Giáo trình Quản lý nguồn nước - Phạm Ngọc Dũng (Phần 2)

103 trang hapham 1710

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Quản lý nguồn nước - Phạm Ngọc Dũng (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_quan_ly_nguon_nuoc_pham_ngoc_dung_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Quản lý nguồn nước - Phạm Ngọc Dũng (Phần 2)

Ch−ơng V N−ớc ngầm và khả năng khai thác n−ớc ngầm 5.1. Định nghĩa và phân loại n−ớc ngầm 5.1.1. Các loại n−ớc ngầm trong đất N−ớc ngầm trong đất là loại n−ớc nằm phía d−ới mặt đất và bị chi phối bởi các lực tác dụng sau đây: Lực hấp thụ, lực mao quản và trọng lực. N−ớc sẽ ở trạng thái tĩnh nếu hợp lực của các lực trên bằng không. Tuy nhiên trong thực tế hầu nh− không có trạng thái cân bằng. Tuỳ theo lực chi phối phân tử n−ớc trong đất mà ta phân thành các loại n−ớc sau đây: 1. N−ớc hấp thụ hay còn gọi là n−ớc hút ẩm Đây là n−ớc bao quanh các hạt đất rắn thành các lớp phân tử. Trong tr−ờng hợp này lực hút giữa bề mặt các hạt đất và các phân tử n−ớc chiếm −u thế so với lực mao dẫn và trọng lực. Lực này lớn hơn lực hút n−ớc của bộ rễ cây trồng (đối với đa số cây trồng, lực hút n−ớc của bộ rễ là 15,2 bar) vì vậy mà cây trồng không sử dụng đ−ợc n−ớc hút ẩm. 2. N−ớc mao quản N−ớc mao quản là n−ớc chứa đầy trong các lỗ rỗng rất nhỏ của đất (gọi là lỗ rỗng mao quản). N−ớc mao quản nằm trong khoảng ẩm tính từ độ hút ẩm tới sức giữ ẩm đồng ruộng. Lúc này lực mao quản chiếm −u thế so với lực hút trọng lực. Lực mao quản là kết quả hợp lực giữa lực hút (giữa phân tử n−ớc và các loại đất), với lực dính (giữa các phân tử n−ớc với nhau). Tuy nhiên cây trồng không sử dụng đ−ợc toàn bộ n−ớc mao quản. Chỉ n−ớc mao quản dễ vận động mới có ích cho nó. Ranh giới để phân biệt n−ớc mao quản dễ vận động và khó vận động là điểm dừng mao dẫn (còn gọi là điểm nguy hiểm). Trong thực tế ng−ời ta th−ờng lấy điểm nguy hiểm có giá trị bằng 2/3 sức giữ ẩm đồng ruộng. 3. N−ớc trọng lực N−ớc trọng lực là n−ớc chứa đầy trong các khe rỗng phi mao quản của đất. N−ớc tồn tại trong khoảng ẩm từ sức giữ ẩm đồng ruộng tới độ ẩm bão hoà. D−ới tác dụng của trọng lực, n−ớc di chuyển xuống phía d−ới vì vậy không có ý nghĩa cho việc dự trữ t−ới đối với cây trồng. 4. N−ớc ngầm N−ớc ngầm là loại n−ớc nằm trong một tầng đất đã bão hoà n−ớc hoàn toàn, phía d−ới là tầng không thấm n−ớc. Trong những phần sau chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu quy luật vận động của n−ớc ngầm để có biện pháp khai thác nhằm phục vụ cho yêu cầu t−ới và những yêu cầu kinh tế khác. 5.1.2. Phân loại n−ớc ngầm Tuỳ theo yêu cầu sử dụng, ng−ời ta chia n−ớc ngầm thành các loại sau đây: 75
1. Theo độ sâu của n−ớc ngầm - N−ớc ngầm nằm sâu > 50m - N−ớc ngầm nằm nông 50g/l. 76
9. Theo đặc tính hoá học và vật lý của n−ớc (có xét đến mục đích sử dụng n−ớc) - N−ớc khoáng - N−ớc cho công nghiệp - N−ớc cho sinh hoạt 10. Theo điều kiện đổi mới nguồn n−ớc - N−ớc ngầm đổi mới nhanh - N−ớc ngầm đổi mới chậm - N−ớc ngầm đọng 11. Theo những chỉ số về khí hậu - N−ớc ngầm của những vùng ẩm và ôn hoà - N−ớc ngầm có độ khoáng hoá thay đổi của những vùng khô hạn 12. Theo vị trí tầng chứa n−ớc - N−ớc ngầm tầng trên - N−ớc ngầm tầng d−ới - N−ớc ngầm tầng d−ới có áp Hình 5.1. Vị trí tầng chứa n−ớc ngầm 1. N−ớc ngầm tầng trên; 2. N−ớc ngầm tầng d−ới; 3. N−ớc ngầm tầng d−ới có áp Việc phân chia chi tiết n−ớc ngầm nh− trên giúp cho việc khai thác có hiệu quả n−ớc ngầm vào các mục đích sử dụng khác nhau. 5.1.3. Chất l−ợng n−ớc ngầm a) N−ớc ngầm dùng cho ăn uống Nếu n−ớc ngầm dùng cho ăn uống, yêu cầu phải đạt các chỉ tiêu sau đây để không ảnh h−ởng tới sức khoẻ con ng−ời: 77
- Nồng độ chì lớn nhất ≤ 0,1 mg/l - Nồng độ flo lớn nhất ≤ 1,5 mg/l - Nồng độ kẽm lớn nhất ≤ 5 mg/l - Nồng độ đồng lớn nhất ≤ 3 mg/l. b) N−ớc ngầm dùng cho t−ới Việc đánh giá n−ớc ngầm thích hợp cho t−ới không chỉ dựa vào nồng độ muối tan trong n−ớc mà còn theo đặc tính đất, loại cây trồng, cũng nh− điều kiện khí hậu, ngày và ph−ơng pháp t−ới. Nói chung không có những công thức cố định hoàn toàn chính xác để đánh giá chất l−ợng n−ớc ngầm cho t−ới n−ớc. Tuy nhiên có thể coi n−ớc ngầm là thích hợp cho t−ới khi đạt các điều kiện sau đây: - Nhiệt độ n−ớc gần bằng nhiệt độ đất. - L−ợng muối tan trong n−ớc < 1 g/l. Nếu v−ợt quá trị số 1 g/l, ta phải xác định riêng các thành phần muối và phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây: Nồng độ 1 g/l cho Na2C03 Nồng độ 2 g/l cho NaCl Nồng độ 5 g/l cho Na2S04 5.1.4. Một vài số liệu về việc sử dụng và khai thác n−ớc ngầm a) Trên thế giới Các n−ớc tiên tiến trên thế giới đều rất chú trọng đến việc khai thác n−ớc ngầm phục vụ cho yêu cầu t−ới và các yêu cầu khác của nền kinh tế quốc dân. - Bỉ, Đan Mạch sử dụng: 90% trữ l−ợng n−ớc ngầm. - Đức, Thuỵ Điển, Nhật sử dụng: 60 - 80% trữ l−ợng n−ớc ngầm. - Anh, Pháp, Phần Lan sử dụng: 25 - 35%. trữ l−ợng n−ớc ngầm. - Liên Xô cũ khai thác 72,5 triệu m3 n−ớc ngầm trong một ngày. - Mỹ: Từ 1995, mỗi ngày khai thác 175 m3 n−ớc ngầm trong đó có 143,4 triệu m3 dùng để t−ới chiếm 82% so với tổng l−ợng khai thác và 72,2% so với tổng l−ợng n−ớc dùng để t−ới. - Algerie: Chỉ riêng tỉnh Urir đã khoan đến 930 giếng n−ớc ngầm trong đó có giếng sâu đến 1200m. - Israel là n−ớc có tỷ lệ sử dụng n−ớc ngầm trong nông nghiệp khá cao 87% l−ợng n−ớc t−ới lấy từ nguồn n−ớc ngầm. b) Việt Nam Công ty khai thác n−ớc ngầm đ−ợc thành lập để phục vụ cho công tác quy hoạch, thiết kế và khai thác có hiệu quả tài nguyên n−ớc ngầm phục vụ nền kinh tế quốc dân. ở miền Bắc, một số vùng khô hạn thiếu nguồn n−ớc mặt và một số vùng bãi ven sông đã có n−ớc t−ới nhờ khai thác nguồn n−ớc ngầm. ở các tỉnh phía Nam, nhịp độ 78
khai thác n−ớc ngầm phục vụ cho nhu cầu t−ới n−ớc trong nông nghiệp ngày càng tăng. Diện tích đ−ợc t−ới bằng n−ớc ngầm trong các năm 1975, 1979, 1984 nh− sau: Năm: 1975 1979 1984 Diện tích (ha): 15.700 16.400 23.400 5.2. Những định luật cơ bản về chuyển động của dòng n−ớc ngầm 5.2.1. Định luật DARCY a) Sơ đồ thí nghiệm Có một cột đất hình trụ (hình 5.2), mực n−ớc đ−ợc giữ ổn định nhờ 2 khoá a và b, lấy một mặt chuẩn bất kỳ 0-0, độ cao áp đo tại ống 1 là H1 và ống 2 là H2, khoảng cách giữa ống 1 và ống 2 là l. b) Định luật Định luật Darcy phát biểu nh− sau: Trong điều kiện chuyển động ổn định, l−u l−ợng thấm tỷ lệ thuận với hệ số thấm của đất, với diện tích thấm và độ dốc thuỷ lực. Q = W.V = W.K.J (1) Trong đó: K- hệ số thấm của đất W- diện tích mặt cắt đất mà dòng thấm đi qua J - độ dốc thuỷ lực. h H − H H − H J = m = 1 2 = − 2 1 (2) l l l Hoặc ta có thể viết: ∆H V = KJ = −K (3) ∆l Nghĩa là "l−u tốc thấm tỷ lệ bậc nhất với gradien thuỷ lực". Hình 5.2. Sơ đồ thí nghiệm 79
c) Phạm vi ứng dụng Định luật Darcy chỉ đúng trong tr−ờng hợp dòng chảy tầng và nhiều thí nghiệm chứng tỏ rằng chỉ có thấm chảy tầng với số Rây non (Re) nhỏ mới tuân theo định luật này. Pavolopsky (Nga) cho rằng khi vận tốc thấm v−ợt quá giới hạn Vk thì không áp dụng đ−ợc định luật Darcy, Vk đ−ợc xác định nh− sau: 1 γN V = (0,75A + 0,23) (cm/s) (4) k 6,5 d Trong đó: A- Độ rỗng của môi tr−ờng thấm γ- Hệ số nhớt động học cm2/s N- Hệ số không biến đổi N = 50 ữ 60 d- đ−ờng kính hạt đất Ng−ời ta xác định đ−ợc điều kiện áp dụng chính xác định luật Darcy, đó là khi Re ≤ 5. V.d Trong đó: R = (5) e γ.A1/ 3 Các ký hiệu trong hệ (5) đã đ−ợc giới thiệu trong hệ (4). Tr−ờng hợp l−u tốc thấm v−ợt quá l−u tốc phân giới V > Vk, ta không áp dụng đ−ợc định luật Darcy. Trong tr−ờng hợp này chuyển động của dòng thấm tuân theo định luật chảy rối: V = KJ m với m <1 (6) Trong hệ (6): K hệ số thấm và J độ dốc thuỷ lực, m số mũ tuỳ thuộc loại đất. Với những loại vật liệu có hạt lớn (nh− đá dăm, đá cuội) Pavolopsky đề nghị m = 1/2. Các phần sau ta chỉ giới hạn nghiên cứu tr−ờng hợp chảy tầng tuân theo định luật Darcy của dòng thấm. d) Hệ số thấm của đất Hệ số thấm của đất phụ thuộc các yếu tố: Hình dạng và kích th−ớc hạt đất; thành phần nham thạch; điều kiện nhiệt độ. Hạt đất lớn, đều: k lớn; hạt đất nhỏ: k nhỏ và nhiệt độ tăng, độ nhớt của n−ớc lớn thì k lớn. Hệ số thấm của một số loại đất nh− trong bảng sau : Tên loại đất Hệ số thấm bình quân K (cm/s) Đất sét (1 - 6)10-6 Cát pha (1 - 6)10-5 Cát pha sét chặt (1 - 6)10-4 Cát pha sét xốp (1 - 6)10-3 Cát hạt nhỏ (1 - 6)10-3 Cát hạt to (1 - 6)10-2 80
5.2.2. Ph−ơng trình LAPLACE áp dụng định luật Darcy và ph−ơng trình liên tục cho dòng không gian ba chiều của một chất lỏng không nén đ−ợc qua môi tr−ờng rỗng, dẫn tới ph−ơng trình Laplace: ∂ 2φ ∂ 2φ ∂ 2φ + + = 0 (7) ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 Ph−ơng trình này cho biết: Tổng đạo hàm riêng phần bậc hai của thế năng cột n−ớc theo các h−ớng x, y, z bằng 0. 5.3. Chuyển động của dòng n−ớc ngầm trên tầng không thấm n−ớc 5.3.1. Chuyển động đều Nghiên cứu tr−ờng hợp đơn giản nhất: Dòng n−ớc ngầm chuyển động ổn định đều trên một tầng không thấm n−ớc nằm nghiêng, có độ dốc đáy i (hình 5.3). Hình 5.3. Dòng n−ớc ngầm chuyển động ổn định đều trên một tầng đất không thấm nằm nghiêng Trong tr−ờng hợp này, các đ−ờng dòng đều song song với đáy đ−ờng mặt n−ớc tự do đ−ợc coi là đ−ờng biên. Tại mặt cắt 1-1 cột n−ớc đo áp H là: P H = Z + (1-1) γ Trong đó: Z- Độ cao địa hình của điểm đến mặt cắt 0-0 p- áp suất tại một điểm trên mặt đất 1-1 γ- Trọng l−ợng riêng của n−ớc. Xét mặt cắt 2-2 cách mặt cắt 1-1 một khoảng ds, độ cao đo áp giảm đi một l−ợng dH. Độ dốc thuỷ lực sẽ là: dH J = − = i (1-2) ds áp dụng định luật Darcy, ta xác định đ−ợc l−u l−ợng của dòng thấm: Q = Kiω0 (1-3) Trong đó: ω0 là diện tích mặt cắt −ớt của dòng đều. 81
5.3.2. Ph−ơng trình vi phân của chuyển động ổn định, không đều, thay đổi dần của dòng thấm (dòng n−ớc ngầm) Xét chuyển động không đều thay đổi dần trong những lồng dẫn hình lăng trụ, mặt cắt ngang có dạng bất kỳ (hình 5.4) Hình 5.4. Dòng n−ớc ngầm chuyển động không đều thay đổi dần Tại mặt cắt (x-x) cách mặt cắt (1-1) một đoạn s' theo ph−ơng nghiêng, ta hãy tìm mối quan hệ giữa độ dốc thuỷ lực J, độ dốc đáy i và độ sâu dòng chảy h. dH d(a + h) da dh vì J = − = − = − − ds ds ds ds da nh−ng = i (dấu trừ biểu thị mối quan hệ nghịch biến giữa a và s') ds dh nên J = i − (2-1) ds Vận tốc thấm V = kJ dh V = k(i − ) (2-2) ds L−u l−ợng thấm Q = W.V dh Q = Wk(i − ) (2-3) ds Trong tr−ờng hợp dòng đều: h = constant và W = W0 Công thức (2-3) chuyển thành: Q = W0.k.i Ta tiếp tục nghiên cứu một số dạng của ph−ơng trình (2-2) nh− sau: 82
1. Khi độ dốc đáy thuận i > 0 Tr−ờng hợp dòng n−ớc ngầm chuyển động đều, l−u l−ợng đ−ợc xác định theo hệ (2-3): Q = k.W0.i Tr−ờng hợp dòng n−ớc ngầm chuyển động không đều, l−u l−ợng đ−ợc xác định theo hệ (2-3): dh Q = kW(i − ) ds Vì dòng n−ớc ngầm là ổn định nên ta có thể cân bằng hệ (1-3) và (2-3): dh kW i = k(i − ) 0 ds W Đặt η = biến đổi toán học, cuối cùng ta đ−ợc hệ (2-4): W0 dh = i(1− η) ( 2-4) ds 2. Khi đáy nằm ngang i = 0 Căn cứ vào ph−ơng trình (2-3), khi i = 0 ta có: dh Q = −kW (2-5) ds 3. Khi độ dốc đáy nghịch i<0 Đặt i'= i lúc đó ph−ơng trình (2-3) biến thành: dh Q = −kW(i'+ ) (2-6) ds Giả sử chuyển động đều của dòng thấm có chiều ng−ợc lại (vì độ dốc nghịch), lúc này l−u l−ợng đ−ợc xác định theo hệ thức: Q = k.W0'.i (2-7) Trong đó W0' là mặt cắt −ớt của dòng thuận chảy đều khi có độ sâu h0'. Cân bằng hai hệ thức (2-6) và (2-7) ta đ−ợc: dh W ' i = −W(i ' + ) (2-8) 0 ds Đặt W = ξ và biến đổi, ph−ơng trình vi phân của tr−ờng hợp này có dạng sau: dh i(1+ ξ) = − (2-9) ds ξ 5.3.3. Các dạng đ−ờng mặt n−ớc trong chuyển động không đều của đ−ờng n−ớc ngầm (dòng thấm) Chúng ta nghiên cứu ba tr−ờng hợp sau đây: 83
1. Tr−ờng hợp 1: Độ dốc đáy thuận (i>0) Trong khu vực của dòng n−ớc ngầm, ta vẽ đ−ờng bão hoà N.N t−ơng ứng của dòng đều. Đ−ờng N.N phân chia tầng chứa n−ớc thành hai vùng: - Vùng a có h > h0 - Vùng b có h h0 → W > W0 do đó η = > 1 W0 dh luôn luôn d−ơng: Nghĩa là độ sâu của dòng n−ớc ngầm tăng dần theo l−ợng ds dh n−ớc chảy: Đó là đ−ờng n−ớc dâng. Ta l−u ý là khi h→h thì W→W và η→1, →0 0 0 ds Đ−ờng n−ớc ngầm lấy đ−ờng N.N làm tiệm cận. W dh - Khi h→∞; η= → ∞; → i Đ−ờng bão hoà ở phía d−ới lấy đ−ờng nằm W ds ngang làm tiệm cận. 0 Trong vùng b: h 0) 84
