Chương 3:

HỆ THỐNG TIÊU NƯỚC MẶT RUỘNG

3.1. Khái quát chung hệ thống kênh tiêu nước mặt ruộng 

Nhiệm vụ của hệ thống điều tiết nước mặt ruộng là phải rút lớp nước mặt trong thời gian mưa và hạ thấp mực nước ngầm sau thời gian mưa để tạo ra chế độ nước thích hợp cho cây trồng.

Khả năng chịu ngập của các loại cây trồng rất khác nhau. Đối với cây trồng cạn như bông, đậu... khả năng chịu ngập rất kém. Thực tế cho thấy rằng, nếu nước đọng lại trên ruộng bông dưới 10 cm trong 1 ngày thì năng suất bông đã giảm, nếu ngập 6  7 ngày thì bông sẽ chết. Một số cây lương thực như ngô, khoai... nước ngập 10 15 cm không được để quá 2  3 ngày. Thời gian chịu ngập có quan hệ với chất đất và điều kiện khí hậu. Đối với loại đất nặng ở điều kiện nhiệt độ cao thì thời gian chịu ngập (cho phép) giảm. Cây lúa có khả năng chịu ngập tốt hơn. Khả năng chịu ngập của lúa lại thay đổi theo giai đoạn sinh trưởng. Theo các tài liệu thí nghiệm thì biểu đồ mô tả quan hệ giữa số ngày ngập của lúa với tỉ lệ giảm năng suất. 

Do yêu cầu tiêu thoát độc tố trong đất canh tác và tạo độ ẩm thích hợp cho cây trồng phát triển. Khi mực nước ngầm quá cao sẽ làm cho cây trồng phát triển kém, do ảnh hưởng của muối độc và các chất độc không được phân giải, do đó phải có biện pháp hạ thấp mực nước ngầm, bảo đảm độ ẩm thích hợp cho sự phát triển bình thường của cây trồng. 

Do yêu cầu đối với việc cải tạo đất mặn đối với vùng đất bị nhiễm mặn, đồng thời phải chống mặn tái sinh khi mực nước ngầm dâng cao.

Do yêu cầu canh tác nông nghiệp. Cần phải tạo cho đất độ ẩm thích hợp để máy móc làm đất hoạt động tốt, phải hạ và khống chế mực nước ngầm ở độ sâu thích hợp (thường phải cách mặt đất 0.5  0.6 m).

Hệ thống điều tiết nước mặt ruộng bao gồm hệ thống tiêu thoát nước mặt bằng kênh hở và hệ thống tiêu thoát nước ngầm bằng kênh hở hoặc hệ thống ống ngầm.

Sau khi mưa, hệ thống kênh tiêu cần phải rút hết nước mưa trên mặt ruộng trong khoảng thời gian ngập cho phép bảo đảm cho cây trồng tránh được thiệt hại do ngập úng. Việc tiêu nước trên mặt ruộng có quan hệ với việc trữ nước trên ruộng, quá trình hình thành dòng chảy của nước mưa và khoảng cách giữa các kênh tiêu.

3.1.1. Khả năng trữ nước mặt ruộng của cây trồng cạn

Dòng chảy sản sinh do mưa, một bộ phận bị chặn giữ trên hệ thống kênh tưới và công trình mặt ruộng, từ đó sẽ giảm nhỏ được cường độ tiêu nước và lượng nước tiêu ở mặt ruộng. Bản thân tầng đất của ruộng trồng trọt có thể trữ lại lượng nước mưa do thấm, khi lượng trữ ẩm tăng lên thì bổ sung vào nước ngầm làm cho mực nước ngầm dâng cao. Tuy nhiên, cần phải hạn chế việc dâng cao mực nước ngầm để đề phòng mực nước ngầm có thể gây tác hại đối với cây trồng.  

