chuyển giao khoa học kỹ thuật

+ Nhược điểm: Các HTX phải đăng ký kinh doanh và nộp các loại thuế, bộ máy rườm

rà vì phải có đủ các thành phần, là gánh nặng về tài chính và khó khăn bố trí nhân sự

Mô hình HTX, cá nhân thường thiếu kiến thức chuyên môn, gặp nhiều khó khăn trong công tác quản lý, vận hành Cơ chế đầu tư trạm bơm điện còn nhiều bất cập về trách nhiệm và nghĩa vụ của các bên tham gia đầu tư, quản lý Với mô hình doanh nghiệp, còn gặp khó khăn về chi phí bồi hoàn cho các chủ sở hữu công trình thủy lợi nhỏ trong

hệ thống Việc hiệp thương phí thủy lợi nội đồng khó khăn, do doanh nghiệp chủ yếu quan tâm lợi nhuận, do đó mức phí thường cao hơn mô hình HTX, cá nhân

1.3 Tổng quan về điều kiện tự nhiên vùng ĐBSCL

Châu thổ Cửu Long (Mekong delta) bắt đầu từ Kratie và Nam Vang (Phnom Penh) của Campuchia và tận cùng là biển Đông và biển Tây, có hình tam giác (tam giác châu - delta), do phù sa của Sông Cửu Long bồi đắp, với diện tích tổng cộng khoảng 55,000 km² ĐBSCL của Việt Nam (ĐBCLVN) chiếm 39,734 km² (72.2%) Sở dĩ người Việt gọi “Cửu Long”, vì khi đến biển Đông, hai nhánh chính của sông trước 1970 chảy ra biển theo 9 cửa, nhánh sông Tiền có 6 cửa ((1)cửa Tiểu, (2)cửa Đại, (3)cửa Ba Lai, (4)cửa Hàm Luông, (5)cửa Cổ Chiên và (6)cửa Cung Hầu) và nhánh sông Hậu có 3 cửa ((7)cửa Định An, (8)cửa Ba Thắc và (9)cửa Tranh Đề), nhưng cửa Ba Thắc đã bị đất bồi lấp từ khoảng thập niên 1970 nên nay chỉ cỏn 8 cửa [21] Các cửa này được thể hiện ở hình 1.7

1.3.1 Quá trình hình thành ĐBSCL

Cách đây 6000 năm ĐBSCL còn là một vùng biển nông, rừng ngập mặn bị chôn vùi bởi phù sa tạo thành lớp than bùn ở độ sâu 1-2 m như thấy hiện nay Đồng thời các giồng duyên hải được thành lập dọc bờ biển từ Bạc Liêu, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến

20

Tre, cho tới thành phố Hồ Chí Minh hiện nay Còn vùng bên trong là các vùng trũng hơn, đó là vùng Đồng Tháp Mười (ĐTM), U Minh, và vùng Tứ Giác Long Xuyên (TGLX) ngày nay [21,22]

Trong thời gian khoảng 4000 năm đến 2700 năm trước đây, phù sa bồi đấp nhiều thêm

và đồng bằng tiến thêm ra biển Đông và biển Tây [21]

Vùng đồng bằng phát triển đầy đủ phần lớn diện tích, được hình thành cách đây 2500 năm, người Melanesien (Nam Á Hải Đảo) đến định cư ở ĐBSCL Hải cảng trù phú Óc-eo của quốc gia Phù Nam (thế kỷ 1 - 7), nay là vùng đất liền thuộc xã Vọng Thê, huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang, trong vùng Tứ Giác Long Xuyên Còn vùng đất mũi

Cà Mau là vùng trẻ nhất được hình thành cách đây 1000 năm [21,22]

Nguồn: Google Earth

Hình 1 7 Các cửa sông của sông Tiền và sông Hậu

21

Nguồn: Ủy ban sông Mê Kông Việt Nam

Hình 1 9 Bản đồ vùng ĐBSCL ngày nay

Nguồn: Touch Seang Tana

Hình 1 8 Hình ảnh vùng biển cổ ĐBSCL cách đây 5000 đến 6000 năm

22

1.3.2 Địa hình

ĐBSCL có địa hình bằng phẳng, phần lớn có cao độ trung bình từ 0.7-1.2 m, ngoại trừ một số đồi núi cao ở phía Bắc đồng bằng thuộc tỉnh An Giang, dọc theo biên giới Campuchia có địa hình cao hơn cả, cao trình từ 2.0-4.0 m, sau đó thấp dần vào đến trung tâm đồng bằng ở cao trình 1.0-1.5 m, và chỉ còn 0.3-0.7 m ở khu vực giáp triều, ven biển [1]