2. Tr−ờng hợp 2: Độ dốc nằm ngang i = 0 dh Từ ph−ơng trình (2-5): Q = −kW biến đổi ta có ph−ơng trình vi phân sau đây: ds dh Q = − (3-1) ds kW dh <0 nghĩa là độ sâu n−ớc ngầm giảm dần theo h−ớng chảy, đ−ờng mặt n−ớc có ds dạng n−ớc hạ. dh Khi h→ 0,w→0, η→0 và →-∞ tiếp tuyến của đ−ờng bão hoà ⊥ đáy (hình 5.6). ds Hình 5.6. Dòng n−ớc ngầm chuyển động không đều độ dốc đáy nằm ngang (i = 0) 3. Tr−ờng hợp 3: Độ dốc đáy nghịch i < 0 dh (1+ ξ) Ph−ơng trình cơ bản (2-9): = −i ds ξ W dh Trong đó ξ = ' ta thấy < 0 và không phụ thuộc vào ξ. Độ sâu n−ớc ngầm W0 ds giảm dần theo h−ớng chảy. Đ−ờng mặt n−ớc ngầm trong tr−ờng hợp này là đ−ờng n−ớc dh hạ. Khi h→ 0, →∞ tiếp tuyến của đ−ờng bão hoà thẳng góc với tầng không thấm. ds dh Khi h→∞, → i' , phía trên đ−ờng mặt n−ớc ngầm có tiệm cận ngang. ds 85
Hình 5.7. Dòng n−ớc ngầm chuyển động không đều độ dốc đáy nghịch (i 0 vì W = bh; W0 = bh0 w bh h = = = η hay h = h0.η lấy vi phân hai vế ta đ−ợc: w 0 bh 0 h0 dh = h0.dη (4-1) dh (1+ ξ) Ta có ph−ơng trình (2-9): = −i ds ξ Thay dh = h0.dη vào ph−ơng trình trên ta đ−ợc: h dη 1 0 = i(1− ) ds η ids η abη hay = dη = dη+ ds η −1 η −1 Tích phân ph−ơng trình này từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt (2-2) với khoảng cách giữa hai mặt cắt là l ta có hệ thức: il η2 −1 = η2 − η1 +1n (4-2) h 0 η1 −1 chuyển sang logarit thập phân ta có hệ (4-3) il η2 −1 = η2 − η1 + 2,305lg (4-3) h 0 η1 −1 86
Trong đó: i- độ dốc đáy kênh; h0- độ sâu dòng đều hi ηi = h 0 hi: độ sâu dòng n−ớc ngầm tại mặt cắt độ dốc đáy i. Tr−ờng hợp 2: Đáy nằm ngang i = 0, l−u l−ợng dòng ngầm Q = qbh Trong đó: q- l−u l−ợng đơn vị của dòng n−ớc ngầm/1m dài b- chiều rộng của dòng chảy h- Độ sâu của dòng n−ớc ngầm dh Q Từ ph−ơng trình (3-1): = ds kW dh q.b q Thay các giá trị của Q và W ở trên vào ta đ−ợc : = − = − ds k.b.h kh q hay h.dh = ds (4-4) k Tích phân ph−ơng trình vi phân (4-4) từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) ta đ−ợc: 2ql = h 2 − h 2 (4-5) k 1 2 Tr−ờng hợp 3: Độ dốc đáy nghịch i < 0 dh i(1+ ξ) Ph−ơng trình vi phân có dạng: = − ds ξ w b.h h Trong đó: ξ = ' = ' = ' w 0 b.h 0 h 0 ' hay h = ξ.h0 lấy vi phân hai vế ta đ−ợc: dh = h 0.dξ rồi thay vào (2-9): h ' .dξ i'(1− ξ) 0 = − ds ξ ids ξ (1+ ξ −1) dξ ' = − dξ = − dξ = −dξ + h 0 1 + ξ 1+ ξ 1+ ξ Tích phân ph−ơng trình này từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt (2-2) ta đ−ợc: i'l 1+ ξ2 ' = (ξ1 − ξ2 ) + ln h 0 1+ ξ1 chuyển sang logarit thập phân ta có: i'l 1+ ξ2 ' = [(ξ1 − ξ2 + 2,305lg )] (4-6) h 0 1+ ξ1 Trong đó: i = i ' h 0: độ sâu của dòng đến nh−ng theo chiều ng−ợc lại. 87
5.3.4.2. Khi dòng dẫn có dạng phi lăng trụ, gọi z là cao trình của mặt n−ớc ngầm định từ mặt chuẩn nằm ngang nào đó (0-0), l−u l−ợng của dòng n−ớc đựoc xác định theo hệ thức dz Q = −kW ds Q Ph−ơng trình vi phân có dạng: − dz = ds kW Tích phân hai vế của ph−ơng trình này từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt (2-2) ta đ−ợc: Q ds ∆z = f (2−2) = z − z k (1−1) W 1 2 Cho đoạn l đủ ngắn để có thể xem mặt cắt −ớt của dòng thấm thay đổi rất ít và lấy trị số trung bình: W + W W = 1 2 tb 2 Q 1 ∆ z = ì (4.7) k Wtb Khi đã biết Q và k, ta có thể vẽ đ−ờng bão hoà (mặt n−ớc ngầm) theo ph−ơng trình (4.7) bằng cách thử dần. D−ới đây giới thiệu một số bài tập mẫu áp dụng lý thuyết học. Bài tập 1: Có một kênh đáy cao hơn đáy sông và cách sông một đoạn khá dài. Hãy xác định l−u l−ợng trên đơn vị chiều rộng của dòng n−ớc ngầm và vẽ đ−ờng mặt n−ớc cho biết độ dốc tầng không thấm i = 0,02 hệ số thấm k = 0,005 cm/s. Khoảng cách giữa sông và kênh là 180m. Độ sâu của dòng n−ớc ngầm chỗ ra khỏi kênh là h1 = 1m và chỗ vào sông là h2 = 1,90m. Bài giải: - Theo đầu bài cho h1 0 il η2 −1 = η2 − η1 + 2.305lg h 0 η1 −1 88
h h trong đó: η = 1 η = 2 1 h 2 h Do đó: 0 0 il h − h h − h = 2 1 + 2,305lg 2 0 h 0 h 0 h1 − h 0 h 2 − h0 hay: il + (h1 − h 2 ) = 2,305h0 lg h1 − h0 Thay các số liệu đầu bài đã cho vào biểu thức trên, ta đ−ợc: 1,9 − h 0 0 , 02 .180 + (1−1,9) = 2,305h0.lg 1− h 0 đặt 1,9 − h0 1 f (h0 ) = h0 lg = (0,02.180 +1−1,9) =1,172 1− h0 2,305 Để tìm h0 ta dùng ph−ơng pháp tra đồ thị. Tr−ớc tiên vẽ đồ thị quan hệ giữa h0 và f(h0) bằng cách cho h0 một giá trị nào đó, ta tìm đ−ợc giá trị t−ơng ứng của f(h0). h0 = 0,92 f(h0) = 1,001 h0 = 0,94 f(h0) = 1,121 h0 = 0,96 f(h0) = 1,315 Trên đồ thị, ta tìm thấy h0 = 0,954 m. Xác định l−u l−ợng đơn vị trên 1 cm: q = K.i.h0 q = 0,005.0,02.94,5 = 0,00945 cm2/s - Vẽ đ−ờng mặt n−ớc ngầm: Sử dụng ph−ơng trình (4.3) để xác định đ−ờng mặt n−ớc ngầm. Với h1 = 1m đã biết, cho các giá trị h2 khác nhau, ta xác định đ−ợc các khoảng cách l t−ơng ứng: h η −1 0 2 l = (η2 − η1 + 2,305lg ) i η1 −1 h 0,945 trong đó: 0 = = 47,25 i 0,02 h1 1 η1 = = =1,06 h 0 0,945 η −1 Thay vào ph−ơng trình trên: l = 47,25(η −1,06 + 2,305lg 2 2 1,06 −1 h 2 1,2 Giả sử: lấy h2 = 1,2m → η2 = = → η2 = 1,27 h 0 0,945 1,27 −1 và l = 47,25(1,27 −1,06 + 2,305lg ) = 82,6m 1,06 −1 t−ơng ứng: h4 = 1,4m; h4 = 120m; h5 = 1,7m; h5 = 159m Với giá trị h1, h2, h3, h4, h5 đã đ−ợc xác định, ta vẽ đ−ợc đ−ờng mặt n−ớc ngầm. 89
Bài tập 2: Tại mặt cắt ở mép n−ớc của một con sông, đo đ−ợc cao trình mặt n−ớc là y2 = 47,32m. Cao trình tầng đất không thấm là y02 = 44m. Tại mặt cắt 1-1 cách bờ sông l = 2422m. Qua thăm dò ng−ời ta biết đ−ợc cao trình mực n−ớc ngầm là y1=58,8m và cao trình tầng đất không thấm là y01 = 41,72m. Xác định l−u l−ợng đơn vị của dòng n−ớc ngầm và vẽ đ−ờng mặt n−ớc ở các điểm có độ sâu lần l−ợt là h = 1,5m, h= 15m, h = 13m, h = 11m, h = 9m, h = 7m, và h = 5m, biết hệ số thấm của đất là K=0,002m/s. Bài giải: h − h 41,7 − 44 Xác định độ dốc đáy: i = 1 2 = l 2422 i = - 0,00094 < 0 Độ sâu dòng n−ớc ngầm tại mặt cắt (1-1) và (2-2) lần l−ợt là: h1 = y1 - y01 = 58,8 - 47,76 = 17,08 h1 = y1 - y02 = 47,32 - 44 = 3,32 ' Tính h 0 là độ sâu dòng đều ứng với độ dốc i = -i theo ph−ơng trình (4-6): il 1+ ξ2 = (ξ1 − ξ2 ) + 2,3025lg h 0 1+ ξ1 h1 17,08 h 2 3,32 trong đó ξ1 = ' = ' ; ξ2 = ' = ' h 0 h0 h 0 h 0 và i' = -i = 0,00094 Thay các giá trị đã biết và thu gọn lại ta đ−ợc hệ thức: ' i'l = h 0f(h0) = 0,00094.2422 = 2,28m 3.32 1+ Trong đó: 17,08 3,32 h f (h ' ) = − + 2,3025lg 0 0 ' ' 17,08 h 0 h 0 1+ ' h 0 90
' Tính h 0 theo ph−ơng pháp thử dần nh− bảng d−ới đây: 17,08 3,32 ' 2 = ' ' h 0 (m) 1 = ' ' f(h 0) p(h 0) h 0 h 0 49 0,349 0,0678 0,0474 2,322 52 0,32 0,0638 0,0426 2,215 51 0,335 0,0651 0,5440 2,2244 50 0,342 0,0664 0,0450 2,28 ' Từ bảng trên ta xác định đ−ợc độ sâu dòng đều: h 0 = 50m. - Xác định l−u l−ợng dòng thấm (dòng n−ớc ngầm): ' -5 3 q = K.h 0.i' = 2.10 .50.0,00094 = 0,81 m /ngđ/m. - Vẽ đ−ờng mặt n−ớc ngầm, ta sử dụng hệ thức sau đây: ' h 0 ⎡ h1 h x ⎤ ⎡ h x ⎤ ⎡ h1 ⎤ l x = ⎢ ' − ' ⎥ + 2,3025lg⎢1+ ' ⎥ − 2,3025lg⎢1+ ' ⎥ i ⎣h 0 h 0 ⎦ ⎣ h 0 ⎦ ⎣ h0 ⎦ Trong đó: lx- Khoảng cách từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt x nào đó hx- Độ sâu dòng n−ớc ngầm tại mặt cắt x. Thay các số liệu đã biết vào ph−ơng trình trên, ta đ−ợc: ⎡ h x ⎛ h x ⎞⎤ lx = 53200⎢0,0477 − + 2,3025lg⎜1+ ⎟⎥ ⎣ 50 ⎝ 50 ⎠⎦ Quan hệ giữa hx và lx nh− trong bảng: Độ sâu dòng 17,08 15 13 11 9 7 5 3,32 n−ớc ngầm (hx) lx (m) 0 532 995 1406 1767 2053 2284 2422 Bài tập 3: Một hồ chứa n−ớc ở cách sông là l = 300m, cao trình mực n−ớc trong hồ và sông là y1 = 10,95m và y2 = 7,15m. Tầng đất thấm n−ớc ở giữa sông và hồ là đất đồng chất có hệ số thấm k = 11 m/ngày.đ. Tầng đất không thấm nằm ngang ở cao trình y0 = 6,4m. Xác định l−u l−ợng đơn vị của dòng n−ớc ngầm và vectơ đ−ờng mặt n−ớc. Bài giải: 91
Độ sâu dòng n−ớc ngầm ở mép hồ và sông lần l−ợt là: h1 = y1 - y0 = 10,95 - 6,4 = 4,55 h2 = y2 - y0 = 7,15 - 6,4 = 0,75 Vì đáy tầng không thấm i = 0. Ta áp dụng công thức (4.5): 2q1 = h 2 − h 2 K 1 2 K 11 hay: q = (h 2 − h 2 ) = (4,552 − 0,752 ) = 0,37m3 / ngd / m. 2.1 1 2 2.300 - Vẽ đ−ờng mặt n−ớc ngầm: Biến đổi công thức (4.5) theo dạng: K h = (h 2 − h 2 ) 2q 1 2 h1 cố định. Với độ cao hx nào đó, ta có khoảng cách lx t−ơng ứng: K l = (h 2 − h 2 ) x 2q 1 2 2q hay h = h 2 − l x 1 K x Thay các giá trị x = 0; 50; 100; 200; 250 có các độ cao hx t−ơng ứng trong bảng sau: lx (m) 0 50 100 150 200 250 300 hx (m) 4,55 4,16 3,74 3,26 2,69 1,98 0,75 5.4. Giếng và hầm tập trung n−ớc ngầm 5.4.1. Giếng tập trung n−ớc ngầm 5.4.1.1. Giếng n−ớc phun Giếng đ−ợc khoan sâu tới tầng chứa n−ớc nằm giữa hai tầng không thấm. Do áp suất của n−ớc ngầm lớn hơn áp suất không khí nên n−ớc trong giếng sẽ phun lên cao t−ơng ứng với áp suất lớp dẫn n−ớc. Ng−ời ta phân giếng phun thành hai loại giếng phun hoàn chỉnh và loại không hoàn chỉnh. - Giếng phun hoàn chỉnh: Giếng có đáy nằm trên tầng không thấm n−ớc. - Giếng phun không hoàn chỉnh: Giếng có đáy nằm lơ lửng trong tầng chứa n−ớc. Xét một giếng n−ớc phun hoàn chỉnh, tầng chứa n−ớc nằm ngang có chiều dày t khi không bơm n−ớc: Dòng n−ớc ngầm tĩnh lại. Khi bơm n−ớc liên tục và đều, l−u l−ợng Q lấy ra khỏi giếng cân bằng với l−u l−ợng do dòng thấm trong đất cung cấp. Lúc này có thể có dòng chảy ngầm là dòng đều và ổn định. 92
Hình 5.8. Giếng n−ớc phun hoàn chỉnh Tại những điểm cách tâm giếng một khoảng x, độ dốc thuỷ lực bằng nhau và bằng: dz J = dx Z là độ cao cột n−ớc của điểm có toạ độ ngang x. - Theo định luật Darcy, l−u l−ợng thoát ra của dòng thấm là: dz Q = K . W (1.1) dx W là diện tích −ớt mà dòng n−ớc ngầm đi qua. Đó là diện tích mặt bên của ruột hình trụ, bán kính x và chiều cao z. Tuy nhiên n−ớc thấm vào giếng chủ yếu ở tầng có chiều dày t nên W = 2πx.t. Thay vào ph−ơng trình (1.1): dz Q = K.2πxt dx Phân li biến số, ta đ−ợc ph−ơng trình vi phân sau: Q dx dz = . (1.2) 2πKt x Tích phân (1.2) trong phạm vi: x = r0 → x và z = h → z z Q x dx ∫ dz = ∫ h 2πKt r0 x Q x (z − h) = ln 2πKt r0 93
Chuyển về logarit thập phân: Q x ( z − h ) = 0 , 37 ln (1.3) Kt r0 Khi Z = H thì x = R. R gọi là bán kính ảnh h−ởng của giếng. Đó là chiều dài định ra khu vực ảnh h−ởng của giếng. Ngoài phạm vi này, đ−ờng bão hoà không giảm thấp: Q x (z − h) = 0,37 ln Kt r0 2,73k.t.s Q = hay R (1.4) lg r0 Trong ph−ơng trình (1.4), S = H - h gọi là độ sâu hút n−ớc. Cách xác định bán kính ảnh h−ởng R của giếng: Với loại đất có các hạt cỡ to R=700 - 1000m hoặc có thể tính R theo các công thức sau đây: R = 575S HK (1.5) hoặc: R = 3000S K (1.6) Trong đó: S- độ sâu hút n−ớc tính theo m K- hệ số thấm của đất tính theo m/s. Tr−ờng hợp giếng phun không hoàn chỉnh: Ngoài phần l−u l−ợng thấm qua thành bên, còn có phần l−u l−ợng thấm qua đáy. Việc xác định l−u l−ợng thâm nhập vào giếng khá phức tạp. Ta có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của Cođơni: 2,73.k.a.s ⎡ r πa ⎤ Q = ⎢ 1 + 5 0 cos ⎥ (1.7) R ⎣⎢ a 2t ⎦⎥ lg r0 Hình 5.9. Giếng n−ớc phun không hoàn chỉnh 94
5.4.1.2. Giếng n−ớc ngầm th−ờng Giếng nằm phía trên tầng không thấm n−ớc, độ sâu của dòng n−ớc ngầm tính từ tầng không thấm là H. Giếng do dòng n−ớc này cung cấp gọi là giếng n−ớc ngầm th−ờng, cũng đ−ợc phân thành 2 loại: Giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh và không hoàn chỉnh. Giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh là giếng có đáy nằm trực tiếp trên tầng đất không thấm. a. Giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh Hình 5.10. Giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh Giả sử ta có một giếng đào hoàn chỉnh, n−ớc sẽ thâm nhập vào giếng. Khi độ cao n−ớc dâng trong giếng là h, ta bơm n−ớc ra khỏi đáy giếng với l−u l−ợng Q bằng l−u l−ợng thấm vào giếng. Lúc này chuyển động của dòng n−ớc ngầm là ổn định đều. N−ớc từ các phía thấm vào giếng có dạng hình phễu h−ớng về tâm giếng. Xét một mặt cắt cách tâm giếng là r, độ cao đ−ờng mực n−ớc ngầm là z. Do chuyển động của dòng thấm là ổn định nên độ dốc thuỷ lực ở mọi điểm trên hình trụ bán kính r là nh− nhau và bằng: dz J = dr Mặt cắt −ớt mà dòng thấm đi qua chính bằng diện tích xung quanh của hình trụ bán kính r và độ cao z: W = 2πrz Theo định luật Darcy: dz Q = 2 π r .z . K (1.8) dr Phân ly biến số ph−ơng trình này, ta đ−ợc: Q dr = 2z.dz (1.9) πK r 95
Lấy tích phân hai vế với cận biến đổi nh− sau: r : r0 → x; z : h → z Q r z ln r = Z 2 k r0 h Q r Z 2 − h 2 = ln πK r0 Đổi ra logarit th−ờng, ta có ph−ơng trình: Q r Z 2 − h 2 = 0,73 ln (1.10) K r0 Nếu đ−a khái niệm bán kính ảnh h−ởng của giếng vào, ta có hệ thức d−ới đây: Q R Z 2 − h 2 = 0,73 ln k r0 H 2 − h 2 và Q = 1,365K R lg r0 biến đổi H2 - h2 = ( H - h )( H + h ) = S (H + H -S) S = S (2H - S) = 2HS(1− ) 24 KHS S Q = 2 , 73 ( 1 − ) (1.11) R lg 2H r0 Trong thực tế chiều sâu hút n−ớc S là rất nhỏ so với H; nh− thế có thể bỏ qua trị số S và công thức trên ở dạng đơn giản hơn: 2H KHS Q = 2,73 (1.12) R lg r0 b. Giếng n−ớc ngầm th−ờng không hoàn chỉnh Trong tr−ờng hợp này đáy giếng nằm lơ lửng trên tầng không thấm. Nếu khoảng cách từ đáy giếng đến tầng không thấm lớn thì trong tầng chứa n−ớc chỉ có vùng phía trên là tham gia vào việc cung cấp n−ớc vào giếng. Vùng này gọi là vùng hoạt động, có hai tr−ờng hợp xảy ra là: Ha > H và Ha H: L−u l−ợng của giếng đ−ợc xác định theo công thức kinh nghiệm của Phoockhôhayme: K(H2 − T2 ) h + 0,5r 2T − h Q =1,365 0 4 R lg T T r0 96