Thời gian tiêu nước cho phép đối với đất màu:

t +    [T](3.1) 

Trong đó: 

t: Thời gian mưa

: Thời gian rút nước sau mưa

[T]: Thời gian tiêu cho phép

Khả năng trữ nước cho phép được xác định:

          V= A.H.(max - 0) + A.H1.( bh - max)(3.2)

Trong đó:

V: Lượng nước có thể trữ (m) hoặc (m3/ha)

H: Chiều dày tầng đất trên mực nước ngầm (m)

A: Độ rỗng của đất (% thể tích đất)

0: Độ ẩm ban đầu của đất (%A)

max: Sức trữ nước tối đa (%A)

bh: Độ ẩm bão hoà (%A)

H1: Độ dâng cao của mực nước ngầm cho phép (m)

Từ đây ta có thể rút ra điều kiện khống chế về yêu cầu tiêu:

K0.( t +  )1 -    V

và  với                     (3.3)

Tình hình chung, khi lượng nước thấm của mưa vào tầng đất chứa nước vượt quá khả năng trữ nước thì phải xây dựng hệ thống tiêu thoát lượng nước mưa quá nhiều tránh cho cây trồng bị hại.

3.1.2. Quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng cây trồng cạn

Để thấy rõ tác dụng của kênh tiêu và bố trí hợp lý hệ thống tiêu nước, ta sẽ phân tích quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng.

 Trên ruộng trồng cây trồng cạn, khi  mưa nếu cường độ mưa vượt quá tốc độ thấm của đất thì sẽ hình thành dòng chảy. Nếu đất có một độ dốc nhất định thì lớp nước sẽ vận chuyển theo hướng dốc về kênh tập trung nước. Ở phía đầu khu ruộng, diện tích tập trung nước bé do đó độ dày lớp nước sẽ bé theo sự gia tăng của diện tích tập trung nước, độ dày lớp nước sẽ tăng lên, có nghĩa càng cách xa phía đầu ruộng thì độ dày lớp nước càng lớn. Khi độ dốc mặt đất và tình hình che phủ giống nhau thì thửa ruộng càng dài, độ sâu lớp nước nghập phía cuối ruộng càng lớn. Sau khi ngừng mưa, thời gian rút nước càng chậm và thời gian chịu ngập càng lớn. Như vậy sẽ bất lợi đối với cây trồng. Để tránh ảnh hưởng không tốt đối với cây trồng ta cần đào kênh tiêu rút ngắn chiều dài dòng chảy để có thể giảm bớt độ sâu và thời gian chịu ngập bảo đảm độ sâu và thời gian trong phạm vi cho phép. Giá trị lớn nhỏ về khoảng cách giữa các kênh tiêu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu ngập và thời gian ngập của cây trồng, có thể xem biểu đồ dưới đây.

 Hình 3.3.  Ảnh hưởng của kênh tiêu đối với quá trình hình thành dòng chảy

1. Đường quá trình tiêu trước khi đào kênh tiêu C

2. Đường quá trình tiêu nước sau khi đào kênh tiêu C

Thí dụ trận mưa có tổng lượng 116mm trong 4h trên đất nặng và đất sét ở một vùng cho ta quan hệ giữa khoảng cách kênh tiêu và thời gian ngập ở ruộng.

Bảng 3.1 - Khoảng cách kênh tiêu và thời gian ngập

Khoảng cách giữa 2 kênh tiêu (m)3050100400

Thời gian ngập ở ruộng (h)3  4 ngày5  6 ngày10  12 ngày3  4 ngày

Từ phân tích trên việc xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu nhằm rút nước mưa với tần suất thiết kế bảo đảm cho cây trồng phát triển bình thường.

Đây là vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu giải quyết.

3.2. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu cấp cố định cuối cùng trên ruộng của cây trồng cạn

Việc xác định khoảng cách này có thể thực hiện theo hai giả thiết: Giả thiết dòng ổn định và không ổn  định. Trước tiên ta nghiên cứu giả thiết đơn giản là dòng ổn định.

3.2.1. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu theo dòng ổn định

1. Giả thiết tính toán

- Dòng chảy trên mặt đất là dòng đều, lưu tốc dòng chảy tính theo công thức Sezi.

- Độ dốc và độ gồ ghề trên mặt đất là đồng nhất.

- Chất đất đồng đều và hệ số ngấm là đồng nhất.

- Cường độ mưa phân bố đồng đều trên diện tích nghiên cứu.