Vùng tả sông Tiền do phù sa sông Tiền bồi đắp đã hình thành nên địa hình dạng lòng máng trũng có hướng dốc từ Tây-Bắc xuống Đông-Nam Vùng giữa hai sông Tiền-Hậu, phù sa sông cũng bồi đắp hình thành nên hai dãy bờ sông cao ven sông rồi thấp dần vào nội đồng tạo thành lòng máng trũng ở giữa Vùng hữu sông Hậu, nhìn chung

có hướng dốc Đông-Tây, từ phía sông Hậu thấp dần về phía biển Tây [1]

Như vậy, điều kiện địa hình ĐBSCL có thể sử dụng các loại nhà máy bơm có cột nước không cao, quy mô về lưu lượng cũng như diện tích phụ trách của trạm bơm nằm trong phạm vi từ nhỏ đến lớn Mặt khác với điều kiện địa hình này rất thuận lợi cho công tác

Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường (2009)

Hình 1 10 Ban đồ địa hình ĐBSCL

1.3.3.1 Hệ thống sông rạch thiên nhiên

Các hệ thống sông rạch thiên nhiên ở ĐBSCL có thể phân làm 2 loại:

* Sông có nguồn:

- Sông Tiền(1) và sông Hậu(2): là hai dòng sông chính chi phối mạnh mẽ sự phát triển của ĐBSCL Sông Tiền đóng vai trò khá quan trọng, ngay sau khi phân lưu từ dòng chính Mekong tại Phnom Penh, nhờ lòng sông rộng hơn nên chuyển tải một lượng nước lớn hơn sông Hậu (86%/14%) Sau khi sông Tiền chia bớt nước sang sông Hậu qua Vàm Nao, hai sông mới tạo lập được thế cân bằng (49%/51%) [1]

- Hệ thống sông Vàm Cỏ: là một dòng sông thuộc hệ thống sông Đồng Nai, bắt nguồn

từ Campuchia, chảy qua vùng phía Đông ĐBSCL, đến Cầu Nổi thì nhập lại để cùng chảy ra hạ lưu sông Đồng Nai (sông Nhà Bè) trước khi ra biển qua cửa Cần Giờ Nếu Vàm Cỏ Đông(3) có nguồn sinh thủy độc lập, gắn với Miền Đông Nam Bộ qua hệ thống thủy lợi Dầu Tiếng-Phước Hòa, thì Vàm Cỏ Tây(4) gần gũi với ĐBSCL hơn qua vùng Đồng Tháp Mười (ĐTM) khi nhận nước từ sông Tiền sang về mùa lũ [1]

* Sông rạch nội địa: được hình thành trong phạm vi đồng bằng, với nhiệm vụ tiêu thoát nước cục bộ, gồm có: Sông Mỹ Thạnh(5), sông Gành Hào(6), sông Bạch Ngưu(7) thoát nước ra biển Đông Sông Bảy Háp(8), sông Cửa Lớn(9), sông Đầm Cùng(10), sông Cái Tàu(11), sông Trẹm(12), sông Ông Đốc(13), sông Cái Lớn(14), sông Cái Bé(15) thoát nước ra vịnh Kiên Giang Ngoài ra còn một số rạch nhỏ khác [1] Hệ thống sông rạch ĐBSCL được thể hiện 1.11

1.3.3.2 Hệ thống kênh đào

Hệ thống kênh đào ở ĐBSCL được phát triển chủ yếu trong vòng hơn 1 thế kỷ nay, với mục đích chính là phát triển nông nghiệp và giao thông thủy Đến nay, hệ thống

24

kênh đào đã được đan dày ở cả 3 cấp, đó là kênh cấp 1 (kênh chính), kênh cấp 2 và kênh cấp 3 (kênh nội đồng) Các cấp kênh này hợp thành một hệ thống kênh mương khá dày, nên mọi tác động vào bất kỳ vị trí nào trong hệ thống kênh đều có thể lan truyền ảnh hưởng đến các vùng lân cận [1,22]

Nguồn: Nguyễn Sinh Huy và cộng sự (2004)

Hình 1 12 Hệ thống sông, kênh rạch ĐBSCL

Nguồn: Trần Đặng Hồng (2009)

Hình 1 11 Hệ thống sông ở ĐBSCL

25

Từ những mô tả trên, nhận thấy ĐBSCL có hệ thống sông kênh rạch lớn nhỏ đan xen nhau, nên khả năng cung cấp nước ngọt quanh năm rất thuận lợi Đồng thời hệ thống sông kênh này hình thành các bờ bao phân chia cánh đồng của vùng thành các khu tưới độc lập nhau Sự phân chia kiểu tự nhiên này sẽ ảnh hưởng lớn đến các thông số hình dạng khu tưới, lưu lượng và diện tích trạm bơm phụ trách cần tìm trong mô hình bơm tưới hợp lý