• Khi Ha < H : L−u l−ợng cũng đ−ợc xác định theo công thức trên nh−ng phải thay các đại l−ợng H và T bằng Ha và T': K(H2 − T'2 ) h + 0,5r 2T − h Q =1,365 a 0 4 R lg T' T' r0 Khi r0 khá nhỏ so với độ sâu n−ớc trong giếng h, ta có thể bỏ qua số hạng 0,5r0 trong công thức. Cách xác định trị số Ha (chiều sâu vùng hoạt động) theo bảng sau: S S = 0,2 0,3 0,5 0,8 1 h' h + S H H a = a 1,30 1,6 1,7 1,85 2,00 h' h + S Ngoài ra ta cũng có thể xác định Ha theo công thức của P.I.Sipencô: S h + 0,5r 2(H − S) − h =1 − 0 a 2H a H a − S H a − S Giải ph−ơng trình này bằng ph−ơng pháp thử dần. Hình 5.11. Giếng n−ớc ngầm th−ờng không hoàn chỉnh 97
5.4.1.3. Giếng tập trung n−ớc (giếng tiêu n−ớc) có thể dùng giếng để tiêu n−ớc khi mực n−ớc trong giếng lớn hơn chiều dày tầng chứa n−ớc. N−ớc sẽ chảy từ giếng ra tầng thấm n−ớc. Hình 5.12. Giếng tập trung n−ớc dz Đ−ờng mặt n−ớc có dạng đ−ờng cong lõm, độ dốc thuỷ lực: J = − dr Theo định luật Darcy: Q = wK.J. Tại mặt cắt (1-1) cách tâm giếng một khoảng r, l−u l−ợng thoát ra sẽ là: dz Q = −2πK.z.K dr phân ly biến số rồi tích phân với các cận: r : r0 → r và z : h → z r Q dr z Ta có: = − 2zdz ∫ πK r ∫ r0 h Q r ln = h 2 − z 2 πK r0 Chuyển về logarit thập phân ta có ph−ơng trình sau: Q r h 2 − z 2 = 0,73 ln (1.13) K r0 Nếu đ−a khái niệm bán kính ảnh h−ởng của giếng R vào, ta rút ra hệ thức: k(h 2 − H 2 ) Q = 1,36 (1.14) R lg r0 5.4.1.4. Tổ giếng lấy n−ớc Trong thực tế ng−ời ta phải xây dựng một tổ giếng mới đảm bảo yêu cầu tiêu hoặc cung cấp n−ớc. Vấn đề tính toán sẽ phức tạp hơn so với tr−ờng hợp giếng đơn. Mỗi giếng làm việc sẽ ảnh h−ởng đến các giếng khác. 98
Tr−ờng hợp một giếng th−ờng hoàn chỉnh làm việc, mặt đ−ờng n−ớc ngầm có dạng: Q r z2 − h 2 = 0,73 ln i i i πK r Trong đó: 0i i = 1, 2 t−ơng ứng với thứ tự giếng ri: khoảng cách từ điểm A nào đó đến giếng i r0i: bán kính của giếng i nào đó. 1 r 1 A r 2 2 r 3 r 4 3 4 Hình 5.13. Tổ giếng lấy n−ớc Khi n giếng làm việc đồng thời, áp dụng ph−ơng pháp cộng thế trong cơ học chất lỏng. i=n Q r Ph−ơng trình mặt bão hoà có dạng: z 2 = ∑ 1 ln i + C (1.15) πk r0i Trong đó: i = 1 Z- độ sâu dòng n−ớc ngầm tại một điểm trên mặt n−ớc mà ta xét, ví dụ điểm A ri- khoảng cách nằm ngang của điểm ta xét đến các tâm giếng t−ơng ứng C- đại l−ợng không đổi. Để xác định C, ta xét một tr−ờng hợp đơn giản nhất khi l−u l−ợng của các giếng bằng nhau: Q Q = Q = Q = Q = 0 1 2 3 n n Đ−ờng mặt n−ớc có dạng: Q z2 = 0 []ln()r r r − ln(r r r )+ C πKn 1 2 n 01 02 0n Hệ số C đ−ợc xác định nh− sau: Giả thiết điểm A cách tổ giếng một khoảng khá lớn. Lúc này ta có thể xem khoảng cách giữa các giếng là nhỏ so với các khoảng cách r1, r2, rn nên có thể cho r1 = r2 = rn = r. 2 Q0 Thay các giá trị đó vào ph−ơng trình trên: z = []lnrn − ln()r01r02 r0n + C πKn Q 0n ⎡ 1 ⎤ = ⎢ln r − ln()r01r02 r0n ⎥ + C πKn ⎣ n ⎦ Thay các điều kiện biên của bài toán: Z = H và r = R, trong đó H là chiều dày của lớp n−ớc bão hoà, R là bán kính ảnh h−ởng của tổ giếng ta đ−ợc: 2 Q 0 ⎡ 1 ⎤ C = H − ⎢ln R − (r01r02 r0n )⎥ πK ⎣ n ⎦ 99
Thay C vào (1.15) và chuyển về logarit thập phân ta đ−ợc ph−ơng trình: 2 2 Q 0 ⎡ 1 ⎤ Z = H − 0 , 73 ⎢ lg R − lg( r 1 r 2 r n ) ⎥ (1.16) K ⎣ n ⎦ Dựa theo ph−ơng trình trên, khi biết Z ta có thể xác định đ−ợc l−u l−ợng Q0 của tổ giếng, ng−ợc lại khi biết Q0 ta có thể xác định đ−ợc Z ở một điểm bất kỳ ở đ−ờng mặt n−ớc ngầm. Khi các giếng bố trí theo vòng tròn, bán kính ρ và có l−u l−ợng bằng nhau. Ph−ơng trình đ−ờng mặt n−ớc tại điểm O với Z0 là trị số của Z tại điểm O sẽ là: Q R Z 2 = H 2 − 0 , 73 0 lg (1.17) 0 K ρ Trị số của bán kính ảnh h−ởng R tính giống nh− đối với giếng đơn, cũng có thể dùng công thức kinh nghiệm của P.I.Cuxakin: R = 575S H.K P 0 Hình 5.14. Tổ giếng lấy n−ớc hình tròn 5.4.1.5. Giếng n−ớc ngầm có nguồn do sông hồ cung cấp Xét một tr−ờng hợp đơn giản nhất khi đáy giếng nằm trên tầng không thấm nằm ngang (đáy sông). Cần phải xác định Q cung cấp cho giếng (khả năng khai thác của giếng) theo các điều kiện đã biết H, h, K, l và r0 (hình 5.15). - Vẽ ph−ơng trình đ−ờng mặt n−ớc cho giếng: Ta thay sông bằng một giếng A' nào đó có l−u l−ợng đ−a ra bằng l−u l−ợng của giếng A đ−ợc cung cấp, ở các điểm cách đều hai giếng mực n−ớc ngầm sẽ nh− nhau. Gọi Q là l−u l−ợng trong từng giếng, r và r' là khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên mặt n−ớc ngầm có toạ độ là Z đến tâm giếng A và A', áp dụng ph−ơng trình (1.15). n Q r Z 2 = ∑ i ln i + C i=1 πK r0i 2 Q ⎛ r r' ⎞ Z = ⎜ln − ln ⎟ + C πK ⎝ r0 r0 ⎠ Q r Z2 = ln + C πK r' 100
Dấu (-) trong hệ thức biểu thị ảnh h−ởng ng−ợc chiều giữa hai giếng A và A'. Tại điểm B ở bờ sông có Z = H và r = r'. Thay vào ph−ơng trình trên ta rút ra đ−ợc C = H2 và ph−ơng trình đ−ờng bão hoà của giếng có dạng: Q r H 2 − Z 2 = ln (1.18) πK r' Hình 5.15. Giếng n−ớc ngầm sông hồ cung cấp - Xét điểm E nằm trên bờ giếng: Gọi h là độ sâu của n−ớc trong giếng A, l là khoảng cách từ bờ sông đến tâm giếng A. Đối với điểm E nằm trên bờ giếng ta có: r' = 2l - r0 r = r0 z = h ⎛ ⎞ Thay vào (1.18) ta có: 2 2 Q 2l − r0 H − h = ln⎜ ⎟ πK ⎝ r0 ⎠ 2 2 Q ⎛ 2l ⎞ H − h = ln⎜ −1⎟ πK ⎝ r0 ⎠ 2l 2 2 Q ⎛ 2l ⎞ Vì >>1 nên ta đ−ợc: H − h = ln⎜ ⎟ r0 πK ⎝ r0 ⎠ Chuyển sang logarit thập phân ta xác định đ−ợc khả năng khai thác của giếng: 1,365 Q = H2 − h 2 K 2 l ( ) (1.19) lg Trong hệ (1.19): r0 H: độ sâu mực n−ớc ở sông l: khoảng cách từ giếng tới mép sông h: Độ sâu mực n−ớc trong giếng r0: bán kính của giếng K: Hệ số thấm của đất. 101
5.4.2. Hầm tập trung n−ớc Ta chỉ giới hạn trong việc xét đ−ờng hầm tập trung n−ớc có mặt cắt ngang hình chữ nhật, đáy hầm có thể nằm trực tiếp trên tầng không thấm n−ớc hoặc cao hơn. 5.4.2.1. Đáy hầm nằm trên tầng không thấm Coi đ−ờng hầm là đối xứng, xét chuyển động của dòng n−ớc ngầm ở một phía của đ−ờng hầm (hình 5.16). Hình 5.16. Hầm tập trung n−ớc đối xứng Gọi q là l−u l−ợng đơn vị tập trung n−ớc vào một phía của hầm. Tại mặt cắt (1-1) theo định luật Darcy: dz q = w.v = z.l.k dx (2.1) Phân ly biến số, ta có ph−ơng trình vi phân: q.dx = K.Zdz Tích phân hai vế ph−ơng trình này với cận biến đổi: x : 0 → x; z : h → z n z hz 2 − h 2 qdx = K zdz qx = K ∫∫ 2 0 h 2q hay x = z 2 − h 2 (2.2) K Ph−ơng trình (2.2) là ph−ơng trình đ−ờng mặt n−ớc ngầm ở nhánh bên phải của hầm. Cũng nh− tr−ờng hợp xét các giếng ngầm, nếu ta đ−a khái niệm giới hạn ảnh h−ởng của hầm L vào thì khi x = L, Z = H, ph−ơng trình (2.2) trở thành: 2q.L 2 2 = H − h K K q = (H 2 − h 2 ) 2 L (2.3) Nếu đ−ờng hầm dài l thì l−u l−ợng một phía của đ−ờng hầm là: Q = ql 102
- Giới hạn ảnh h−ởng của hầm đ−ợc xác định theo điều kiện địa chất thuỷ văn. Sơ bộ ta xác định theo công thức: H − h L = (2.4) J Trong công thức (2.4): tb H: độ sâu mức n−ớc ngầm tính đến tầng không thấm h: Độ sâu mực n−ớc trong giếng Jtb: Độ dốc thuỷ lực trung bình của đ−ờng bão hoà Với hạt cát to Jtb = 0,003; với loại đất sét Jtb = 0,15 5.4.2.2. Dãy hầm tập trung n−ớc nằm song song hút n−ớc từ phía trên xuống Giả sử có một dãy hầm tập trung n−ớc song song có mặt cắt chữ nhật, hút n−ớc từ mặt đất thấm xuống. Khoảng cách giữa hai hầm bằng 2λ. Chiều rộng của hầm 2b0. L−u l−ợng thấm xuống đất là q'/1m dài. - L−u l−ợng thấm vào đ−ờng hầm tại mặt cắt nào đó biến đổi theo tọa độ x và bằng: Qx = (λ - x)q' (2.5) Theo định luật Darcy: dz Q = KWJ = KZ.l x dx (2.6) Cân bằng giữa (2.5) và (2.6): dz ()λ − x q'= KZ dx Phân ly biến số và tích phân, ta đ−ợc ph−ơng trình đ−ờng mặt n−ớc ngầm khi tiêu: 2λ q' Z2 − h 2 = q'(x − b ) − (x 2 − b 2 ) K 0 K 0 Khi x = λ, ta xác định đ−ợc toạ độ Z0: q' Z 2 = ( λ − b ) 2 + h 2 (2.7) 0 K 0 Hình 5.17. Hầm tập trung n−ớc song song 103
Bài tập áp dụng phần 5.3 và 5.4 của ch−ơng 5 1. Để xác định l−u l−ợng của dòng n−ớc ngầm vào một vùng trũng, ng−ời ta khoan hai lỗ thăm dò cách nhau l = 800m. Tại hai lỗ khoan đó, đo đ−ợc cao trình mặt n−ớc ngầm và tầng không thấm là: y1 = 19,62m; y2 = 9,4m; Y01 =15,8m; Y02 = 9,4m. Tìm l−u l−ợng của dòng n−ớc ngầm? Biết hệ số thấm của đất K = 40m/ng.d. (ĐS: q= 1,59m3/ng.d.) 2. Một giếng n−ớc phun hoàn chỉnh có bề dày tầng chứa n−ớc là t = 15,9m và độ sâu hút n−ớc trong giếng S = 0,5m. Xác định l−u l−ợng có thể lấy ra khỏi giếng? Biết đ−ờng kính của giếng d = 25,4 cm, bán kính ảnh h−ởng R = 100m; k = 40m/ng.d. (ĐS: Q = 34,6l/s). 3. Một giếng n−ớc phun hoàn chỉnh có chiều dày tầng chứa n−ớc t = 8,0m. Đ−ờng kính giếng d = 0,2m và bán kính ảnh h−ởng của giếng là R = 100m. Khi khai thác, l−u l−ợng giếng Q= 2 l/s thì độ sâu hút n−ớc trong giếng là bao nhiêu? Biết K=24,05 m/ng.d. (ĐS: S = 1m). 4. Một giếng n−ớc phun hoàn chỉnh có bề dày tầng chứa n−ớc t = 38,69m và đ−ờng kính của giếng là d=0,1m. Khi lấy ra l−u l−ợng Q= 9,8 l/s thì độ sâu hút n−ớc trong giếng S=1m. Kiểm tra lại hệ số thấm của đất? Biết bán kính ảnh h−ởng của giếng R = 100m. (ĐS : K = 26,4 m/ng.d). 5. Một giếng n−ớc phun không hoàn chỉnh có chiều sâu của giếng ăn vào tầng thấm n−ớc a = 8,0m. Đ−ờng kính của giếng d = 0,2m. Tìm l−u l−ợng lấy ra khỏi giếng? Cho biết tầng thấm dày t = 38,69m. Độ sâu hút n−ớc S = 1m, bán kính ảnh h−ởng R = 100m và hệ số thấm của đất K = 24,65 m/ng.d (ĐS: Q = 3,18 l/s). 6. Một giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh có đ−ờng kính d = 30,5cm. Khi hút n−ớc thì độ sâu hút n−ớc là S = 4,0m. Tìm l−u l−ợng t−ơng ứng? Cho biết độ sâu lớp n−ớc bão hoà H = 14m, bán kính ảnh h−ởng R = 300m và hệ số thấm của đất K = 20m/ng.d (ĐS: Q = 9,2l/s). 7. Một giếng n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh có d = 0,152m và độ sâu tầng bão hoà H = 15,86m. Nếu lấy ra l−u l−ợng Q = 6,1 l/s thì độ sâu hút n−ớc là bao nhiêu? Cho biết hệ số thấm của đất K = 0,00012m/s. (ĐS: S = 4,0m). 8. Một giếng n−ớc ngầm th−ờng không hoàn chỉnh có chiều sâu tầng bão hoà n−ớc H = 18,96m. Tìm l−u l−ợng lấy ra khỏi giếng khi độ sâu hút n−ớc S = 4,5m. Mực n−ớc trong giếng là h = 7,5m. Biết giếng có đ−ờng kính d = 0,152m và hệ số thấm của đất K = 0,00012m/s. (ĐS: Q = 5,59 l/s). 9. Một giếng tiêu n−ớc ngầm th−ờng hoàn chỉnh có đ−ờng kính d = 0,2m. Khi tiêu n−ớc vào, n−ớc trong giếng nâng cao so với mức n−ớc ngầm thiên nhiên S = 3,0m. Hỏi l−u l−ợng đ−a vào giếng là bao nhiêu? Biết độ sâu tầng bão hoà n−ớc H = 9,0m, hệ số thấm K = 30m/ng.đ và bán kính ảnh h−ởng của giếng là R = 100m. (ĐS: Q = 10l/s) 10. Một hầm tập trung n−ớc dài l = 150m đặt ngay trên tầng không thấm nằm ngang. Lớp n−ớc bão hoà dày H = 3,0m, lớp n−ớc trong hầm sâu h = 0,2m. Tìm l−u l−ợng tập trung vào hầm? Cho biết giới hạn ảnh h−ởng của hầm L = 75m và hệ số thấm K = 4m/ng.d. (ĐS: Q = 71,68m3/ng.d). 104
11. Một hầm tập trung n−ớc đặt ngay trên tầng không thấm nằm ngang có lớp n−ớc bão hoà H = 4,0m. Tìm l−u l−ợng thấm đơn vị q tập trung vào đ−ờng hầm trong hai tr−ờng hợp: Giới hạn ảnh h−ởng của hầm lần l−ợt là L = 16m và L = 90m. Biết K = 6m/ng.d và độ sâu lớp n−ớc trong hầm 0,5m (ĐS: L = 16m, q = 5,9m3/ng.d; khi L = 90m, q = 1,05m3/ng.d). 5.5. Một số ph−ơng pháp thực tế xác định l−u l−ợng của một tầng chứa n−ớc ngầm 5.5.1. Xác định l−u l−ợng theo công thức của DARCY - Khi n−ớc ngầm di chuyển trong một tầng chứa n−ớc đồng nhất. Ta tính Q theo công thức của Darcy: Q = k.J.W (1.1) hoặc q = k.J.h Trong đó: Q- L−u l−ợng của dòng chảy ngầm q- L−u l−ợng đơn vị (trên một đơn vị chiều rộng) K- Hệ số thấm của đất J- Độ dốc thuỷ lực W- Tiết diện ngang của dòng ngầm h- Chiều dày của tầng chứa n−ớc. - Khi tầng chứa n−ớc nằm nghiêng, công thức Darcy đ−ợc biến thành nh− sau: q = k.J.h.cosα (1.2) α là góc nghiêng của tầng chứa n−ớc so với ph−ơng nằm ngang. Công thức (1-2) đ−ợc áp dụng khi α > 100. Nếu α < 100 ta vẫn sử dụng công thức (1.1) vì kết quả tính toán ra, sai số không v−ợt quá 2%. - Tr−ờng hợp chiều dày tầng chứa n−ớc thay đổi, xác định l−u l−ợng theo công thức: h + h q = k . J 1 2 (1.3) 2 Trong đó h1 và h2 là 2 vị trí dùng để xác định J. 5.5.2. Tính toán l−u l−ợng theo tốc độ thực Q = Vr.ϕ hay q = Vr. ϕ.h Trong đó: Q- L−u l−ợng của dòng chảy Vr - Tốc độ thực của dòng n−ớc q- L−u l−ợng đơn vị W- Tiết diện ngang của dòng ngầm h- Chiều dày của tầng chứa ϕ- Độ rỗng có hiệu quả của tầng chứa n−ớc. 105