2. Sơ đồ tính toán

Hình 3.4 .  Sơ đồ tính toán

3. Phương pháp tính toán

a) Xác định lưu tốc dòng chảy trên mặt đất

Lưu tốc dòng chảy trên mặt đất được xác định theo công thức:

(3.4)

Vì độ sâu lớp nước trên mặt ruộng là bé với chiều rộng thửa ruộng nên xem R = y và như vậy:

(3.5)

C1 theo công thức Bazanh:(3.6)

Thay (4.6) vào (4.5) ta có: Vx = Cy với  (3.7)

 : Độ gồ ghề mặt ruộng, xác định  theo thực nghiệm, phụ thuộc độ đặc trưng che phủ mặt ruộng. Thường C = 15  40  

b) Thiết lập phương trình cơ bản và xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu

Ta thiết lập phương trình liên tục giữa hai mặt cắt I - I và II - II. 

Lượng nước vào mặt cắt I - I và lượng mưa bổ sung trên chiều dài dx là: q + pdx

Lượng nước ra ở mặt cắt II - II và ngấm trên độ dài dx là: 

       (q + dq) + Kdx

Ta có phương trình cân bằng như sau:

q + pdx = (q + dq) + Kdx

dq = (p - K)dx(3.8)

Theo (3.7) thì lưu lượng trên đơn vị chiều rộng tại mặt cắt x là:  q = Cy2(3.9)

Đưa (3.9) vào (3.8) ta có:2Cydy = (p - K)dx(3.10)

Tích phân 2 vế phương trình (3.10) theo cận:         

ta có :                   (3.11)với

Tại mặt cắt x = L  thì y = Hnên ta có(3.12)

Phương trình (3.11) là phương trình đường mặt nước trên ruộng trong thời gian mưa.

Để thiết lập quan hệ giữa thời gian rút nước sau khi mưa với khoảng cách giữa hai kênh tiêu ta phân tích thêm như sau:

- Lượng nước đọng lại trên một đơn vị chiều rộng ở ruộng khi kết thúc mưa được xác định theo hệ thức :

(3.13)

Ở đây là tính cho một đơn vị chiều rộng mặt ruộng.

Lượng nước này sẽ được tháo đi qua mặt cắt cuối thửa ruộng (bờ trái kênh tiêu) và ngấm trong quá trình di chuyển lớp nước về phía dưới.

Lượng nước được tháo qua mặt cắt H là:(3.14)

  với   

     : Thời gian rút nước sau khi dừng mưa.

Kết hợp với hệ thức (3.12) ta có:(3.15)

Lượng nước thấm được xác định theo công thức:

( 3.16)

Cân bằng (3.13) với (3.15) và (3.16) ta có:

     (3.17)

Từ (3.17) ta rút ra:(3.18)

(3.19)

3.2.2. Xác định khoảng cách giữa 2 kênh tiêu theo dòng không ổn định

1. Giả thiết tính toán

- Cường độ mưa và tốc độ thấm phân bố đều trên toàn diện tích khu tưới.

- Độ nhám và độ dốc địa hình của diện tích tiêu là đồng nhất.

- Tốc độ dòng chảy tuân theo quy luật dòng đều.

- Đường mặt nước thay đổi theo thời gian.

2. Thiết lập hương trình cơ bản và giải

Phương trình cơ bản được thiết lập trên cơ sở phương trình liên tục khi dòng chảy chuyển động qua hai mặt cắt I - I và II - II với chiều dài dx trong thời đoạn dt.

Theo nguyên lý bảo toàn khối lượng ta có:

(3.20)

(3.21) 

q: Lưu lượng trên 1 đơn vị chiều rộng (m3/s-m)

p: Cường độ mưa rơi xuống trên khu vực trong thời đoạn nghiên cứu (mm/h)

K: Cường độ thấm của đất (mm/h)

h: Độ sâu lớp nước mặt ruộng trong thời gian mưa (mm)

Để giải phương trình trên ta cần xác định một số điều kiện quan hệ sau:

1. Lưu tốc dòng chảy trên mặt ruộng được xác định bằng hệ thức tổng quát 

V = C.In.hm(3.22)

C: Hệ số thực nghiệm hoặc hệ số Sêzi

I: Độ dốc mặt đất

n, m: Các tham số thực nghiệm

2. Lưu lượng trên 1 đơn vị chiều rộng

Từ hệ thức (3.22) ta có:q = V. = C.In.hm + 1(3.23)