1.3.4 Địa chất

Theo Ngô Quang Toàn và Nguyễn Thị Nụ (2013), trầm tích Holocen trung-thượng (amQII2-3) phân bố ở ĐBSCL phổ biến là bùn sét và bùn sét pha, mới được thành tạo, diện phân bố hầu như khắp ĐBSCL (diện phân bố thể hiện ở hình 1.13), với bề dày trung bình khoảng 10m, có nơi trên 20m Đất có thành phần khoáng vật sét chủ yếu là kaolinit, illit, sau đó là chlorit và montmorillonit, thuộc dạng nhiễm muối và nhiễm muối ít, có nơi muối đạt tới 2%, hàm lượng hữu cơ đạt tới 10% Đất hầu như chưa được nén chặt, độ lỗ rỗng lớn, tính nén lún cao và sức kháng cắt nhỏ [23] Các yếu tố này không thuận lợi cho việc xây dựng nói chung, cũng như xây dựng trạm bơm nói riêng Vì vậy loại nhà máy bơm có kết cấu nhẹ sẽ phù hợp với vùng ĐBSCL, đi kèm với loại nhà máy này là các loaị máy bơm có công suất vừa và nhỏ

Hình 1 13 Diện phân bố trầm tích amQ II 2-3 ở ĐBSCL

26

1.3.5 Đất đai - Thổ nhưỡng

Theo Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp (1978), đất phù sa chiếm 30,4% diện tích tự nhiên (DTTN), đất mặn chiếm 19,1% DTTN, đất phèn chiếm 41,1% DTTN, các loại đất khác (đất cát, đất lấy và than bùn, đất xám, đất đỏ vàng, đất xói mòn) chiếm 9,4% DTTN [24] (diện phân bố thể hiện ở hình 1.14) Trong các loại đất này ngoại trừ đất lầy và than bùn, đất đỏ vàng và đất xói mòn chủ yếu sử dụng trồng rừng, còn lại đều có thể trồng lúa và các loại cây trồng khác với từng mức độ thích nghi khác nhau [1]

Thực tế cho thấy, cùng một loại cây trồng, trồng trên các loại đất khác nhau, hệ số tưới

sẽ khác nhau Như đất mặn (đất phù sa bị nhiễm mặn) hay đất phèn khác với đất phù

sa ngoài nhu cầu nước của cây trồng còn cần lượng nước tưới để rửa mặn và ém phèn Như vậy hệ số tưới của các vùng ĐBSCL sẽ khác nhau, nó ảnh hưởng đến lưu lượng trạm bơm phụ trách, đây là thông số cần tìm trong mô hình bơm tưới

Nguồn: Sách giáo khoa địa lý lớp 9 trang 126

Hình 1 14 Bản đồ đất vùng ĐBSCL

27

1.3.6 Đặc điểm mưa

ĐBSCL có lượng mưa trung bình khoảng 1800 mm, song phân phối không đều cả theo không gian và thời gian Vùng phía Tây có lượng mưa lớn nhất với lượng mưa năm từ 2000-2400 mm, vùng phía Đông có lượng mưa từ 1600-1800 mm Giải trung tâm đồng bằng kéo dài từ Châu Đốc-Long Xuyên-Cần Thơ-Cao Lãnh đến Trà Vinh-Gò Công là vùng mưa nhỏ nhất, với lượng mưa bình quân từ 1200-1600 mm Về thời gian mưa, phân bố rất không đều trong năm Khoảng 90% lượng mưa năm tập trung trong các tháng mùa mưa Lượng mưa trong mùa khô chỉ chiếm 10%, trong đó các tháng I,

II, III hầu như không mưa, thường gây nên hạn hán nghiêm trọng [1,25] Như vậy lượng nước cần tưới cho các loại cây trồng chủ yếu là về mùa khô và hệ số tưới của vùng trung tâm đồng bằng dọc hai bên sông Tiền sông Hậu là lớn nhất, ngược lại vùng phía Tây có hệ số tưới nhỏ nhất

1.3.7 Đặc điểm thủy triều

ĐBSCL chịu tác tác động của hai hệ thống thủy triều khác nhau xuất phát từ biển Đông và biển Tây Do đó, chế độ thủy triều dải ven bờ biển từ Vũng Tàu đến Mũi Cà

Nguồn: Viện Khoa học khí tượng thủy văn (2010)

Hình 1 15 Bản đồ đẳng trị mưa năm ĐBSCL

ều, thời gia

g không bị

ra từ phầ

nghiên cứu bơm và đặ

ận xét như scứu: Mặc

g tưới và c

Đường qu

28

trong khi điều không

ng đạt khoTây đạt khnăm thường

u thấp nhấ

an lấy nướcảnh hưởng

ần tổng qu

có liên qu

ặc điểm tựsau:

dù tương cấp nước s

uá trình m

đó, chế độđều Mũi C

n vào các t6,27] Như

Nguồn: Viện

riều tiêu b

u dải ven khu vực c

hất Việt N

ng toàn khtháng X, X

Nam), trong

hu vực ven

XI, còn cácvùng của

n đến hệ số

hực tế xâybày ở trên

iết kế, quyương pháp

y

p

5)