Vr và ϕ th−ờng đ−ợc xác định theo giá trị bình quân: 1 1 V = [] V + V và ϕ = [ϕ(i−1) + ϕi ] r 2 r(i−1) n 2 5.5.3. Tính toán l−u l−ợng theo ảnh h−ởng của giếng Q Q = B . e p (3.1) Trong công thức (3.1): 2R B- Chiều rộng của tiết diện n−ớc chảy Qp- L−u l−ợng của giếng e- Hệ số hiệu chỉnh, th−ờng lấy giá trị e = 3 R- Bán kính ảnh h−ởng của giếng đ−ợc xác định theo công thức (1.5) hoặc (1.6) trong ch−ơng 4. 5.5.4. Tính toán l−u l−ợng theo ph−ơng pháp Malisevsky (Nga) Q + Q q = 1 2 (4.1) Trong công thức (4.1): 2l q- L−u l−ợng đơn vị của dòng chảy Q1- L−u l−ợng của giếng 1 Q2- L−u l−ợng của giếng 2 L- Khoảng cách giữa 2 giếng 1 và 2 Ph−ơng pháp này dựa vào sự quan sát l−u l−ợng có thể khai thác đ−ợc ở 2 giếng. 5.5.5. Sự thay đổi l−u l−ợng của dòng ngầm L−u l−ợng của dòng n−ớc ngầm qua cùng một mặt cắt có thể thay đổi theo mùa và theo năm. Sự thay đổi này phụ thuộc vào sự thay đổi độ dốc thuỷ lực, có nghĩa là phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của dòng n−ớc. Mặt khác đối với dòng n−ớc ngầm tự do, độ dày của tầng chứa n−ớc cũng thay đổi theo và do đó dẫn đến sự thay đổi l−u l−ợng của dòng n−ớc ngầm. Để xác định l−u l−ợng thay đổi của dòng n−ớc ngầm, ta phải có các tài liệu quan sát về chế độ thay đổi mực n−ớc, về độ dốc thuỷ lực và vận tốc dòng n−ớc. L−u l−ợng lớn nhất của dòng n−ớc ngầm đ−ợc xác định theo hệ thức: J Q = Q max (5.1) max J Trong đó: Q- L−u l−ợng đã biết phù hợp với độ dốc thuỷ lực J Jmax- Độ dốc thuỷ lực lớn nhất của dòng ngầm. 5.5.6. Đánh giá các ph−ong pháp xác định l−u l−ợng - Công thức Darcy đ−ợc sử dụng khi tầng chứa n−ớc nằm không sâu. - Công thức tính Q theo tốc độ thực đ−ợc áp dụng khi tầng chứa n−ớc t−ơng đối đồng nhất và xốp. 106
- Công thức tính Q theo ảnh h−ởng của các giếng chỉ có giá trị gần đúng. - Công thức của giáo s− Malisevsky không đ−ợc chứng minh về lý thuyết. 5.6. Khả năng cung cấp n−ớc từ nguồn n−ớc ngầm vào tầng đất canh tác 5.6.1. Trữ l−ợng cung cấp N−ớc leo mao dẫn từ n−ớc ngầm có thể đ−ợc sử dụng đ−ợc ở lớp đất hoạt tính của cây trồng, phụ thuộc vào độ sâu mức n−ớc ngầm, đặc tính mao dẫn và trạng thái ẩm của đất. Để xác định chính xác l−ợng n−ớc này cần tiến hành những nghiên cứu chi tiết về đất và n−ớc, đặc biệt về tính mao dẫn của đất. Về lý thuyết, các tác giả Ritema (1965) và Benetin (1970) đã đ−a ra biểu thức toán học xác định quan hệ giữa độ sâu mức n−ớc ngầm và dòng mao dẫn thâm nhập vào vùng đất hoạt tính của cây trồng sau đây: 1 q k + K f K f .h wn Z = ln + (1.1) q K −α ( hw−hwn ) q K α k + f .e k + f Trong đó: Z- Độ sâu trên mức n−ớc ngầm, tính từ mặt đất đến mặt n−ớc ngầm. qk- Dòng mao dẫn thâm nhập vào vùng rễ cây trồng, phụ thuộc độ cao Z (m/s, mm/ng.d) -α(hw-hwn) K = Kfe K- Độ dẫn suất thuỷ lực của đất khi độ ẩm của đất là θ. Kf- Độ dẫn suất thuỷ lực của đất khi đất ở trạng thái bão hoà. hw- áp lực hút n−ớc của đất t−ơng ứng với độ ẩm θ. hwn- áp lực hút n−ớc của đất t−ơng ứng khi độ ẩm đất gần đạt giá trị độ ẩm bão hoà. α = 0,1 ữ 0,02 (đất nhẹ: α lớn; đất nặng: α nhỏ) Dựa theo công thức (1.1), ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Z, qk và hw nh− hình 5.18. Z 15 14 - 1 d - 1 13 m d 0 m m ) . m 12 0 .1 m 0 ( 11 - 1 ầm m d 10 0 .5 m ng 9 - 1 ớc d 8 1 m m nu c 7 - 1 ự 2 m m d 6 m 3 m m d - 1 u 5 4mmd-1 -1 4 5mmd Độ sâ 3 2 1 hw á p lực hút nuớc 0 1234567891011121314 15 của đất (K pa) Hình 5.18. Sơ đồ khả năng cung cấp n−ớc ngầm 107
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa độ sâu mực n−ớc ngầm, dòng mao dẫn (qk) và áp lực hút n−ớc của đất đối với đất cát khi Kf = 0,01m/ng. Dựa theo đồ thị này, khi biết các giá trị Z và hw, ta tra đ−ợc các giá trị qk. Cuối cùng khi biết khoảng thời gian ∆t, ta xác định đ−ợc l−ợng n−ớc thâm nhập vào vùng đất chứa bộ rễ cây trồng ∆wk: ∆wk = qk. ∆t (1.2) Bảng d−ới đây giới thiệu một số kết quả có tính chất định h−ớng của qk trên một số loại đất (theo Benelin,1973. Giáo trình t−ới n−ớc - Tiệp 1979). qk (mm/ngày) Loại đất Độ sâu n−ớc ngầm (m) 5 2,5 1 0,5 Đất cát 0,35 - 0,7 0,40 - 0,75 0,45 - 0,85 0,5 - 0,9 Cát pha sét 0,7 - 0,9 0,75 - 1,00 0,85 - 1,05 0,9 - 1,10 Sét 0,7 - 1,0 0,80 - 1,10 0,95 - 1,15 1,0 - 1,25 Việc tính toán ∆wk theo hệ (1.2) khá phức tạp. Trong việc lập dự án t−ới không đủ số liệu để tính. Vì vậy Benetin đề xuất xác định ∆wk theo những đại l−ợng khác nhau dễ tìm hơn: h − h r n Wm − Wv m ∆ wk = E ( etp ) = Eet ( 1 − ) ( 1 − ) (1-3) h kr − h r Wkh − Wh Trong đó: E(etp): L−ợng n−ớc ngầm cây trồng hấp thụ qua bộ rễ để bốc hơi mặt lá và l−ợng n−ớc bốc hơi khoảng trống Eet: Bốc hơi mặt lá và khoảng trống của cây trồng h: Độ sâu n−ớc ngầm tính từ mặt đất đến mặt n−ớc ngầm hr: Chiều sâu n−ớc ngầm khi có dòng mao dẫn do n−ớc ngầm cung cấp đủ để thoả mãn l−ợng bốc hơi mặt lá và khoảng trống của cây trồng hkr: Độ sâu tiêu chuẩn của n−ớc ngầm. ở độ sâu này, dòng mao dẫn từ n−ớc ngầm ngừng bổ sung n−ớc cho việc bốc hơi mặt lá và khoảng trống hkr = H(KSD) + hu H(KSD): Chiều dày lớp đất khi độ ẩm đất đạt t−ơng ứng với điểm dừng mao dẫn cho phép (điểm nguy hiểm) hu: Chiều dày tầng đất chứa bộ rễ cây trồng Wm: Trữ l−ợng n−ớc trong tầng đất chứa bộ rễ cây trồng tại thời điểm nào đó Wu: Trữ l−ợng n−ớc trong tầng đất chứa bộ rễ cây trồng t−ơng ứng với điểm héo khi không t−ới hoặc tr−ớc lúc t−ới Wkh: Trữ l−ợng n−ớc ttrong tầng đất chứa bộ rễ cây trồng khi n−ớc ngầm nằm ở độ sâu h, t−ơng ứng với độ ẩm θks n, m: Hệ số (đất cát n = 3; đất thịt trung bình và nặng n = 2, m = 1) 108
hr: Xác định theo hệ thức: hr = 0,33hu + hd Trong đó: hd là độ sâu n−ớc ngầm t−ơng ứng với độ ẩm ở đó dòng mao dẫn (từ n−ớc ngầm) bằng 1/2 c−ờng độ bốc hơi mặt lá và khoảng trống. Lúc này hd t−ơng ứng với giá trị Z xác định theo (1-1). 5.6.2. Độ cao leo từ n−ớc ngầm Phần trên đã trình bày l−ợng n−ớc ngầm có khả năng thâm nhập vào vùng đất chứa bô rễ cây trồng. Trong phần này chúng ta tiếp tục nghiên cứu độ cao leo từ n−ớc ngầm. Nguyên nhân tạo ra sự leo của n−ớc ngầm là do sự chênh lệch áp lực bề mặt ở mặt n−ớc ngầm và mặt lõm nơi n−ớc leo lên. Tốc độ leo lúc đầu khá nhanh, chậm dần và cuối cùng dừng lại khi có sự cân bằng giữa lực mao dẫn và trọng lực. Tính toán lý thuyết độ cao leo: Đối với đất lý t−ởng, các hạt đất dạng hình cầu, có kích th−ớc đồng đều, độ cao leo đ−ợc xác định theo hệ thức: 0,15 H = (2.1) r Trong đó: H- Cột n−ớc leo từ mực n−ớc ngầm (cm) r- Bán kính ống mao quản (cm). Ta chứng minh hệ thức này nh− sau: Giả sử có một ống mao quản hình trụ nhúng vào một chậu n−ớc. Do chênh lệch áp lực bề mặt nơi tiếp xúc giữa mặt n−ớc và ống trụ, n−ớc dâng cao trong ống trụ đến độ cao h thì dừng lại. Khi có sự cân bằng giữa trọng l−ợng khối chất lỏng và lực do sức căng bề mặt gây ra. Xuất phát từ lý luận trên, ta có hệ thức sau đây: 2π.r.T = π.r2.H.γ (2.2) Trong đó: r- Bán kính ống mao quản hình trụ (cm) T- Sức căng bề mặt của n−ớc. Khi nhiệt độ n−ớc 200C, T = 72,8dyn.cm 2π.r.T- áp lực n−ớc do sức căng bề mặt gây ra H- Độ dâng cao cột n−ớc (cm) γ- Trọng l−ợng riêng của n−ớc γ = ρ.g = 1 g/cm3.981 cm/s2 = 981 dyn/cm3 ρ- Khối l−ợng riêng của n−ớc (1g/cm3) g- Gia tốc rơi tự do (981cm/s2). Thay các giá trị trên vào (2.2) ta đ−ợc: 2π.r.T = π.r2.H.γ 2T 2.72,8dyn / cm H = = γr 981dyn / cm 3.r 0,15 H = r 109
Hình 5.19. Sơ đồ thí nghiệm độ cao leo n−ớc ngầm - Khi đất có cấu trúc dạng khối lập ph−ơng, quan hệ giữa kích th−ớc các lỗ rỗng, các hạt đất và độ lớn các hạt đất nh− sau: rmin = 0,14R rmax = 0,73R Trong đó: r là bán kính khe rỗng giữa các hạt đất và R là bán kính các hạt đất. Khi đó cột n−ớc leo đạt tới giá trị lớn nhất và nhỏ nhất lần l−ợt là: 0,15 0,73 H = = max 0,41R D 0,15 0,41 H = = min 0,73D D Trong đó: D là đ−ờng kính hạt đất (cm) - Khi đất có cấu trúc dạng lục lăng: rmin = 0,155R rmax = 0,288R Cột n−ớc leo lớn nhất và nhỏ nhất từ n−ớc ngầm lần l−ợt đạt các giá trị sau đây: 0,41 1,93 ≤ H ≤ D D hay 0,41 ≤ H.D ≤ 1,93 Quan hệ vừa xác định chỉ có giá trị lý thuyết cũng nh− định h−ớng ban đầu của công tác quy hoạch nguồn n−ớc ngầm. Các thực nghiệm thực tế cho thấy độ cao leo của n−ớc ngầm có thể lên tới 3 -5 m tuỳ theo loại đất. 110
Ch−ơng VI Nhu cầu n−ớc của các ngành kinh tế 6.1. Tần suất cấp n−ớc 6.1.1. Khái niệm về tần suất Tần suất xuất hiện của biến cố A trong một lần khảo nghiệm là tỷ số % giữa số lần xuất hiện của biến cố đó khi số lần thực hiện tăng lên vô hạn. Tần suất đ−ợc xác định theo công thức: m P = .100 (%) (6.1) (A) n Trong đó: m- Số lần xuất hiện của biến cố A n- Số lần thực nghiệm hoặc quan trắc. Ví dụ: Ta có l−u l−ợng bình quân trong 1 tháng của 15 năm tại một vị trí trên sông nh− bảng 6.1. Bảng 6.1. L−u l−ợng bình quân tháng của 15 năm TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Q 15 14,5 14 13,8 13,5 13 12,5 12 11,8 11 10,6 10 9,8 9,5 9 (m3/s) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 P(%) 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Sắp xếp giá trị l−u l−ợng Q (m3/s) trong bảng từ lớn đến nhỏ và tính tần suất P theo công thức (6.1) ta đ−ợc các giá trị t−ơng ứng. Với mỗi giá trị Q trong bảng, ta thấy khả năng xuất hiện là nh− nhau P = 1/15 x 100 = 6,6%. Đối với l−u l−ợng Q ≥ 12 m3/s, tần suất xuất hiện sẽ là: 8 3 1 P()Q ≥ 12 m / s = ∑ Pi = 8. .100 = 56% i=1 15 Trong thực tế ng−ời ta th−ờng sử dụng công thức vọng số để xác định tần suất. m P = .100(%) n + 1 (6.2) Trong đó: m- Số thứ tự của biến cố đ−ợc sắp xếp từ lớn đến nhỏ n- Số năm quan trắc. Vẫn số liệu ở bảng (6.1), dùng công thức (6.2) ta xác định đ−ợc tần suất xuất hiện t−ơng ứng với giá trị l−u l−ợng của từng năm nh− trong bảng 6.2. Bảng 6.2. Tần suất xuất hiện qua các tháng TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Q(m3/s) 15 14,5 14 13,8 13,5 13 12,5 12 11,8 11 10,6 10 9,8 9,5 9 P(%) 6,25 12,5 18,7 25 31,2 37,5 43,7 50 56,2 62,5 68,75 75 87,2 87,5 93,7 135
Với số liệu ở bảng 6.2, ta có thể vẽ đ−ợc đ−ờng quan hệ giữa l−u l−ợng và tần suất. 6.1.2. Tần suất cấp n−ớc Bất cứ công trình khai thác tài nguyên n−ớc nào, khi đ−ợc thiết kế, tần suất cấp n−ớc (còn gọi là tần suất bảo đảm) cũng đ−ợc đặt ra. Đó là tỷ lệ phần trăm thời gian mà công trình đảm bảo đ−ợc công suất cấp n−ớc thiết kế trong bất cứ điều kiện thời tiết nào. Nói chung, tần suất cấp n−ớc càng lớn thì quy mô công trình càng lớn và phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình cấp n−ớc đối với yêu cầu của nền kinh tế quốc dân. Tần suất cấp n−ớc cho một số ngành th−ờng đ−ợc chọn nh− sau: Cấp n−ớc sinh hoạt và đô thịP = 95 - 98 % Cấp n−ớc thuỷ điệnP = 85 - 95 % Cấp n−ớc t−ới n−ớcP = 75 - 85 % Cấp n−ớc giao thông thuỷP = 95 - 98 % Cấp n−ớc thuỷ sảnP = 75 - 85 % 6.2. Nhu cầu cấp n−ớc cho ăn uống và sinh hoạt 6.2.1. Đối t−ợng và chất l−ợng n−ớc Đối t−ợng cấp n−ớc gồm các khu dân c−, khu th−ơng mại, các văn phòng công sở Nhà n−ớc, công nhân trong các phân x−ởng sản xuất, nhà tắm công cộng, bệnh viện, công viên và v−ờn hoa. - Về chất l−ợng: yêu cầu n−ớc phải đảm bảo các tiêu chuẩn sinh học và hoá học. Đó là loại n−ớc không gây nguy hiểm cho cơ thể ng−ời. Theo quan điểm vi khuẩn, n−ớc không chứa các mầm mống. Theo quan điểm hoá học, n−ớc không chứa các chất độc hại cho cơ thể ng−ời. Tóm lại n−ớc phải đảm bảo các tiêu chuẩn do Bộ Y tế quy định. 6.2.2. Tiêu chuẩn cấp n−ớc cho sinh hoạt Bảng 6.3 và 6.4 giới thiệu định mức cấp n−ớc cho một số đối t−ợng theo tiêu chuẩn của Nga (Liên Xô cũ). Bảng 6.3. Định mức cấp n−ớc cho một số đối t−ợng Mức yêu cầu Hệ số không đều Hệ số không đều Đối t−ợng Đơn vị tính (lít/ngày) ngày (Kng) giờ (Kh) Nhà tắm 1 ng−ời 150 - 175 1,00 1,00 Nhà ăn 1 ng−ời 15 - 25 1,15 1,15 Bệnh xá 1 gi−ờng bệnh 100 - 150 1,15 2,50 Tr−ờng học 1 học sinh 10 - 15 1,50 2,15 V−ờn trẻ 1 trẻ 40 - 50 1,40 Rạp chiếu bóng 1 chỗ 7 - 10 1,40 Đại gia súc 1 đầu con 50 1,20 1,40 Lợn 1 đầu con 30 1,25 1,35 Tiểu gia súc 1 đầu con 5 - 10 1,25 1,35 136