3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên

- Điều kiện ban đầu: t = 0  h = 0

- Điều kiện biên:   t  0  

Kết hợp với hệ thức (3.23), phương trình (3.21) được đưa về dạng:

(3.24)

Theo Strepanov, phương trình (3.24) được đưa về phương trình đặc trưng ở dạng sau:

(3.25)

Từ (3.25) ta có hệ phương trình:

(3.26)

Từ (3.26) ta có:

Theo điều kiện ban đầu, khi t = 0  h = 0, do  đó C1 = 0 và phương trình còn lại:

h = (p - K).t(3.27)

Cũng từ (3.26) ta có:

C.In. hm + 1 =(p - K).x + C2

Kết hợp với điều kiện biên khi x = 0  h = 0 , do vậy C2 = 0 và phương trình còn lại:

(3.28)

3. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu

a) Xác định lượng nước đọng lại trên ruộng khi ngừng mưa

(3.29)

b) Lượng nước tháo ra kênh tiêu ở phía cuối thửa ruộng

(3.30)

 : Thời gian rút nước sau khi ngừng mưa 

H: Chiều sâu lớp nước trên ruộng ở bờ trái của kênh tiêu khi x = L, do đó theo (3.28) thì:

Thay vào (3.30) ta có:(3.31)

Lượng nước thấm trên độ dài di chuyển về phía kênh tiêu:

( 3.32)

Theo định luật bảo toàn lượng nước: 

W = W1 + W2

Thay vào các hệ thực trên, ta có:

     (3.33)

Từ (3.33) rút ra:(3.34)

Nếu L tính bằng (m), C: (1/s), P và K: (mm/h), : (h) thì cần đưa vào hệ số chuyển thứ nguyên là 3,6 do vậy:

(3.35)

3.3. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu nước ngầm 

3.3.1. Một số đặc trưng vật lý và chỉ tiêu cơ bản của vùng Tiêu nước ngầm 

3.3.1.1. Định nghĩa và phạm vi môi trường mặt ruộng

Môi trường tiêu nước mặt ruộng bao gồm không gian phía trên và phía dưới mặt ruộng

1. Môi trường phía trên mặt ruộng bao gồm đặc trưng đất đai, độ phì và đặc trưng che phủ mặt ruộng . Các đặc trưng này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc trưng dòng chảy ở mặt ruộng, có nghĩa là ảnh hưởng đến kỹ thuật tiêu nướ mặt

2. Môi trường phía dưới mặt ruộng là phần cấu tạo mặt cắt địa chất và đặc trưng chuyển động của dòng thấm ở môi trường. Môi trường này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tiêu thoát ngầm trong khu vực.

Về mặt đặc trưng môi trường thấm chia ra 3 loại :

+ Môi trường thấm đồng nhất và đẳng hướng : Trong trường hợp này , hệ số thấm theo mọi hướng và theo mọi điểm là như nhau

+ Môi trường thấm đồng nhất và dị hướng : Trong trường hợp này, hệ số ở mọi điểm là như nhau, nhưng theo hướng là khác nhau 

+ Môi trường thấm không đồng nhất và dị hướng : Trong trường hợp này , hệ số thấm theo mọi hướng và theo mọi điểm là khác nhau

3.3.1.2. Sự chuyển húa mụi trường

Để đơn giản tính toán, người ta chuyển môi trường dị hướng về môi trường đẳng hướng, có nghĩa là ta sẽ thay hệ số thấm khác nhau theo phương chuyển động về hệ số thấm bình quân:

1.Trường hợp 1:

Phương vận động của dòng thấm ngầm song song với lớp phân tầng thì hệ số thấm bình quân được xác định như sau :

     (3.36 )

Trong đó : 

K1, K2, K3,......Kn : Hệ số thấm của cỏc tầng

h1, h2, h3, ....., hn : Chiều dày lớp đất thấm của cỏc tầng

2.Trường hợp 2:

Phương vận động của dòng thấm ngầm thẳng góc với lớp phân tầng thì hệ số thấm bình quân được xác định như sau :

                       (3.37)

3.Trường hợp 3:

Hệ số thấm theo các phương khác nhau là khác nhau. Hệ số thấm chuyển đổi được xác định như sau :

+ Trường hợp thấm phẳng:

                  (3.38)

+ Trường hợp thấm không gian

           (3.39)

Kx, Ky, Kz : là hệ số thấm theo phương x, y, z

3.3.1.3. Chuyển động của nước mao quản

Chuyển động của nước mao quản trong đất là nhờ tác dụng của lực hút và lực dính tức là dưới tác dụng của thế mao quản. 

Độ dâng cao mao quản là nước ngầm dâng lên do tác dụng của ống mao quản nhờ sức căng bề mặt của dịch thể trong ống mao quản. Độ dâng cao của nước mao quản thay đổi theo sự hợp thành của kết cấu đất, theo độ rỗng, theo thành phần cơ giới của đất.

Chuyển động mao quản của nước trong đất là chuyển động đặc trưng của đất không bão hòa.

Ở đất chưa bão hòa nước, sự chuyển động mao quản của nước là chậm hơn ở đất cát và nhanh hơn ở đất sét. Ở đất đã bão hòa nước thì có tình hình là ngược lại.

Độ dâng lên của nước trong đất là do áp lực mao quản:

     (3.40)

Độ cao dâng lên do mao quản xác định theo hệ thức:

   (m)(3.41)

Trong đó:

: Sức căng bề mặt nước

r: Bán kính của ống mao quản

a: Trọng lượng riêng của nước

dS: Biến đổi diện tích xung quanh của ống mao quản

dV: Biến đổi thể tích ống mao quản

Hệ thức (2-6) có thể chứng minh như sau:

Theo nguyên lý thủy tĩnh thì:

p = Hc..g(3.42)

                                         (3.43)

Thay (3.42) vào (3.43) thì:

Hoặc

Hệ thức (3.41) đã được chứng minh.

Bảng 3.2. Quan hệ giữa loại đất và độ dâng mao quản

Loại đấtĐộ dâng cao mao quản Hc (m)

Đất cát

Thịt pha cát

Thịt nhẹ

Thịt trung bình

Thịt nặng và hoàng thổ

Đất sét0,5  1,0

1,0  1,5

1,5  2,0

2,0  3,0

3,0  4,0

4,0  5

3.3.1.4. Sự chuyển động của nước trọng lực

     Dưới tác dụng của trọng lực, nước sẽ lưu chuyển từ cao xuống thấp, từ điểm có thế trọng lực cao xuống điểm có thế trọng lực thấp.

Có thể chia ra hai trường hợp nghiên cứu quá trình thấm trên đất tưới:

- Thấm trong trường hợp đất chưa bão hòa nước

- Thấm ở trường hợp đất đã bão hòa nước hoặc gần bão hòa nước

1. Trường hợp thấm khi đất chưa bão hòa nước

Trường hợp này được gọi thấm hút, thường xuất hiện trên đất tưới cho cây trồng cạn hoặc trên đất lúa giai đoạn làm đất mùa khô.

a) Hệ thức Côtchiacôp

Hệ thức được xây dựng trên cơ sở thí nghiệm tưới nước và nước được thấm từ trên mặt đất xuống lớp đất bên dưới theo hướng thẳng đứng.

Hệ thức có dạng:

(cm/h)(3.44)

Kt: Tốc độ thấm ở thời gian t, có thể dùng đơn vị cm/h hoặc mm/phút… 

t: Thời gian thấm hút

K1: Cường độ thấm bình quân ở đơn vị thời gian thứ nhất

: Chỉ số ngấm của đất, phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của đất, thường  = 0,3  0,8

Từ hệ thức (3.44) ta sẽ tính được lượng nước thấm sau thời gian t

(3.45)

và(3.46)

b) Hệ thức Horton

Trong trường hợp này cũng có thể tính toán theo hệ thức Horton:

(3.47)

K0: Tốc độ thấm ở thời điểm ban đầu

S: Chỉ số ngấm có ý nghĩa như chỉ số  trong hệ thức (3.44)

K: Hệ số ngấm ổn định của đất

              t : Thời gian ngấm 

Về mặt toán học, hệ thức này biểu thị ý nghĩa vật lý rõ hơn.