Bảng 6.4. Định mức cấp n−ớc cho khu dân c− L−u l−ợng l/ng−ời - ngày Hệ số không đều Đặc điểm Trung bình Lớn nhất Kng (ngày) Kh (giờ) 1. Hệ thống đ−ờng ống cấp n−ớc tới khu dân c−, 15 140 - 170 1,1 1,4 - 1,5 không có nhà tắm công cộng 2. Hệ thống đ−ờng ống cấp n−ớc tới khu dân c− 180 - 200 200 - 250 1,1 1,25 - 1,30 có nhà tắm công cộng 3. Hệ thống đ−ờng ống cấp n−ớc tới khu dân c− có 270 - 400 300 - 420 1 - 1,05 1,20 - 1,25 nhà tắm công cộng và hệ thống cấp n−ớc nóng L−ợng n−ớc cần cung cấp trong một ngày của hệ thống cấp n−ớc đ−ợc xác định theo công thức (6.3). W = q . N . Kng . Kh (6.3) Trong đó: q - Tiêu chuẩn cấp n−ớc trong 1 ngày cho một ng−ời N - Số dân trong khu vực cấp n−ớc (ng−ời) Kng- Hệ số không đều trong ngày Kh- Hệ số không đều trong giờ. Có W, ta xác định đ−ợc l−u l−ợng cần cung cấp Q: W Q = (6.4) t Trong đó: Q đ−ợc tính bằng m3/s hoặc l/s. W l−ợng n−ớc cần cung cấp (m3 hoặc l) t thời gian tính bằng giây trong ngày 6.3. Nhu cầu cấp n−ớc cho công nghiệp 6.3.1. Yêu cầu về chất l−ợng Theo Viện nghiên cứu bảo vệ nguồn n−ớc của Liên Xô cũ, để đánh giá chất l−ợng n−ớc cho các ngành kinh tế nói chung và cho công nghiệp nói riêng, các chỉ tiêu sau đây đ−ợc sử dụng: It: Chỉ tiêu chất l−ợng tổng hợp của n−ớc, tuỳ thuộc ngành sử dụng Ivs : Chỉ tiêu vệ sinh chung Io : Chỉ tiêu về ô nhiễm. Bảng 6.5. Giới thiệu chất l−ợng n−ớc cho các ngành theo các chỉ tiêu trên Chỉ tiêu và ngành Trạng thái n−ớc và khả năng sử dụng sử dụng Rất sạch Sạch Kém sạch Nhiễm bẩn Ô nhiễm Chỉ tiêu chất l−ợng 5 4 3 2 1 It 5 4 - 5 2,5 - 4 1,5 - 2,0 < 1,5 Ivs 5 4 - 5 3,5 - 4 2,0 - 3,5 < 2,0 Io Ngành sử dụng 1. N−ớc sinh hoạt Sử dụng đ−ợc Sử dụng Sử dụng đ−ợc cần Chỉ sử dụng khi có xử Không sử dụng đ−ợc cần chống vi đ−ợc cần xử làm sạch vi sinh lý đặc biệt và thấy có khuẩn xâm nhập lý clo lợi 2. N−ớc cho Sử dụng đ−ợc Sử dụng Sử dụng đ−ợc Chỉ một số ít ngành Chỉ sử dụng đ−ợc công nghiệp đ−ợc sau khi đã xử lý 137
6.3.2. Định mức cấp n−ớc cho công nghiệp L−ợng n−ớc cấp cho công nghiệp thay đổi phụ thuộc vào loại nhà máy. Nói cách khác l−ợng n−ớc này phụ thuộc vào nhu cầu n−ớc đối với quy trình công nghệ sản xuất ra sản phẩm công nghiệp của từng ngành. Ngoài ra l−ợng n−ớc cấp cũng thay đổi theo mùa (ở những đơn vị sử dụng n−ớc làm mát máy hoặc hạ thấp nhiệt độ của sản phẩm). Bảng 6.6 giới thiệu định mức cấp n−ớc cho một số nhà máy công nghiệp của Nga. Bảng 6.6. Định mức cấp n−ớc cho công nghiệp TT Loại nhà máy Đơn vị tính Mức yêu cầu (m3) 1 Luyện kim màu 1 tấn sản phẩm 4000 2 Nhà máy giấy 1 kg giấy 0,4 - 0,8 3 Nhà máy dệt 1 kg sợi hoá học 2,5 - 5,0 1 m vải sợi bông 0,02 - 0,05 4 Nhà máy phân đạm 1 tấn sản phẩm 500 - 700 5 Nhà máy chế biến dầu thô 1 tấn sản phẩm 30 - 40 6 Nhà máy ô tô máy kéo Máy kéo 1 chiếc 0,12 - 0,20 Ô tô 1 chiếc 0,14 - 0,20 7 Nhà máy công cụ X−ởng cơ khí 1 cái 0,035 X−ởng nguội 1 cái 0,02 X−ởng rèn 1 cái 0,04 8 Xí nghiệp đ−ờng 1 kg 0,008 - 0,012 6.4. Nhu cầu cấp n−ớc trong nông nghiệp 6.4.1. Chất l−ợng n−ớc t−ới Các thông số để đánh giá độ thích hợp của n−ớc t−ới đối với cây trồng gồm các chỉ tiêu: Độ mặn, độ pH, các ion đặc biệt, các chất độc hại. 6.4.1.1. Độ mặn của n−ớc t−ới Độ mặn của n−ớc t−ới là tổng số các muối (mục 3.4 ch−ơng 3) hoà tan trong n−ớc t−ới. Độ mặn đ−ợc biểu thị bằng l−ợng muối hoà tan trong 1 đơn vị thể tích n−ớc (g/l) hoặc bằng độ dẫn điện EC (Electrical Conductivity) (ds/m). Phần lớn cây trồng đ−ợc phân thành các nhóm chịu mặn nh− trong bảng (6-7), trong đó EC biến đổi từ 1,3 - 10 ds/m). Giới hạn mặn cho phép nh− trong bảng 6.7, chủ yếu áp dụng cho các loại cây trồng ở giai đoạn chín. ở giai đoạn đầu của sự sinh tr−ởng, giới hạn cho phép th−ờng bị hạn chế hơn và th−ờng bị chi phối bởi điều kiện khí hậu. Nói chung cây trồng nhạy cảm với mặn hơn trong điều kiện khí hậu khô và nóng so với khí hậu mát và ẩm −ớt. Ph−ơng pháp t−ới cũng có ảnh h−ởng tới tác động của mặn. Khi t−ới nhỏ giọt, n−ớc mặn có thể gây ít thiệt hại với cây trồng hơn là t−ới phun m−a. 138
Bảng 6.7. Độ mặn cho phép của các nhóm cây trồng Nhóm cây trồng phản ứng mặn Ng−ỡng EC (ds/m) (bắt đầu có tổn thất) Nhạy cảm 1,3 Nhạy cảm trung bình 1,3 - 3 Chịu mặn trung bình 3 - 6 Chịu mặn 6 - 10 Nguồn: Ager và Westcol 1985. KK Janji and Bfaron. Management of water use in Agriculture, NewYork 1994. 6.4.1.2. Độ pH N−ớc với độ pH 8,3 là n−ớc có độ kiềm cao và chứa đựng Na2C03 cao. Nói chung giá trị thích hợp của pH là từ 5 - 8,5. 6.4.1.3. ảnh h−ởng của các ion đặc biệt Cây trồng có thể nhạy cảm với sự có mặt của nhiều ion đặc biệt trong n−ớc t−ới. + 2+ - 2- Thậm chí một sự tập trung ở mức độ trung bình của các ion nh− Na , Ca , Cl và S04 cũng có thể giảm sự sinh tr−ởng và gây ra tổn thất đặc biệt. Đối với nhóm cây trồng nhạy cảm, l−ợng Na và Cl > 3 mg/l đã gây độc hại cho chúng. L−ợng natri trao đổi (SAR) cũng là một chỉ tiêu để đánh giá chất l−ợng n−ớc (ch−ơng 3). 6.4.1.4. Các nguyên tố vi l−ợng Một số nguyên tố vi l−ợng có thể có mặt trong n−ớc t−ới nh−ng chỉ ở mức độ nhất định. Pratt và SnaRez giới thiệu giới hạn cho phép của các nguyên tố vi l−ợng trong bảng 6.8. Bảng 6.8. Nguyên tố vi l−ợng trong n−ớc t−ới Nguyên tố Hàm l−ợng lớn nhất (mg/l) Chì 5,00 flo 1,00 kẽm 0,50 Mangan 0,20 Crom 0,10 Selen 0,02 Cadimi 0,01 139
Bảng 6.9. Giới thiệu tiêu chuẩn n−ớc t−ới do tr−ờng Đại học tổng hợp California đề xuất (1985) Mức độ hạn chế sử dụng Chỉ tiêu Đơn vị Không Nhẹ đến T.bình Nặng - Độ mặn: EC ds/m 3,0 Hàm l−ợng muối mg/l 2000 - Đánh giá SAR và EC đồng thời SAR = 0 - 3 và EC > 0,7 > 0,7 0,7 - 0,2 1,2 > 1,2 1,2 - 0,3 1,9 > 1,9 1,9 - 0,5 2,9 > 2,9 2,9 - 1,3 5,0 > 5,0 5,0 - 2,9 9 T−ới phun m−a mg/l 70 - Bor (B) mg/l 3 - Nitrogen mg/l 30 - Bicarbonate (HC03) mg/l 500 - pH Bình th−ờng từ 6,5 - 8,4 - Clor mg/l 5 6.4.2. Xác định nhu cầu t−ới IR (Irrigation Requirement) 6.4.2.1. Bốc hơi mặt lá và khoảng trống Trong các thành phần hao n−ớc trên đồng ruộng, l−ợng bốc hơi mặt lá và khoảng trống chiếm tỷ lệ lớn nhất. Đó là tổng l−ợng n−ớc do cây trồng sử dụng (tạo ra cơ thể và thoát hơi qua lá) và bốc hơi mặt đất. Thành phần này đ−ợc ký hiệu ET, đơn vị m3/ha hoặc mm cột n−ớc. Để xác định đ−ợc ET cần phải biết l−ợng bốc hơi mặt lá và bốc hơi khoảng trống tiềm năng ETp. (evapotranspiration potential). - Bốc hơi mặt lá và bốc hơi khoảng trống tiềm năng: L−ợng bốc hơi phù hợp với hai giả thiết sau đây: Một là độ ẩm trong đất xấp xỉ độ ẩm đồng ruộng, hai là sự phát triển của cây trồng đạt tới giá trị tối −u. - Xác định ET theo công thức: ET = Kc (ETp) (mm) (6.5) 140
Trong đó, Kc là hệ số cây trồng, phụ thuộc vào loại cây trồng và thời gian sinh tr−ởng, đ−ợc biểu thị nh− trên hình 6.1. Kc Bắt đầu dùng nuớc Kết thúc dùng nuớc Đầu vụ Giữa vụ Cuối vụ Thời gian sinh tr−ởng Hình 6.1. Bốc hơi qua lá và khoảng trống J.Dro venbos và W.0.pruitt (Irrigation System Design- AIT. 1987) đã tính sẵn Kc cho từng loại cây trồng nh− trong bảng 6.10 và 6.11. Bảng 6.10. Tính Kc cho lúa vùng châu á Thời gian Thời gian Từ tháng thứ nhất Mùa, vụ Giữa vụ 4 tuần cuối trồng thu hoạch đến tháng thứ 2 Mùa m−a - Gió nhẹ Tháng 6, 7 Tháng 10, 11 1,10 1,05 0,95 - Gió mạnh 1,15 1,10 1,00 Mùa khô - Gió nhẹ Tháng 12, 1 Giữa tháng 5 1,00 1,25 1,00 - Gió mạnh 1,15 1,35 1,05 Bảng 6.11. Giá trị Kc của một số loại cây trồng Loại cây trồng Phạm vi biến đổi Giai đoạn quyết định Ngũ cốc và rau 0,20 - 1,25 0,95 - 1,25 Cây ăn quả 0,40 - 1,05 0,75 - 1,05 Nho 0,25 - 0,90 0,60 - 0,90 - Xác định l−ợng bốc hơi mặt lá và khoảng trống tiềm năng ETp. Có nhiều công thức xác định ETp. D−ới đây giới thiệu hai công thức Blaney - Cridle và Turce là những công thức dễ áp dụng, thuận lợi cho công tác quy hoạch ban đầu. 141
a. Công thức Blaney - Cridle (1945, Mỹ) 100 ETp = . t . p (mm) (6.6) k Trong đó: ETp- L−ợng bốc hơi mặt lá và bốc hơi khoảng trống tiềm năng (mm) t- Nhiệt độ bình quân hàng tháng p- Tỷ lệ phần trăm giữa số giờ chiếu sáng hàng ngày trong giai đoạn nghiên cứu so với tổng số giờ chiếu sáng cả năm K- Hệ số tổng hợp các yếu tố khác không phân tích, đ−ợc xác định trong bảng 6.12. Bảng 6.12. Xác định K trong công thức Blaney - Cridle Giá trị K Loại cây trồng Vùng Duyên hải Vùng khô hạn Rau 0,70 0,70 Khoai tây 0,65 0,75 Ngô 0,75 0,85 Lúa n−ớc 1,00 1,20 Chanh 0,50 0,65 Lúa mì 0,75 0,85 b. Công thức Turce (1960, Pháp) t ETp = 0,40 (I + 50) (mm) (6.7) 0 t +15 Trong đó: ETp- Bốc hơi mặt lá và bốc hơi khoảng trống tiềm năng (mm/tháng) Io- Tổng bức xạ của tháng nghiên cứu tính bằng calo t- Nhiệt độ trung bình của tháng. Công thức (6.7) tính cho tháng có 30 và 31 ngày, tháng 2 có 28 ngày ta thay hệ số 0,40 bằng 0,37. Nếu tính l−ợng bốc hơi trong 10 ngày một thì thay bằng hệ số 0,13. Bảng 6.13 và 6.14 cho biết nhiệt độ và số giờ chiếu sáng bình quân tháng trong nhiều năm của một số tỉnh miền Bắc do Đài khí t−ợng Láng (Hà Nội) cung cấp. Bảng 6.13. Nhiệt độ t (oC) Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Địa điểm Hà Nội 16,6 17,2 19,9 23,5 27,2 28,7 28,7 28,2 27,2 24,6 21,2 17,4 Hải D−ơng 16,6 17,2 20,0 23,5 26,9 28,6 28,9 28,4 27,3 24,6 21,5 18,0 Vĩnh Yên 16,1 17,1 19,0 23,5 27,0 28,2 28,1 27,6 28,9 24,4 20,8 17,1 Nam Định 16,6 17,0 19,7 23,5 27,2 28,6 28,9 28,4 27,3 24,8 21,4 18,1 Thanh Hoá 17,3 17,6 19,9 23,5 27,1 28,9 28,8 28,2 27,0 24,5 21,7 18,6 Hà Tĩnh 18,0 18,2 20,8 21,2 27,5 29,1 29,1 28,5 28,9 24,2 21,6 18,9 142
Bảng 6.14. Giờ chiếu sáng (giờ/ngày) Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Địa điểm Hà Nội 2,7 1,8 1,7 3,1 6,2 5,5 6,1 5,6 5,8 5,6 5,0 3,8 Hải D−ơng 2,8 2,8 1,4 3,2 6,3 5,5 5,7 6,5 5,9 6,3 4,6 3,3 Vĩnh Yên 2,3 2,2 1,6 2,8 5,9 5,6 6,1 5,6 6,1 5,0 4,5 2,9 Nam Định 2,8 1,4 1,5 3,4 6,4 5,9 7,1 5,9 6,1 6,1 4,9 3,8 Thanh Hoá 2,9 2,0 1,8 3,4 5,9 6,5 6,8 5,6 5,3 5,3 4,2 3,9 Hà Tĩnh 3,8 2,9 3,1 3,3 7,1 6,5 7,5 4,8 4,7 4,7 3,3 2,5 6.4.2.2. Xác định nhu cầu t−ới tại mặt ruộng IR a. Tính toán cho lúa vụ xuân (đối với lúa mùa cách tính cũng t−ơng tự) IR = Wai + Wd (6.8) Trong đó: IR- Nhu cầu n−ớc cần cung cấp tại mặt ruộng cho lúa trong vụ (m3/ha) Wai- L−ợng n−ớc cần cung cấp để t−ới ải làm đất tr−ớc khi gieo cấy (m3/ha) Wd- L−ợng n−ớc để t−ới d−ỡng lúa, tính từ lúc cấy đến khi tháo n−ớc hoàn toàn khỏi ruộng lúa (m3/ha). - Xác định l−ợng t−ới ải: Wai 3 Wai = Wbh + W0 + 10.e.t + 10 a - 10 p (m /ha) (6.9) 3 Trong đó: Wbh- L−ợng n−ớc để bão hoà tầng đất h (m /ha) 4 Wbh = 10 h.d (θbh- θo) (6.10) h - Độ sâu lớp đất mặt ruộng cần làm bão hoà (m) d- Dung trọng đất (t/m3) θbh - Độ ẩm bão hoà đất θb - Độ ẩm ban đầu tr−ớc khi đ−a n−ớc, đ−ợc xác định theo % trọng l−ợng đất khô tuyệt đối (% TLĐK) 3 W0- L−ợng n−ớc ngấm ổn định trong thời gian làm ải (m /ha) e - C−ờng độ bốc hơi n−ớc (mm/ngày) t - Thời gian ngâm ải (ngày) a - Độ sâu lớp n−ớc tại mặt ruộng cần thiết tr−ớc khi cấy, th−ờng lấy bằng 30 mm p: L−ợng m−a rơi trong thời gian ngả ải (mm). Trong thời kỳ này, ở các tỉnh phía Bắc l−ợng m−a rất nhỏ, có thể coi bằng 0. Theo tài liệu thí nghiệm nhiều năm ở các trạm t−ới, Wai = 1500 - 1600 m3/ha ở vùng đồng bằng Bắc bộ và Wai = 1900 - 2000 m3/ha ở vùng trung du. 143
- Xác định l−ợng n−ớc t−ới d−ỡng: Wd 3 Wd = ET + W↓ + 10(a1 - a2) - 10 ∂.P (m /ha) (6.11) Trong đó: ET- L−ợng bốc hơi mặt lá và khoảng trống của cây trồng (m3/ha) W↓ - L−ợng n−ớc ngấm trên ruộng (m3/ha). W↓ =10 k.t k- Hệ số ngấm ổn định trên ruộng lúa (mm/ngày) k = 0,9-1 mm/ngày (vùng đồng bằng Bắc bộ) và k = 1 - 1,1 mm/ngày (vùng trung du) t- Thời gian giữ n−ớc (ngày) a1- độ sâu lớp n−ớc đầu vụ (mm) a2- độ sâu lớp n−ớc cuối vụ (mm) P- L−ợng m−a rơi trong vụ (mm), th−ờng đ−ợc tính theo tần suất m−a thiết kế (75-85%) hoặc lấy bình quân trong nhiều năm. ∂- Hệ số lợi dụng m−a, phụ thuộc vào công thức t−ới, mức t−ới trên ruộng tr−ớc khi m−a, khả năng dự báo thời tiết. ở vụ xuân, đầu thời vụ hệ số lợi dụng m−a lớn, cuối vụ hệ số lợi dụng m−a nhỏ. Trong cả vụ, theo Viện Khoa học thuỷ lợi thì ∂ = 0,4 - 0,7. b. Xác định nhu cầu t−ới cho cây trồng cạn IR Đối với cây trồng cạn, l−ợng n−ớc t−ới đ−ợc xác định theo công thức: IR = ET - (10 ∂.P + W↑ + Wdt) (m3/ha) (6.12) Trong đó: ET- L−ợng bốc hơi mặt lá và khoảng trống của cây trồng đ−ợc xác định theo công thức 6.5 P- L−ợng m−a rơi trong thời đoạn tính toán (mm), tính theo tần suất m−a hoặc bình quân trong nhiều năm ∂- Hệ số sử dụng m−a: ở đất nhẹ ∂ = 0,6 - 0,7; ở đất nặng ∂ = 0,4 - 0,5 W↑- L−ợng n−ớc ngầm có khả năng cung cấp cho cây trồng phụ thuộc vào loại đất và độ sâu mức n−ớc ngầm. Số liệu ở bảng 6.15 cho xác định đ−ợc W↑. Bảng 6.15. Khả năng cung cấp n−ớc ngầm Độ sâu n−ớc ngầm C−ờng độ n−ớc ngầm cung cấp (mm/ngày) (m) Loại đất 5 2,5 1 0,5 Cát 0,35 - 0,70 0,40 - 0,75 0,45 - 0,85 0,50 - 0,90 Sét pha cát 0,70 - 0,90 0,75 - 1,00 0,85 - 1,75 0,90 - 1,10 Sét 0,70 - 1,00 0,80 - 1,10 0,95 - 1,15 1,00 - 1,25 144