       Để xác định trị số S ta lấy ln hai vế phương trình 3.47

 ln(Kt-K) = -st+ln(K0-K)

                                 Suy ra :         St = ln(K0-K) - ln(Kt-K)

Từ (3.45) ta cũng xác định được lượng nước thấm:

(3.48)

Và cường độ thấm trung bình sẽ là:

      (3.49)

c) Nghiên cứu mô hình thấm trong giai đoạn ngấm hút

Sự vận động của nước thấm trong giai đoạn này có thể biểu thị bằng phương trình cơ bản:

Có thể áp dụng Darcy cho đất chưa bão hòa nước.

Tốc độ thấm theo ba phương có thể xác định

                                                                 (3.50)

Trong đó :  Tổng thế nămg của nước trong đất, 

                  = h+z ( Biểu thị bằng tổng cột nước )

Vì xuất phát từ công thức cơ bản : 

 = - K()grad(h+z)        (3.51)

                     z

                                                vz+

                                  Vx                          vx+

                                                       vz

                                                                                           x

Sự chênh lệch lượng nước chảy theo 3 hướng :

                                                       (3.52)

Thay (3.51) vào (3.52) ta có :

       (3.53)

Ta xét : 

                                                                            (3.54)

Và xem hệ số khếch tán ẩm : 

                                                                       (3.55)

Trong đó:

: Độ ẩm của đất ở thời điểm nghiên cứu

D(): Hệ số khuyếch tán ẩm, biểu thị lưu lượng nước khuyếch tán trong đất qua một đơn vị diện tích, nó có quan hệ với độ ẩm của đất.

K(): Hệ số thấm, có quan hệ với độ ẩm

h: Áp lực nước trong đất

z: Biểu thị độ sâu lớp đất nghiên cứu

t: Biểu thị thời gian

Ta có : 

       (3.56)

Phương trình (3.56) nói rõ sự thay đổi theo chiều sâu và thời gian của độ ẩm trong đất trong quá trình ngấm của nước tưới từ trên mặt đất.

2. Trường hợp thấm khi đất đã được bão hòa nước

a) Phương trình tổng quát khi môi trường thấm đã bão hòa nước

Những giả thiết cơ bản:

- Đường dòng là những đường nằm ngang

- Đáy không thấm nước 

- Dòng thấm tuân theo định luật thấm Darcy

Lượng nước chảy qua mặt cắt ADGH trong thời gian dt là : 

Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát khi môi trường thấm đã bão hòa nước

         (3.57)

Lượng dịch thể chảy qua mặt cắt BCEF là :

        (3.58)

Lượng nước phụ thêm theo hướng trục Ox sau thời gian dt sẽ là :

                                  (3.59)

Tương tự như vậy theo hướng trục Oy sau thời gian dt sẽ là

  (3.60)

Lượng nước thấm từ trên mặt với cường độ q sẽ là : 

dx.dy.dt.q

Tổng biến đổi của 3 thành phần trên là : 

       (3.61)

Theo nguyên lý bảo toàn khối lượng ta sẽ có : Tổng biến đổi của 3 thành phần trên sẽ bằng sự gia tăng của cột phân tử trong thời gian dt :

                                                     (3.62)

Như vậy :

      (3.63)

Với h=H+z , Nếu lấy z= Cost  

Nếu K là hằng số thì tích phân các giá trị trong ngoặc ta sẽ có : 

        (3.64)

Trong đó :  Hệ số thoát nước của đất.

b) Vận động của nước trong điều kiện khống chế mực nước ngầm

Khi mực nước ngầm nằm nông do ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên và con người làm cho mực nước ngầm luôn biến động. Sự biến động của mực nước ngầm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận động của nước trong đất. Động thái của nước ngầm ở đất trồng trọt có thể gặp một số tình huống:

1.Mực nước ngầm tăng lên khi ảnh hưởng của mưa hoặc tưới

2.Mực nước hạ dưới ảnh hưởng của bốc thoát hơi

3.Mực nước ngầm hạ do ảnh hưởng của biện pháp thủy lợi (tiêu nước mặt hoặc tiêu nước ngầm)

4.Mực nước ngầm được khống chế ở độ sâu nhất định sau khi mưa hoặc tưới

Phương trình cơ bản về sự vận động của nước ngầm được viết dưới dạng:

             (3.65)

Vớibiểu thị khi cột nước áp lực giảm một đơn vị, tức là thể tích nước thoát ra trong một đơn vị thể tích đất.

c) Tính lượng nước thấm trong giai đoạn đất bão hòa nước hoặc gần bão hòa nước

Khi mực nước ngầm nằm nông, độ ẩm của đất tương đối cao, lượng nước thấm có thể tính theo định luật Dacxy

             (cm)  (3.66)

K: Hệ số ngấm (cm/h)

a: Độ sâu lớp nước trên mặt ruộng

h: Độ sâu lớp nước ngấm vào trong đất, trước đây thường xem h là hằng số, do đó việc tính toán đơn giản

t: Thời gian cần thiết để làm bão hòa đất trên mực nước ngầm, có thể xác định theo công thức của Verdernikov:

                        (3.67)

: Hệ số thoát nước của đất, phụ thuộc vào loại đất,   = A(1 - đr)

A: Độ rỗng của đất

đr: Sức trữ nước đồng ruộng (độ ẩm tối đa), phụ thuộc vào loại đất

Để nâng cao độ chính xác tính toán lượng thấm trong trường hợp xem h là thay đổi theo thời gian, GS. Tống Đức Khang đã nghiên cứu và xác định được hệ thức tính Wt (Chi tiết xem Tuyển tập công trình nghiên cứu của ĐHTL 1999).

       (3.68)

3.3.1.5. Hệ số trữ nước trong đất

Hệ số trữ nước trong đất được xác định:

 = 1 -                                                                   (3.69)

1 : Sức chứa nước lớn nhất 

 : Độ ẩm hiện tại

1  = A - P0                                                                                                       (3.70)

A : Độ rỗng của đất

P0 : Thể tích của không khí của khe rỗng trên mực nước ngầm 

Giá trị của   có quan hệ đến tốc độ thoát nước của nước ngầm, do đó là chỉ số rất quan trọng cần được nghiên cứu

Theo tài liệu thực nghiệm của Averianop ( 1956) đã đề nghị công thức xác định :

                                             (3.71)

 0  Độ ngậm nước phân tử lớn nhất

y:  Độ sâu của mực nước ngầm cách mặt đất 

H0 : Đọ dâng cao mao quản lớn nhất của mực nước ngầm

Một số tác giả khác đẫ tìm thấy quan hệ giữa hệ số thoát nước  và hệ số them, cũng như độ sâu của mực nước ngầm 

Theo Erkin ( 1957 ) tìm thấy trong đất khoáng

                                                              (3.72)

K:  hệ số thấm của đất , m/s 

 :  Độ sâu của mực nước ngầm , m

Theo Iviski ( 1938)

                                                       (3.73)

Theo Zeler ( 1964) đã tìm quan hệ giữa tỷ số /A với hệ số thấm theo bảng dưới đây 

Bảng 3.3. Quan hệ  /A và K

K( cm/h)10-310-210-11101102

/A0,02-0,250,2-0,450,38-0,670,6-0,850,8-1,00,92-1,0

Theo Beems ( 1965 ) Đã đề nghị công thức :

                                                       (3.74)

K:  hệ số thấm của đất , m/ngày

3.3.1.6. Cường độ bốc hơi của mặt nước ngầm 

Sự bốc hơi của mặt nước ngầm có tác dụng hạ mực nước ngầm trong đất vùng đất nông nghiệp góp phần vào việc thoát nước ngầm trong trạng thái tự nhiên :

Cường độ bốc hơi của mặt nước ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

-Điều kiện khí hậu

-Đặc trưng đất đai

-Độ sâu của mực nước ngầm

Vấn đề này đã được một số tác giả nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu đồng bằng sông Nin, Hammad đã tiến hành thực nghiệm và tìm được quan hệ giữa cường độ bốc hơi của mực nước với độ sâu của mực nước ngầm bằng biểu đồ với đất sét pha cát : 

Hình 3.8. Biểu đồ quan hệ giữa cường độ bốc hơi của mực nước với độ sâu của mực nước ngầm ( inche = 2,54 cm ; feet = 30,5 cm )

ở gần mặt đất tác giả đã xác định được quan hệ :

q0 = q0( 1 - C. )                                   (3.75)

q0  : Cường độ bốc hơI của mặt nước 

      :  Độ sâu của mực nước ngầm 

    C : Hệ số thực nghiệm ( Chưa chỉ rõ giá trị C )