Wdt - L−ợng n−ớc dự trữ trong đất có thể cung cấp cho cây trồng 4 3 Wdt = 10 .h.d (θ1 - θ2) (m /ha) (6.13) Trong đó: h- Độ sâu lớp đất dự trữ ẩm, th−ờng lấy bằng 90% chiều dài bộ rễ cây trồng, đối với một số loại cây trồng ta xác định theo bảng 6.16 d- Dung trọng đất (t/m3). θ1, θ2 - Độ ẩm đất lần l−ợt ở đầu và cuối thời đoạn tính toán đ−ợc xác định theo % trọng l−ợng đất khô kiệt. Bảng 6.16. Chiều dài bộ rễ của một số cây trồng Cây trồng Chiều dài bộ rễ (m) Ngô: - Tr−ớc trỗ cờ 0,4 - 0,5 - Sau trỗ cờ 0,6 - 1,0 Cà chua, khoai tây: - Thời kỳ bén rễ 0,3 - 0,4 - Thời kỳ sinh tr−ởng 0,5 - 0,7 Bông: - Bình quân 0,5 - 0,6 6.4.2.3. Xác định số lần t−ới và thời gian t−ới mỗi lần IR Số lần t−ới tổng cộng trong vụ: N = (6.14) M Trong đó: N- Số lần t−ới cả vụ IR- Nhu cầu t−ới cho loại cây trồng nào đó trong vụ M- Mức t−ới một lần tại mặt ruộng. Đối với cây trồng cạn, đó là l−ợng n−ớc cần thiết đ−a vào ruộng để nâng độ ẩm đất từ giới hạn d−ới cho phép đến độ ẩm đồng ruộng. Đối với lúa, đó là l−ợng n−ớc cần thiết để nâng mức t−ới từ giới hạn d−ới lên giới hạn trên trong công thức t−ới. Muốn xác định số lần t−ới trong từng tháng, ta xác định nhu cầu t−ới của cây trồng trong tháng, chia cho mức t−ới mỗi lần. Thời gian kéo dài của 1 đợt t−ới t là thời gian t−ới hết mức t−ới mỗi lần (còn gọi là liều l−ợng t−ới): M t = (ngày) (6.15) et Trong đó: t- Thời gian t−ới (ngày) M- Mức t−ới mỗi lần (m3/ha hoặc mm) et: Bốc hơi mặt lá và khoảng trống bình quân ngày của cây trồng trong thời đoạn tính toán. 145
6.4.2.4. Xác định nhu cầu t−ới tại đầu nguồn Xác định nhu cầu t−ới tại đầu nguồn phải kể đến tổn thất n−ớc bao gồm tổn thất do bốc hơi, rò rỉ, thấm và đ−ợc xác định theo công thức (6.16): IRS = IR . K (6.16) Trong đó: IRS- Nhu cầu n−ớc t−ới tại đầu nguồn m3/ha của hệ thống (Irrigation Requirement of System) IR- Nhu cầu n−ớc tại mặt ruộng K- Hệ số tổn thất. K phụ thuộc vào ph−ơng pháp t−ới, đ−ợc xác định theo bảng (6.17). Bảng 6.17. Xác định hệ số K Ph−ơng pháp t−ới Giá trị K - Nhỏ giọt 1 - Phun m−a 1,15 - 1,25 - Rãnh 1,25 - 1,45 - Tràn 1,45 - 1,65 - Ngập 1,65 - 2,00 146
Ch−ơng VII Hệ thống t−ới tiêu n−ớc A. Hệ thống t−ới 7.1. Khái quát chung về hệ thống t−ới 7.1.1. Vai trò chức năng Hệ thống t−ới n−ớc là một tổng thể các bộ phận, các công trình và thiết bị làm nhiệm vụ lấy n−ớc từ nguồn chuyển và phân phối n−ớc đến từng khoảnh ruộng cần t−ới, đồng thời khi cần thiết có thể tháo đi l−ợng n−ớc thừa từ mặt ruộng đến nơi quy định. Hệ thống t−ới là cơ sở hạ tầng quan trọng phục vụ sản xuất nông nghiệp. Nhờ có hệ thống t−ới, hệ số sử dụng đất đ−ợc nâng cao, sản xuất nông nghiệp đ−ợc ổn định, vì vậy diện tích t−ới đ−ợc coi là một chỉ tiêu để đánh giá trình độ phát triển nhà n−ớc ở mỗi quốc gia. 7.1.2. Hệ số sử dụng đất, hệ số chiếm đất 7.1.2.1. Hệ số sử dụng đất Hệ số sử dụng đất biểu thị khả năng khai thác đất canh tác khi đầu t− xây dựng hệ thống t−ới và đ−ợc xác định theo công thức (7.1): F K = dt (7.1) sd F Trong đó: Ksd- Hệ số sử dụng đất Fđt- Diện tích đ−ợc t−ới gồm diện tích các loại cây trồng đ−ợc t−ới nhờ n−ớc của hệ thống t−ới F- Diện tích đất vùng đ−ợc t−ới bao gồm cả diện tích canh tác và diện tích chiếm đất của hệ thống t−ới tiêu. 7.1.2.2. Hệ số chiếm đất của hệ thống kênh Hệ số chiếm đất của hệ thống kênh đ−ợc xác định nh− sau: F K = cd (7.2) cd F Trong đó: Kcd- Hệ số chiếm đất của hệ thống t−ới tiêu Fcđ- Diện tích chiếm đất của hệ thống kênh t−ới và tiêu F- Diện tích đất vùng đ−ợc t−ới nh− trong công thức (7.1). Kcđ ≤ [Kcđ] Theo tiêu chuẩn thiết kế hệ thống kênh t−ới của Việt Nam TCVN 118-85, hệ số chiếm đất cho phép của các vùng canh tác đ−ợc xác định theo bảng 7.1. 135
Bảng 7.1. Hệ số chiếm dất cho phép Vùng [Kcđ] (%) 1. Cây l−ơng thực, rau - Miền núi 4 - 5 - Trung du và đồng bằng 5 - 7 2. Cây công nghiệp 3 - 4 3. Đồng cỏ 2 - 3 7.2. Hệ thống kênh t−ới 7.2.1. Những nguyên tắc chung khi bố trí mặt bằng hệ thống kênh t−ới (tóm tắt trong tiêu chuẩn thiết kế kênh Việt Nam) 1. Hệ thống kênh nhánh cần đ−ợc bố trí gọn trong một khu vực hành chính nh− huyện, xã, hợp tác xã, nông tr−ờng quốc doanh để tiện quản lý và phân phối n−ớc. 2. Nếu trong khu t−ới có nhiều vùng chuyên canh trồng các loại cây khác nhau nh− vùng chuyên lúa, chuyên màu hoặc cây công nghiệp ta cần bố trí kênh riêng biệt cho từng vùng. 3. Khi bố trí kênh cần xét tới việc cấp n−ớc cho nhiều ngành kinh tế khác nhau nhằm lợi dụng tổng hợp nguồn n−ớc. Ví dụ, có thể kết hợp t−ới với giao thông thuỷ, cung cấp n−ớc cho nông nghiệp hoặc phát điện. 4. Mạng l−ới kênh t−ới phải đ−ợc bố trí đồng thời với mạng l−ới kênh tiêu. 5. Kênh t−ới phải đ−ợc bố trí sao cho t−ới tự chảy đ−ợc nhiều diện tích nhất. 6. Mạng l−ới kênh cần đ−ợc đi qua những vùng đất tốt để kênh đ−ợc ổn định, đỡ tốn công xử lý. 7.2.2. Phân loại và ký hiệu 7.2.2.1. Phân loại Hệ thống kênh t−ới bao gồm các kênh chính, kênh nhánh cấp I, kênh nhánh cấp II, kênh nhánh cấp III và kênh cấp cuối cùng trên đồng ruộng là kênh cấp IV còn gọi là kênh khoảnh. Đối với một hệ thống t−ới hoàn chỉnh, các cấp kênh phụ trách t−ới cho các khu vực nh− sau: - Kênh chính: T−ới cho tỉnh hoặc liên tỉnh. 136
- Kênh nhánh cấp I: Phạm vi t−ới cho huyện hoặc liên huyện. - Kênh nhánh cấp II: Phạm vi t−ới cho xã hoặc liên xã, diện tích t−ới th−ờng từ 300 đến 1000 ha. - Kênh nhánh cấp III: Phạm vi t−ới cho 1 khu đồng, diện tích từ 30 - 100 ha. - Kênh nhánh cấp IV: Kênh t−ới trực tiếp vào khoảnh ruộng vùng đồng bằng, khoảng th−ờng từ 5 - 6 ha, vùng trung du và miền núi khoảnh th−ờng nhỏ hơn 2 - 3 ha. Trong tr−ờng hợp các diện tích t−ới nhỏ, ng−ời ta th−ờng bố trí các tuyến kênh v−ợt cấp. 7.2.2.2. Ký hiệu trên bản đồ ở Việt Nam, các ký hiệu về hệ thống kênh đ−ợc quy định nh− sau: Kênh chính : KC Kênh nhánh cấp I : N1, N2 , N3 . . . Kênh nhánh cấp II : N1 - 1, N1 - 2 , N1 - 3 . . . N2 - 1, N2 - 2 , N2 - 3 Kênh nhánh cấp III : N1 - 1 - 1, N1 -1 - 2 , N1 -1 - 3 . . . N1 -2 - 1, N1 -2 - 2 , N1-2 - 3 Kc N1-1 N1-1-1-1 1 1 N 1- 1- N N1-1-1-2 Hình 7.1. Sơ đồ mạng l−ới kênh 7.2.3. Đặc tính kỹ thuật kênh dẫn 7.2.3.1. Mặt cắt kênh Đối với kênh đất, mặt cắt th−ờng là hình thang cân, dạng nửa đào, nửa đắp. để tăng khả năng t−ới tự chảy, kênh có thể làm nổi hoàn toàn (hình 7.3) 137
Tr−ờng hợp kênh bằng gạch xây hoặc bê tông, mặt cắt th−ờng có dạng hình chữ nhật. Hình 7.2. Sơ đồ mặt cắt kênh đất 7.2.3.2. Mối liên hệ giữa các yếu tố của mặt cắt kênh (hình 7.3) h m α b x Hình 7.3. Các yếu tố của mặt cắt kênh + Diện tích mặt cắt −ớt: W = (b+mh)h (7.3) 138
+ Chu vi −ớt: χ = b + 2h 1+ m 2 (7.4) + Bán kính thuỷ lực: W R = χ (7.5) Trong các công thức (7.3), (7.4), (7.5) các ký hiệu là nh− sau: b- Chiều rộng đáy kênh h- Chiều cao mực n−ớc trong kênh m- Mái dốc kênh; m = cotgα α- Góc nghiêng giữa mái bờ kênh và ph−ơng nằm ngang. 7.2.3.3. L−u l−ợng chuyển n−ớc của kênh L−u l−ợng của kênh đ−ợc xác định bằng hệ thức (7.6): Q = W. v (7.6) Trong đó: Q- L−u l−ợng của kênh (m3/s) v- Vận tốc n−ớc chảy trong kênh (m/s), đ−ợc xác định theo công thức của Chézy: v = C RI (7.7) Trong đó: R- Bán kính thuỷ lực của kênh (m) I- Độ dốc đáy kênh C- Hệ số Chézy th−ờng đ−ợc xác định theo các công thức sau: • Công thức Manning: 1 C = R 1 / 6 (7.8) n Trong đó: R- Bán kính thuỷ lực n- Hệ số nhám lòng kênh, phụ thuộc vào vật liệu làm kênh đ−ợc xác định theo bảng 7.2 • Công thức của N.N Pavlovsky: 1 C = R y (7.9) n Trong đó: y = 2,5 n − 0,13 − 0,75( n − 0,10) R (7.10) Khi tính toán sơ bộ, có thể tính gần đúng giá trị của y nh− sau: R 1m → y = 1,3 n (7.12) 139
Bảng 7.2. Xác định hệ số nhám (n) của kênh đất Hệ số nhám (n) của lòng kênh Đặc điểm của kênh Kênh t−ới Kênh tiêu 1. L−u l−ợng của kênh lớn hơn 25 m3/s - Kênh đi qua vùng đất dính và đất cát 0,0200 0,0250 - Kênh đi qua đất lẫn sỏi cuội 0,0225 0,0275 2. L−u l−ợng của kênh t−ới 1m3/s - 25 m3/s. - Kênh đi qua đất dính và đất cát 0,0225 0,030 - Kênh đi qua đất lẫn sỏi cuội 0,0250 0,0325 3. L−u l−ợng kênh nhỏ hơn 1m3/s 0,0250 0,0350 4. Kênh sử dụng theo định kỳ 0,0275 Bảng 7.3. Hệ số nhám (n) của kênh đào trong đá Đặc điểm của kênh Hệ số nhám n 1. Mặt đ−ợc sửa sang tốt 0,20 - 0,025 2. Mặt đ−ợc sửa sang vừa và không có chỗ lồi lõm 0,30 - 0,035 2. Mặt đ−ợc sửa sang vừa có chỗ lồi lõm 0,040 - 0,045 Bảng 7.4. Hệ số nhám (n) của kênh có lớp áo bọc Loại gia cố Đặc điểm trên mặt Hệ số nhám (n) 1. Tráng vữa xi măng trên mặt Nhẵn 0,012 bằng phẳng Không nhẵn 0,014 2. Mặt bằng bê tông Mặt nhám 0,017 3. Mặt phun vữa xi măng Mặt đã sửa bằng phẳng 0,015 4. Mặt lát đá toàn cạnh 0,0225 5. Mặt lát bằng gạch xây 0,013 6. Mặt lát đá hộc trát vữa xi măng 0,11 - 0,012 7.2.3.4. Mặt cắt thuỷ lực lợi nhất Khi tính toán thiết kế mặt cắt của kênh, ng−ời ta th−ờng chọn mặt cắt kênh gần bằng với mặt cắt thuỷ lực lợi nhất. Đó là mặt cắt chuyển đ−ợc l−u l−ợng lớn nhất khi các điều kiện về tiết diện, độ nhám và độ dốc đáy kênh là không đổi. - Điều kiện để có mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực: L−u l−ợng trong kênh đ−ợc xác định theo công thức (7.6): Q = WC RI = f(W,n,R,I) 140
Theo định nghĩa các giá trị ω, n , I là cố định, vì vậy Q chỉ phụ thuộc vào R. Muốn có mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực thì phải chuyển đ−ợc Qmax hay Rmax hay χmin. Theo công thức (7.4): χ = b + 2h 1+ m 2 và công thức (7.3) W = (b+mh)h W → b = − mh (7.3)' h W Thay vào (7.4): χ = − mh + 2h 1 + m 2 (7.4)' h dχ Điều kiện để hàm χ là = 0 min dh W = − − m + 2 1 + m 2 = 0 (7.13) h 2 Thay ω ở (6.3) vào (6.14) và đặt tỉ số giữa chiều rộng đáy kênh và độ sâu n−ớc b trong kênh là β = ta có hệ thức (7.14). Đây chính là điều kiện để kênh có mặt cắt là h lợi nhất về thuỷ lực: β = 2( 1+ m 2 − m) (7.14) Quan hệ giữa β và m đ−ợc tính sẵn trong bảng 7.5. Bảng 7.5. Quan hệ giữa m và β m 0 1 1,5 2 2,75 3 β 2,00 0,828 0,606 0,472 0,485 0,325 Bán kính thuỷ lực của mặt cắt thuỷ lực lợi nhất: W vì R = ( theo 6.5) χ ⎛ b ⎞ ⎜ + m⎟h 2 ()b + mh h ⎝ h ⎠ ()β + m h ()β + m h h hay = = = = = 2 2 b 2 β + β + 2m 2 b + 2h 1+ m ( + 2 1+ m )h β + 2 1+ m h Vậy điều kiện để kênh có mặt cắt thuỷ lực lợi nhất là β = 2 (√1+m2 - m), và khi mặt cắt kênh là mặt cắt thuỷ lực lợi nhất thì bán kính thuỷ lực bằng nửa độ sâu mực h n−ớc trong kênh R = . 2 141
7.2.3.5. Hệ số lợi dụng của kênh và hệ thống kênh a. Hệ số lợi dụng (hữu ích) của một cấp kênh - Tr−ờng hợp kênh chỉ làm nhiệm vụ dẫn n−ớc: Q η = c (7.15) Q d Trong đó: Qc- L−u l−ợng ở cuối kênh Qđ- L−u l−ợng ở đầu kênh. - Tr−ờng hợp kênh vừa dẫn n−ớc vừa phân phối n−ớc thì hệ số hữu ích đ−ợc xác định theo công thức (7.16). n Q c + ∑ Q i η = i = 1 (7.16) Q d b. Hệ số lợi dụng của cả hệ thống Wr η h = (7.17) W Trong công thức (7.17): ηh- Hệ số lợi dụng của cả hệ thống Wr- L−ợng n−ớc đ−a vào mặt ruộng W- L−ợng n−ớc lấy vào công trình đầu mối Hệ số ηh và η đ−ợc xác định trong các bảng 7.6; 7.7. Bảng 7.6. Hệ số lợi dụng của kênh xác định theo diện tích t−ới và tính chất đất làm kênh Diện tích t−ới Kênh loại A Kênh loại B (ha) Đất thấm nhiều Thấm vừa Thấm ít Đất thấm nhiều Thấm vừa Thấm ít 25 0,80 0,90 0,95 0,75 0,85 0,90 50 0,75 0,87 0,92 0,70 0,80 0,86 100 0,72 0,84 0,90 0,66 0,75 0,83 150 0,69 0,84 0,87 0,63 0,72 0,80 200 0,66 0,70 0,84 0,60 0,70 0,77 300 0,62 0,64 0,80 0,57 0,66 0,74 Ghi chú: - Kênh loại A có chiều dài bé hơn hoặc bằng 50m/ha và số l−ợng cửa lấy n−ớc ≤ 3 - Kênh B có chiều dài lớn hơn 50 m/ha, số l−ợng cửa lấy n−ớc ≥ 3. Bảng 7.7. Hệ số lợi dụng của hệ thống t−ới Diện tích của hệ thống 103 ha > 50 10 - 50 2 - 10 < 2 ηh 0,5 0,55 - 0,65 0,65 - 0,75 0,7 142
7.2.3.6. Một số bài toán về quy hoạch bố trí kênh phục vụ cho công tác quy hoạch quản lý đất Bài toán 1. Tuyến kênh đã đ−ợc xây dựng, yêu cầu xác định khả năng chuyển n−ớc của kênh. Kênh đã đ−ợc xây dựng, có thể xác định đ−ợc các đại l−ợng n , ω, I, m , R; sau đó xác định l−u l−ợng của kênh theo công thức: Q = WC RI Ví dụ 1 Một tuyến kênh đất hình thang đã đ−ợc xây dựng. Số liệu thực tế xác định đ−ợc nh− sau: b = 4,00m; h = 1,60 m; mái dốc m = 1,75; n (tra bảng) = 0,025; độ dốc đáy I: 4.10-4. Yêu cầu xác định Q? Bài giải: W = (b+mh)h = (4+1,75.1,60).1,60 = 10,88m2 χ = b + 2h 1+ m 2 = 4 + 2.1,6 1+1,752 = 10,45m W 10,88 R = = = 1,04m χ 10,45 1 1 C = R1/ 6 = 1,041/ 6 = 40,26m / s n 0,025 Q = WC RI = 10,88.40,26 1,04.4.10−4 = 8,9m 3 / s Bài toán 2: Xác định kích th−ớc b, h của kênh khi đã biết các điều kiện sau đây: Q, n, m và I. Vì Q là hàm số của 2 biến b và h; đã biết ph−ơng trình cơ bản Q = ω C√RI, muốn giải đ−ợc bài toán cần phải biết thêm một điều kiện nữa, đó là mặt cắt kênh là lợi nhất về thuỷ lực. Vì mặt cắt là lợi nhất về thuỷ lực nên ta có ph−ơng trình thứ hai: b β = = 2( 1 + m 2 − m) h Hoặc là biết vận tốc cho phép trong kênh [v]. Q Biết Q và [v] → xác định đ−ợc W = [v] W = ( b + mh).h (1) Biết [v] → xác định đ−ợc R và χ, từ đó ta có hệ ph−ơng trình thứ hai: χ = b + 2h 1+ m 2 (2) Giải hệ ph−ơng trình (1) và (2) ta xác định đ−ợc b và h. Ví dụ 2 Tìm kích th−ớc của kênh hình thang biết các điều kiện sau đây: Q = 9 m3/s; m = 1,75; n = 0,025; I = 4.10-4 sao cho mặt cắt kênh là lợi nhất về thuỷ lực. 143
Bài giải: Từ công thức cơ bản Q = WC RI , với Q và I đã biết, ta xác định: Q 9 9 K = = WC R → K = = 102 = 450m 3 / s I 4.10−4 2 b β = = 2( 1 + m 2 − m) = 2( 1 +1,752 −1,75) = 0,53 h hay b = 0,53h Lập bảng tính thử dần. 1 h b W = (b+mh)h R R C = R1/ 6 K = WC R n i 1 0,5 2,25 0,5 0,707 56 56,03 2 1,06 9,12 1 1 40 364,80 2,2 1,165 10,925 1,1 1,05 40,6 466 Cách tính: Giả thiết với một h, ta lần l−ợt xác định đ−ợc các giá trị b, ω, R, R , C và K i = WC R nh− ở bảng trên. So sánh giá trị Ki vừa tính với giá trị K. Nếu hai giá trị này xấp xỉ bằng nhau là đ−ợc, nếu chênh nhau ta phải giả thiết lại h và tiếp tục tính cho đến khi Ki ≈ K. Nh− ở trong bảng giả thiết h = 2,2 m, ta xác định đ−ợc b = 1,165 m và Ki = 486 m3/s ≈ K = 450 m3/s. Vậy ta chọn h = 2,2 m và b = 1,2 m. 7.2.3.7. Tính toán mặt cắt kênh bằng ph−ơng pháp đối chiếu với mặt cắt thủy lực lợi nhất (Agơrotskin) Trên thực tế khi tính toán mặt cắt kênh, để giảm khối l−ợng tính toán, ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất của Agơrotskin. Trên cơ sở thiết lập mối quan hệ giữa các yếu tố của mặt cắt kênh với mặt cắt thuỷ lực lợi nhất: Rln, n , v h b m, . , , vln R ln R ln Trình tự tính toán của ph−ơng pháp này nh− sau: Q −1 Q Xác định hàm số f(R ln ) = = (4m 0 ) (7.18) 4m 0 I I Trong đó: Q- L−u l−ợng (m3/s) I- Độ dốc đáy kênh Rln- Bán kính thuỷ lực của mặt cắt thuỷ lực lợi nhất m- Mái dốc của kênh 2 m 0 = 2 1+ m − m (7.19) 144
Để tiện tính toán, mo và (4mo)-1 đ−ợc tính sẵn trong bảng 7.8. Bảng 7.8. Xác định mo và (4mo)-1 theo m m 0 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 3 mo 2 1,736 1,75 1,828 1,95 2,106 8,28 2,47 3,325 (4mo)-1 0,125 0,144 0,143 0,137 0,128 0,119 0,111 0,101 0,076 - Với n và f(Rln) đã biết tra phụ lục bảng 2, ta xác định đ−ợc Rln: ⎛ h ⎞ v R b - Lập tỷ số: ⎜ ⎟ (hoặc , , tuỳ theo bài toán) ⎝ R ln ⎠ v ln R ln R ln ⎛ h ⎞ ⎛ b ⎞ - Biết m và giá trị ⎜ ⎟ tra phụ lục bảng 3, ta xác định đ−ợc tỷ số ⎜ ⎟ , từ đó ⎛ b ⎞ ⎜ R ⎟ ⎜ R ⎟ tính đ−ợc b = ⎜ ⎟ ⎝ ln ⎠ ⎝ ln ⎠ ⎜ ⎟Rln ⎝ Rln ⎠ Ví dụ 1 Xác định kích th−ớc của kênh đất hình thang, biết các điều kiện sau đây: Q = 9 m3/s; m = 1,75; n = 0,025; I = 4.10-4 sao cho mặt cắt là lợi nhất về thuỷ lực (nh− trong ví dụ 2, bài toán 2). Bài giải: −1 Q - Xác định hàm số f (R ln ) = (4m0 ) I -1 với m = 1,75 tra bảng 7.8 ta đ−ợc (4m0) = 0,111 9 2 3 f(R ln ) = 0,111 = 0,111.4,5.10 = 49,95m / s 4.10−4 - Với n = 0,025 và f(Rln) = 49,95 tra phụ lục bảng 2, ta đ−ợc Rln = 1,08m - Theo đầu bài, mặt cắt kênh là lợi nhất về thuỷ lực nên ta có: h R = → h = 2R = 2.1,08 = 2,16m , chọn h = 2,2m. ln 2 ln h - Lập tỷ số: = 2 R ln h b Với m = 1,75 và tỷ số = 2 , tra phụ lục bảng 3 ta đ−ợc = 1,06 R ln R ln → b = 1,06.Rln = 1,06.1,08 = 1,14m, chọn h = 1,2m. Vậy b = 1,2m; h = 2,2m. 145
Ví dụ 2 Xác định kích th−ớc của kênh hình thang, khi biết Q = 4,5m3/s, m = 1, I = 4.10-4, n = 0,0225 và vận tốc n−ớc chảy cho phép trong kênh [v] = 0,75m/s. Bài giải: −1 Q - Xác định f()R ln = (4m 0 ) I -1 Với m = 1, tra bảng (6-8) đ−ợc (4m0) = 0,137 4,5 4,5 2 3 f ()R ln = 0,137 = 0,137 10 = 30,825m / s 4.10 −4 2 - Với n = 0,0225 và f(Rln) = 30,825, tra phụ lục bảng 2 ta đ−ợc: Rln = 0,87 và C R ln = 40,45 Vận tốc n−ớc chảy lợi nhất sẽ là: −4 −2 v ln = C R ln I = 40,45 4.10 = 40,45.2.10 = 0,809m / s v 0,75 - Lập tỷ số: = = 0,927 v ln 0,809 v Với m = 1 và tỷ số = 0,927 , tra phụ lục bảng 3 ta có các tỉ số: v ln h b = 01,186 = 5,48 R ln R ln Từ đó ta xác định đ−ợc: h = 1,186.Rln = 1,186.0,87 = 1,03m b = 5,48.Rln = 5,48.0,87 = 4,76m Chọn h = 1,00m và b = 4,80m. 7.2.3.8. Hệ số mái bờ kênh m, độ cao an toàn ∆, chiều rộng bờ kênh Để xác định đ−ợc mặt cắt kênh, ngoài kích th−ớc chiều rộng đáy b, độ sâu mực n−ớc h, cần phải xác định hệ số mái m, độ cao an toàn ∆ và chiều rộng bờ kênh B. a. Hệ số mái bờ kênh phụ thuộc chủ yếu vào loại đất làm kênh, độ sâu mực n−ớc và l−u l−ợng của kênh. Hệ số m đ−ợc xác định trong các bảng 7.9 và 7.10. Bảng 7.9. Xác định hệ số mái bờ kênh cho kênh đào Chiều sâu n−ớc trong kênh Loại đất h = 1 1 < h ≤ 2 1 < h ≤ 3 Đất sét 1,00 1,00 1,25 Đất sét pha 1,25 1,25 1,50 Đất cát pha 1,00 1,50 1,75 Đất cát 1,75 2,00 2,25 146
Bảng 7.10. Xác định hệ số mái bờ kênh cho kênh đắp L−u l−ợng của kênh ( Q m3/s) > 10 2 - 10 0,5 - 2 < 0,5 Loại đất Mái Mái Mái Mái Mái Mái Mái Mái trong ngoài trong ngoài trong ngoài trong ngoài Đất sét 1,25 1,00 1,00 1,00 1,00 0,75 1,00 0,75 Đất sét pha 1,50 1,25 1,25 1,00 1,25 1,00 1,00 1,00 Đất cát pha 1,75 1,50 1,50 1,25 1,50 1,25 1,25 1,00 Đất cát 2,25 2,00 2,00 1,75 1,75 1,50 1,50 1,25 Nguồn: Hệ thống kênh t−ới. TCVN 4118-85 - NXB Xây dựng Hà Nội - 1985. b. Độ an toàn ∆ tính từ mực n−ớc trong kênh đến đỉnh bờ kênh đ−ợc xác định theo bảng 7.11. Bảng 7.11. Giá trị của độ an toàn ∆ L−u l−ợng kênh ∆ (m) 3 Q (m /s) Kênh đất Kênh đ−ợc bọc bằng bêtông, bêtông cốt thép, betum < 1 0,2 Từ 0,1 đến 0,15 1 - 10 0,3 0,20 10 - 30 0,4 0,30 30 - 50 0,5 0,35 50 - 100 0,6 0,40 c. Chiều rộng bờ kênh B Chiều rộng bờ kênh B không kết hợp làm đ−ờng giao thông đ−ợc xác định trong bảng 7.12. Nếu bờ kênh kết hợp làm đ−ờng giao thông thì chiều rộng B phải đảm bảo cho các loại xe (theo yêu cầu) có thể đi lại đ−ợc thuận tiện theo nh− quy phạm hiện hành về giao thông đ−ờng bộ của Bộ Giao thông vận tải. Bảng 7.12. Xác định chiều rộng bờ kênh B L−u l−ợng của kênh Q (m3/s) Chiều rộng bờ kênh B < 0,5 0,50- 0,80 0,5 - 1 0,80 - 1,00 1 - 5 1,00 - 1,25 5 - 10 1,25 - 1,50 10 - 30 1,50 - 2,00 30 - 50 2,00 - 2,50 50 - 100 2,50 - 3,00 Nguồn: Hệ thống kênh t−ới - TCVN - 448 - 85. NXB Xây dựng - Hà Nội 1985. 147
Hình 7.4. Một mặt cắt kênh dạng nửa đào, nửa đắp 7.3. Xác định l−u l−ợng cần cung cấp và việc phân phối n−ớc ở hệ thống t−ới 7.3.1. L−u l−ợng đặc tr−ng hay hệ số t−ới Ví dụ một loại cây trồng có nhu cầu t−ới hàng ngày IR (mm/ngày) trong các tháng đ−ợc xác định nh− trong bảng 7.13. Bảng 7.13. Nhu cầu t−ới của một loại cây trồng (mm/ngày) Tháng 1 2 3 4 5 Loại cây trồng A 2 3 4 2,2 2 Giá trị trong bảng chính là l−ợng n−ớc thiếu hụt cần phải cung cấp để cây trồng sinh tr−ởng, phát triển bình th−ờng. Ta thấy trong tháng 3, l−ợng n−ớc thiếu hụt là lớn nhất (4mm/ngày). Nếu công trình cấp n−ớc thoả mãn đ−ợc thì ở các tháng khác nhu cầu cần n−ớc cho cây trồng cũng sẽ đ−ợc đảm bảo. Vậy l−ợng n−ớc cần cung cấp cho cây trồng trong thời gian 1 giây trên 1 đơn vị diện tích 1 ha trong tháng có nhu cầu t−ới lớn nhất gọi là l−u l−ợng đặc tr−ng hay hệ số t−ới. Theo số liệu ở bảng trên, hệ số t−ới sẽ là: IR 4.10.103 q = max = = 0,46l / s / ha t 24.60.60 7.3.2. Xác định l−u l−ợng n−ớc cần cung cấp ở đầu hệ thống t−ới (hoặc ở đầu kênh) 7.3.2.1. Vùng độc canh Vùng độc canh là vùng trồng trọt một loại cây trồng, các giai đoạn sinh tr−ởng của cây trồng từ lúc gieo đến khi thu hoạch nói chung đều đồng nhất. Việc xác định l−u 148
l−ợng cần cung cấp (thiết kế) đơn giản. Khi đã biết l−u l−ợng đặc tr−ng, q ta xác định đ−ợc l−u l−ợng thiết kế theo hệ thức: q.W Q = (7.20) η Trong đó: Q- L−u l−ợng cần cung cấp ở đầu hệ thống t−ới hoặc ở đầu cấp kênh (m3/s, l/s) q- L−u l−ợng đặc tr−ng (l/s/ha) η- Hệ số hữu ích của hệ thống hoặc cấp kênh và đ−ợc xác định theo các bảng 7.6 hoặc 7.7. Tr−ờng hợp tính toán sơ bộ trong quy hoạch, tính Q theo công thức (7.21) Q = K . q . W (7.21) Trong đó: q và W nh− ở công thức (7.20) K- Hệ số tổn thất, đ−ợc xác định trong bảng 6.7 (ch−ơng 6). Ví dụ: Ta nghiên cứu một dự án t−ới cho một vùng 1000 ha, l−u l−ợng yêu cầu trong các tháng đ−ợc xác định trong bảng 7.14. Bảng 7.14. L−u l−ợng n−ớc yêu cầu t−ới trong các tháng Tháng 1 2 3 4 5 Chỉ tiêu IR (mm/ngày) 2 3 4 2,2 2 q (l/s/ha) 0,23 0,347 0,463 0,285 0,23 Nhìn bảng ta thấy l−u l−ợng đặc trung là q = 0,463 l/s/ha t−ơng ứng với l−ợng n−ớc cần cung cấp cho cây trồng trong tháng 3. Nếu tổn thất trong kênh đ−ợc xác định là K = 1,3, thì l−u l−ợng cần cung cấp ở đầu kênh là : q = 0,463 x 1.3 x 1000 = 601,9 l/s = 0,601 m3/s. và tổng l−ợng n−ớc cần phải cung cấp ở đầu hệ thống : W = Q.T = 0,601 x 31 x 86400 = 1.609.718 m3. 7.3.2.2. Vùng đa canh ở vùng đa canh, việc xác định l−u l−ợng phức tạp hơn. Tr−ớc hết cần xác định diện tích canh tác của từng loại cây trồng , nhu cầu t−ới n−ớc của từng loại trong tháng. Tiếp đến xác định l−u l−ợng của mỗi loại rồi tổng hợp lại. Sau khi đã tính đến tổn thất n−ớc trong kênh, ta xác định đ−ợc l−u l−ợng cần cung cấp ở đầu hệ thống trong các tháng và l−u l−ợng thiết kế. 149
Ví dụ: Cần giải quyết n−ớc t−ới cho 1000 ha, trong đó bố trí cơ cấu cây trồng nh− sau: Vụ đông xuân: Loại cây trồng A 500 ha (cây l−u niên) Loại cây trồng B 200 ha Loại cây trồng C 300 ha Vụ mùa: Loại cây trồng A 500 ha Loại cây trồng D 200 ha Loại cây trồng E 300 ha - Đặc tính đất vùng đ−ợc t−ới: Sức giữ ẩm đồng ruộng θĐR = 0,35 (tính theo thể tích) Độ ẩm cây héo θh = 0,2 (tính theo thể tích) Độ sâu cần làm ẩm H = 0,5 m Từ tài liệu trên, ta xác định đ−ợc liều l−ợng t−ới: 2 2 D = H(0,35 − 0,20) = .0,5.(0,35 − 0,20) = 0,05mm = 500m 3 / ha 3 3 - Để xác định nhu cầu t−ới trong tháng, ta có thể sử dụng các công thức (6.8) và (6.12) trong ch−ơng 6. Trong tr−ờng hợp có tài liệu thực nghiệm về số lần t−ới cho các loại cây trồng thì tính toán nh− sau: Giả sử số lần t−ới cho cây trồng ở các vụ xuân và mùa đ−ợc xác định nh− trong bảng 7.15 và 7.16 tính đ−ợc kết quả ở bảng 7.17 và 7.18. Bảng 7.15. Số lần t−ới cho cây trồng ở vụ đông xuân Tháng 11 12 1 2 3 4 Loại cây trồng A 2 2 2 1 1 1 B 4 4 4 3 - - C 1 2 1 1 - - Bảng 7.16. Số lần t−ới cho cây trồng ở vụ mùa Tháng 5 6 7 8 9 10 Loại cây trồng A - - - - 1 1 D 1 1 1 1 2 2 E 1 1 1 - - - 150
Bảng 7.17. Tính toán l−u l−ợng n−ớc cho cây trồng ở vụ đông xuân L−ợng Tháng 11 Tháng 12 Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Diện Số lần Loại P n−ớc tích t−ới cây trồng (m3/ha) t−ới (ha) (n) n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 (103m3) A 500 500 250 9 2 500 2 500 2 500 1 250 1 250 1 250 B 200 500 100 15 4 400 4 400 4 400 3 300 - - - - C 300 500 150 6 1 150 2 300 2 300 1 150 - - - - L−ợng n−ớc 1050 1200 1200 700 250 250 cung cấp hàng tháng (m3) L−u l−ợng liên 0,405 0,448 0,448 0,299 0,093 0,096 tục t−ơng ứng (m3/s) L−u l−ợng ở đầu 0,506 0,56 0,56 0,36 0,116 0,12 hệ thống max η = 0,8 (m3/s) 151
Bảng 7.18. Tính toán l−u l−ợng n−ớc cho cây trồng ở vụ mùa L−ợng Tháng 5 Tháng 6 Tháng 7 Tháng 2 Tháng 9 Tháng 10 Diện Số lần Loại P n−ớc tích t−ới cây trồng (m3/ha) t−ới (ha) (n) n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 n W.103 (103m3) A 500 500 250 2 - - - - - - - - 1 250 1 250 D 200 500 100 8 1 100 1 100 1 100 1 100 2 200 2 200 E 300 500 150 3 1 150 1 150 1 150 - - - - - - L−ợng n−ớc 250 250 250 100 450 450 cung cấp hàng tháng (m3) L−u l−ợng liên 0,093 0,096 0,093 0,038 0,173 0,168 tục t−ơng ứng (m3/s) L−u l−ợng ở 0,116 0,12 0,116 0,047 0,216 0,21 đầu hệ thống η = 0,8 (m3/s) 152
Qua bảng 7.17 và 7.18, ta thấy l−u l−ợng yêu cầu lớn nhất vào tháng 1; Q = 0,578 m3/s. Độ lớn của công trình chuyển n−ớc sẽ đ−ợc xác định phù hợp với l−u l−ợng lớn nhất, có nghĩa là l−u l−ợng thiết kế ở đầu hệ thống kênh t−ới là QTK = 0,578 m3/s. 7.3.3. Phân phối n−ớc t−ới 7.3.3.1. Phân phối n−ớc liên tục Nguyên tắc của ph−ơng pháp phân phối n−ớc này là n−ớc đ−ợc đ−a liên tục đến cơ sở khai thác trong tất cả các giai đoạn t−ới. Ưu điểm của ph−ơng pháp là hệ thống kênh m−ơng th−ờng xuyên có n−ớc và hoạt động liên tục do đó công trình sẽ có tiết diện nhỏ, l−ợng n−ớc yêu cầu không bị gián đoạn khi cung cấp. ở hệ thống t−ới hoàn chỉnh, kênh chính và kênh nhánh cấp I th−ờng đ−ợc thiết kế phân phối n−ớc liên tục. 7.3.3. 2. Phân phối n−ớc kiểu luân phiên Nguyên tắc: N−ớc đ−ợc đ−a đến mặt ruộng với một l−u l−ợng lớn hơn l−u l−ợng liên tục cần thiết. Thời gian t−ới sẽ giảm đi tỷ lệ với l−ợng n−ớc đã nhận. Ví dụ: Có khoảnh ruộng 2 ha, nhu cầu t−ới 3mm/ngày với l−u l−ợng t−ới liên tục: 3.10.103 q = = 0,347l / s / ha 86400 L−u l−ợng liên tục t−ới cho 2 ha: Q = 0,347 l/s/ha x 2 ha = 0,694 l/s. Trong 10 ngày l−ợng n−ớc phải cung cấp cho 1 ha là 300 m3/ha và 2 ha là 600 m3. Nếu ta sử dụng l−u l−ợng t−ới m = 20 l/s, thì thời gian để t−ới hết l−ợng n−ớc 300 m3/ha sẽ là: 300.000 l t = =15.000 s = 4 h10'/ ha 20 l / s Và thời gian t−ới cho 2 ha : T = 4h10' x 2 = 8h 20'. Nh− vậy nếu sử dụng l−u l−ợng đặc tr−ng, để t−ới hết l−ợng n−ớc 600 m3, tr−ớc đây phải mất 10 ngày, nay đã sử dụng l−u l−ợng lớn, thời gian t−ới cho 2 ha rút ngắn còn 8h20'. T−ới luân phiên th−ờng đ−ợc tiến hành trên các kênh phân phối n−ớc. Trong tr−ờng hợp đặc biệt cũng có thể áp dụng trên các kênh nhánh cấp III, cấp II và cả kênh chính. 7.3.3.3. T−ới luân phiên trên kênh khoảnh Ph−ơng pháp t−ới này đơn giản, dễ áp dụng, đặc biệt ở nơi canh tác cây trồng thay đổi, đất manh mún nh− ở Pháp, ý, Tây Ban Nha. Kênh khoảnh ở đây ta hiểu là kênh đ−a n−ớc trực tiếp vào ruộng. Trình tự tiến hành các b−ớc nh− sau: + Xác định diện tích t−ới luân phiên của kênh: m S = (ha) (7.22) q Trong đó: m- L−u l−ợng t−ới thực (module) (l/s) q- L−u l−ợng đặc tr−ng (l/s/ha). 153
Diện tích S gồm tổng các mảnh nhỏ P1 + P2 + . . . . . + Pn + Xác định thời gian t−ới cho 1 ha: W t = (7.23) m Trong đó: W- L−ợng n−ớc cần t−ới trong khoảng thời gian nào đó m- Nh− trong công thức (7.22) + Xác định thời gian t−ới cho diện tích Pi : T = t x Pi + Lập bảng t−ới luân phiên theo nguyên tắc t−ới những mảnh ở xa tr−ớc, ở gần sau. Ví dụ: Một kênh t−ới luân phiên với l−u l−ợng đặc tr−ng q = 0,8 l/s/ha, t−ới luân phiên chia làm 3 lần trong tháng có l−u l−ợng t−ới thực là m = 4 l/s. Xác định lịch t−ới luân phiên cho từng khoảnh. Bài giải: + Xác định diện tích t−ới luân phiên: m 40l / s S = = = 50ha q 0,8l / s / ha 5 S = ∑ P i = P 1 + P 2 + P 3 + P 4 + P 5 (hình 7.5) i=1 trong đó: P1 =7ha; P2 = 4ha; P3 = 6ha; P4 = 20ha; P5 = 13ha W t = mà W = q.10.24.3600 = 0,8.10.24.3600 = 691.103 l m 691.103 l t = =12.275 s = 4 h48' 40 l / s Xác định lịch t−ới luân phiên cho từng mảnh theo bảng 7.19. Bảng 7.19. Lịch phân phối t−ới Diện tích Thời gian t−ới Lịch t−ới Pi (ha) 1 ha Cả diện tích Bắt đầu Kết thúc V 13 4h 48' 62h 24' Thứ hai 0h Thứ t− 14h 24' IV 20 - 96h 00' Thứ t− 14h 24' Chủ nhật 14h 24' III 6 - 28h 48' Chủ nhật 14h 24' Thứ hai 19h 12' II 4 - 19h 12' Thứ hai 19h 12' Thứ ba 14h 24' I 7 - 33h 16' Thứ ba 14h 24' Thứ t− 24 h Nh− vậy mảnh P5 bắt đầu t−ới vào ngày thứ hai, lúc 0h kết thúc vào ngày thứ t− lúc 14h 24'. 10 ngày sau đợt t−ới thứ hai trong tháng lại bắt đầu với P5 và các mảnh khác đ−ợc t−ới luân phiên tiếp theo nh− trình tự ở đợt 1 đ−ợc giới thiệu trong bảng 6.18. 154
I Kênh cấp trên 7 ha II III 6 ha 4 ha IV V 13 ha 20 ha Sơ đồ phân phối nuớc kiểu luân phiên Hình 7.5. Sơ đồ phân phối n−ớc kiểu luân phiên 7.4. Công trình trên kênh 7.4.1. Cống lấy n−ớc Cống lấy n−ớc đ−ợc bố trí ở đầu hệ thống t−ới và đầu kênh các cấp. Yêu cầu là khẩu độ của ống phải đủ lớn để chuyển đ−ợc l−u l−ợng yêu cầu. Cống phải có cửa để đóng mở thuận tiện cho việc điều tiết n−ớc. Cống có hai dạng là lộ thiên và cống ngầm. Mặt cắt cống có thể là ống tròn bằng bê tông đúc sẵn hay đổ tại chỗ hoặc cống có dạng mặt cắt chữ nhật hoặc kiểu vòm. 7.4.2. Công trình chuyển n−ớc 7.4.2.1. Cầu máng Cầu máng đ−ợc sử dụng khi tuyến kênh gặp đ−ờng giao thông mà mặt đ−ờng giao thông thấp hơn nhiều so với đáy kênh hoặc tr−ờng hợp tuyến kênh gặp sông suối mà đáy kênh cao hơn mực n−ớc lớn nhất của sông suối, sông suối lại không có yêu cầu giao thông thuỷ. Hình 7.6. Công trình chuyển n−ớc 155
7.4.2.2. Cống luồn Cống luồn đ−ợc sử dụng khi tuyến kênh gặp sông suối, kênh t−ới, kênh tiêu, đ−ờng sá mà mực n−ớc trong kênh xấp xỉ với mực n−ớc ở sông suối, hoặc mực n−ớc ở kênh khác hoặc cao trình mặt đ−ờng. 7.4.3. Công trình nối tiếp (bậc n−ớc và dốc n−ớc) Bậc n−ớc và dốc n−ớc đ−ợc sử dụng ở nơi tuyến kênh gặp phải địa hình thay đổi đột ngột. ở những nơi chênh lệch cột n−ớc nhỏ hơn 2 m thì làm dốc n−ớc là có lợi. Nơi có cột n−ớc chênh lớn hơn và dốc thì nên làm bậc n−ớc. 7.4.4. Công trình bảo vệ kênh 7.4.4.1. Tràn bên Tràn bên có tác dụng bảo vệ hệ thống kênh phòng ngừa n−ớc tràn bờ kênh, gây sạt lở vỡ bờ. Độ cao đ−ờng tràn bên lấy bằng độ cao mực n−ớc thiết kế trong kênh. 7.4.4.2. Cống tháo n−ớc cuối kênh Tr−ờng hợp ở đoạn cuối kênh, l−u l−ợng ≥ 0,5 m3/s ta phải làm cống cuối kênh. Cống này dùng để tháo cạn n−ớc trong kênh khi cần sửa chữa. 7.4.5. Cầu qua kênh Khi kênh gặp đ−ờng giao thông, cần bố trí cầu để đảm bảo giao thông bình th−ờng. Cầu giao thông đ−ợc thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành của Bộ Giao thông vận tải. 7.4.6. Công trình đo n−ớc và l−u l−ợng ở hệ thống t−ới ở hệ thống t−ới thiết bị đo n−ớc đ−ợc sử dụng để đo mực n−ớc và l−u l−ợng phục vụ việc quản lý và phân phối n−ớc t−ới. Thiết bị đo n−ớc đ−ợc đặt ở đầu kênh chính và đầu kênh nhánh các cấp. ở đầu kênh chính, thiết bị đo đ−ợc đặt cách cống lấy n−ớc từ 50 - 200 m. ở đầu kênh nhánh, vị trí đặt th−ờng cách cống lấy n−ớc từ 20 - 100 m về phía hạ l−u. 7.5. Các ph−ơng pháp t−ới Ph−ơng pháp t−ới là biện pháp đ−a n−ớc vào ruộng để đảm bảo chế độ ẩm cho một loại cây trồng nào đó đã đ−ợc xác định. Mỗi ph−ơng pháp t−ới lại có những yêu cầu kỹ thuật riêng đ−ợc gọi là kỹ thuật t−ới. Tuỳ theo cách đ−a n−ớc vào tầng đất chứa bộ rễ cây trồng mà các ph−ơng pháp t−ới đ−ợc phân thành những loại sau đây: - T−ới trọng lực: N−ớc đ−ợc đ−a đến tầng đất chứa bộ rễ cây trồng theo ph−ơng pháp t−ới tự chảy nhờ trọng lực của n−ớc. T−ới ngập cho lúa, t−ới rãnh, t−ới tràn là điển hình của ph−ơng pháp t−ới này. - T−ới áp lực: Phải có hệ thống thiết bị máy móc tạo ra áp lực đ−a n−ớc vào mặt ruộng. T−ới phun m−a và t−ới nhỏ giọt là điển hình của t−ới áp lực. 156
Ngoài ra ng−ời ta còn chia thành ph−ơng pháp t−ới mặt, gồm các ph−ơng pháp t−ới đ−a n−ớc đến cây trồng ở trên mặt đất (nh− đã nêu ở trên) và ph−ơng pháp t−ới ngầm, n−ớc đ−ợc đ−a đến vùng đất chứa bộ rễ cây trồng từ d−ới lên. Trong thực tế, việc chọn ph−ơng pháp t−ới phụ thuộc vào các điều kiện sau đây: - Đặc tính −a n−ớc của cây trồng: Cây −a n−ớc ví dụ nh− lúa thì phải chọn ph−ơng pháp t−ới ngập, cây trồng cạn thì phải chọn ph−ơng pháp t−ới khác. - Điều kiện địa hình của khu t−ới: Nếu điều kiện địa hình cho phép, có thể sử dụng các ph−ơng pháp t−ới cổ điển nh− t−ới tràn, rãnh. Nếu điều kiện địa hình không bằng phẳng, đồi núi phức tạp, có thể chọn ph−ơng pháp t−ới phun m−a hay nhỏ giọt. - Điều kiện kinh tế, khả năng đầu t− của địa ph−ơng. Mỗi ph−ơng pháp t−ới yêu cầu chi phí đầu t− khác nhau; các ph−ơng pháp t−ới cổ điển chỉ cần chi phí đầu t− thấp, ng−ợc lại các ph−ơng pháp t−ới hiện đại đòi hỏi chi phí đầu t− ban đầu lớn vì vậy, việc chọn ph−ơng pháp t−ới còn tuỳ thuộc khả năng tài chính của địa ph−ơng. 7.5.1. T−ới tràn 7.5.1.1. Định nghĩa T−ới tràn là ph−ơng pháp t−ới tạo thành một lớp n−ớc chảy mỏng trên mặt ruộng trong khoảng thời gian nào đó để độ sâu tầng đất đ−ợc làm ẩm đạt tới gia trị xác định. 7.5.1.2. Điều kiện áp dụng - T−ới tràn dùng để t−ới cho các loại cây trồng nh− cây làm thức ăn gia súc, đồng cỏ, ngũ cốc. - Điều kiện về địa hình: Yêu cầu độ dốc mặt đất nhỏ, tốt nhất là 0,1 - 2%. 7.5.1.3. Ưu, nh−ợc điểm - Ưu điểm: Không tốn nhiều công san đất, rãnh t−ới, rãnh tiêu, bờ đất ngăn các băng nhỏ, dễ thi công bằng công cụ thô sơ. - Nh−ợc điểm: Độ ẩm đất phân bố không đều sau khi t−ới. 7.5.1.4. Một số chỉ tiêu kỹ thuật - Vận tốc n−ớc chảy trên băng v = α.h (7.24) α- hệ số α = n i (7.25) Trong đó: n- Hệ số nhám mặt ruộng (n = 20 khi đất mới khai khẩn; n = 5 khi cây mới nẩy mầm; n = 10 khi cây phát triển) i- Độ dốc mặt đất. 157
- Quan hệ giữa độ sâu n−ớc chảy với chiều dài l K h = (L − l) (7.26) α Trong đó: h- Độ sâu lớp n−ớc tại vị trí nào đó trên băng (m) l- Chiều dài tính từ vị trí có độ sâu lớp n−ớc h đến đầu băng (m) L- Chiều dài trên băng (m) K- Hệ số thấm mặt ruộng (m/s). - Thời gian n−ớc tràn trên băng 2 t = .H (7. 27) K H là độ sâu lớp n−ớc ở đầu băng. - Chiều dài băng αD 2 L = 4 K (7.28) D- Mức t−ới (liều l−ợng t−ới). 7.5.2. T−ới ngập T−ới ngập là ph−ơng pháp t−ới che phủ mặt đất có một lớp n−ớc có độ sâu nhất định. Độ sâu lớp n−ớc này thay đổi phụ thuộc vào từng thời kỳ sinh tr−ởng của cây trồng. 7.5.2.1. Điều kiện áp dụng Ph−ơng pháp t−ới ngập đ−ợc áp dụng chủ yếu cho các loại cây trồng nh− lúa n−ớc, cói Mặt ruộng càng bằng phẳng càng tốt. ở những nơi n−ớc ngầm có độ khoáng hoá cao, đất nhẹ tính thấm n−ớc lớn thì không nên t−ới ngập vì khi t−ới n−ớc thấm xuống khá lớn làm cho n−ớc ngầm dâng cao gây mặn cho cây trồng. 7.5.2.2. Ưu, nh−ợc điểm a. Ưu điểm: - Chi phí ban đầu thấp: Mặt ruộng càng bằng phẳng, chi phí ban đầu càng thấp (gồm chi phí xây dựng các bờ ngăn, các loại công trình điều tiết n−ớc mặt ruộng). - Diệt đ−ợc các loại sâu bệnh có hại cho cây trồng. - Cho phép sử dụng n−ớc t−ới có phù sa để cải tạo đất, nâng cao mặt ruộng ở vùng trũng. b. Nh−ợc điểm: - Làm cho đất chặt, giảm khả năng thấm n−ớc và độ thoáng khí. - Tốn nhiều n−ớc. - Dễ gây rửa trôi các chất dinh d−ỡng. 158
7.5.2.3. Mạng l−ới điều tiết n−ớc mặt ruộng khi t−ới ngập Mạng l−ới điều tiết n−ớc mặt ruộng khi t−ới ngập gồm hệ thống bờ thửa, các công t−ới tiêu n−ớc cho từng thửa trong khoảnh ruộng. Để t−ới ngập đạt hiệu quả cao, hệ thống bờ và cống thửa phải đ−ợc xây dựng hoàn chỉnh và đầy đủ. Khoảnh ruộng là phần diện tích đất đai nằm giữa hai cấp kênh cố định cuối cùng trên đồng ruông, diện tích khoảnh ở đồng bằng Bắc bộ th−ờng 5 - 6 ha, ở vùng trung du nhỏ hơn 2 - 3 ha. Để mặt ruộng đ−ợc bằng phẳng và tiện chăm sóc khi canh tác bằng thủ công, khoảnh ruộng lại đ−ợc chia nhỏ thành các thửa. Vùng đồng bằng Bắc bộ, th−ờng ruộng th−ờng có kích th−ớc 25 - 100 m (1/4 ha). 7.5.3. T−ới rãnh T−ới rãnh là ph−ơng pháp sử dụng một mạng l−ới rãnh dày đặc trên đồng ruộng để t−ới. N−ớc trong rãnh thấm qua mặt bên để vào ruộng vì vậy, ng−ời ta còn gọi là t−ới thấm. Đây là ph−ơng pháp t−ới phổ biến nhất hiện nay trên thế giới. Trong tổng số đất đai đ−ợc t−ới n−ớc, có hơn 50% diện tích đ−ợc t−ới theo ph−ơng pháp này. 7.5.3.1. Điều kiện áp dụng - T−ới rãnh thích hợp cho các loại cây trồng rộng hàng nh− ngô, bông, khoai và v−ờn quả - Độ dốc mặt đất thích hợp là 0,002 - 0,010. - Không nên áp dụng t−ới rãnh ở vùng đất có n−ớc ngầm nằm sát mặt đất. Trong n−ớc ngầm chứa nhiều muối hoà tan độc hại với cây trồng và gây nhiễm mặn cho đất. 7.5.3.2. Ph−ơng pháp bố trí rãnh - Khi độ dốc mặt đất nhỏ, nên bố trí rãnh t−ới chạy theo h−ớng dốc nhằm tăng khả năng n−ớc chảy trong rãnh. Ng−ợc lại khi độ dốc lớn, rãnh t−ới cần đ−ợc bố trí chéo với h−ớng dốc, tạo thành một góc nhọn. Mục đích hạn chế n−ớc chảy trong rãnh, tránh gây xói mòn đất. - Khoảng cách giữa hai rãnh t−ới phụ thuộc tính chất đất. Khoảng cách này phải đ−ợc bố trí thế nào để vùng ẩm ở hai rãnh kề liền cắt nhau. Khoảng cách hai rãnh của các loại đất có các giá trị sau: Loại đất Khoảng cách rãnh (cm) Đất nhẹ 50 - 60 Đất trung bình 60 - 80 Đất nặng 70 - 90 7.5.3.3. Một số thông số kỹ thuật khi t−ới rãnh - Vận tốc n−ớc chảy ở đầu rãnh v = C RI (7.29) 159
Trong đó: C = (20 − 50) I (7.29)’ R- Bán kính thuỷ lực I- Độ dốc rãnh. - L−u l−ợng lấy vào đầu rãnh (1 rãnh) q = W.v (7.30) W- Diện tích mặt cắt rãnh v- Vận tốc n−ớc chảy ở rãnh. Tr−ờng hợp có n rãnh t−ới đồng thời thì l−u l−ợng của n rãnh: Q = n.q (7.30)’ - Năng suất t−ới N là diện tích đ−ợc t−ới trong một ngày do một lao động phụ trách Q.T.η N = (ha/ng−ời/ngày) (7.31) D Trong đó: Q- L−u l−ợng (m3/s) T- Thời gian làm việc 1 ca của 1 công nhân (s) η- Hiệu suất làm việc (η= 0,8 - 0,9) D- Mức t−ới (liều l−ợng t−ới) (m3/ha) - Số lao động cần thiết phục vụ cho diện tích rãnh F F S = (ng−ời) (7.32) N.t * Trong đó: F- Diện tích t−ới rãnh trong khu canh tác (ha) N- Năng suất lao động (ha/ng−ời/ngày) t* - Thời gian cho phép t−ới trong khu vực (ngày). 7.5.4. T−ới phun m−a T−ới phun m−a là ph−ơng pháp sử dụng một hệ thống thiết bị để phân phối n−ớc t−ới dạng m−a rơi trên mặt đất. 7.5.4.1. Ưu, nh−ợc điểm a. Ưu điểm: - Có thể áp dụng trên các loại địa hình mà các ph−ơng pháp t−ới cổ điển nh− t−ới tràn, t−ới rãnh không áp dụng đ−ợc. - áp dụng để t−ới cho cây trồng trên các loại đất gồm cả loại đất thấm n−ớc mạnh hoặc thấm n−ớc yếu. - Khi t−ới phun m−a, n−ớc bắn vào không khí, điều kiện oxy hoá sẽ mạnh. Do đó có thể sử dụng nguồn n−ớc chua mặn hoặc n−ớc thải ở các khu dân c− mà các ph−ơng pháp t−ới khác không sử dụng đ−ợc. - Liều l−ợng t−ới chính xác, độ ẩm phân bố đ−ợc đồng đều vì vậy có thể tiết kiệm đ−ợc n−ớc t−ới, năng suất cây trồng cao hơn. 160