Theo tài liệu thực nghiệm của Averianop ( 1956) đã đề nghị công thức xác định :

                                            (3.76)

0 :  Độ sâu giới hạn của mực nước ngầm, đó là độ sâu ở vị trí của nó sự bốc hơI nước của nước ngầm xem như băng không. Độ sâu này phụ thuộc vào loại đất

n :  Chỉ số thực nghiêm 1< n < 3 , thường lấy n = 2

Trên cơ sở số liệu thực nghiệm , tác giả đã xây đựng được biểu đồ quan hệ giữa q/q0 và /o với n = 1,2,3.

            Bảng 3.4. Quan hệ giữa o và loại đất : 

TTLoại đấto  ( m )

1Đất hoàng thổ3,5 – 4

2Đất thịt pha sét nặng2

3Đất thịt pha sét nhẹ3

4Đất thịt pha cát phân tầng2

5Đất sét rất nặng1,5

Hình 3.9. Quan hệ giữa q/q0 và /o

3.3.2. Xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo dòng ổn định 

Khái quát chung 

Cấu trúc của hệ tiêu nước ngầm bao gồm chiều sâu, khoảng cách giữa hai kênh tiêu và hình dạng, kích thước mặt cắt ngang của kênh tiêu hoặc ống tiêu.

Việc tiêu thoát nước ngầm sau khi mưa nhằm hạ thấp mực nước ngầm xuống độ sâu cần thiết theo yêu cầu phát triển nông nghiệp bằng hệ thống kênh hở hoặc ống tiêu ngầm là điều rất trọng yếu.

1. Chống hiện tượng lầy và chua của đất khi mực nước ngầm cao và hiện tượng mặn tái sinh.

2. Làm tăng lượng không khí trong đất, tạo điều kiện phân giải các chất hữu cơ làm thức ăn nuôi cây.

Lượng không khí trong đất  được xác định theo quan hệ:

 = A -  k.(3.77)

: Lượng không khí của đất (% thể tích đất)

A: Độ rỗng của đất (% thể tích đất)

k: Dung trọng khô của đất (T/m3)

: Độ ẩm của đất tính theo %k

3. Có tác dụng điều tiết nhiệt của đất

Khi độ ẩm của đất giảm làm cho nhiệt độ của đất sẽ tăng và ngược lại do tính chất hấp thụ nhiệt của môi trường đất.

4. Do thay đổi tỉ lệ không khí trong đất có thể làm thay đổi cấu trúc đất, tăng khả năng trữ nước của đất (xem tài liệu thí nghiệm bảng 7.1).

        Bảng 3.5.  Ảnh hưởng của tiêu nước đến cấu trúc đất

Thời kỳĐộ ẩm của đất (%)

Không tiêuTiêu ngầm

Ở độ sâu 0,6 mỞ độ sâu 1,0 m

Hạn6,813,716,6

Ẩm19,017,317,3

5. Do yêu cầu canh tác cơ giới cũng như tạo được độ sâu thích hợp cho cây trồng phát triển, mực nước ngầm cần được khống chế ở một độ sâu thích hợp. Độ sâu này thay đổi theo loại cây trồng.

            Bảng 3.6. Mực nước ngầm thích hợp

Loại đấtCây nông nghiệpĐồng cỏ

Đất sét chặt0,7  1,20,5  0,6

Đất trung bình0,6  1,00,4  0,6

Đất cát0,6  0,80,3  0,5

Đất mùn0,6  0,80,3  0,4

Do vậy cần phải nghiên cứu quy hoạch hệ thống tiêu ngầm để thoả mãn các yêu cầu nói trên

3.3.2.1. Hệ thống thoát nằm ngay trên lớp không thấm

1) Giả thiết tính toán

- Môi trường đất thấm là đồng nhất và đẳng hướng, hệ số thấm K là không đổi.

- Cường độ thấm p0 của nước mưa vào trong đất là phân bố đều và không đổi.

- Lưu lượng rút vào kênh tiêu hay đường ống là không đổi trong thời gian nghiên cứu.

- Nước đến chỉ là nước thấm do mưa từ trên mặt đất.

- Dòng thấm tuân theo định luật Dacxy.

2) Sơ đồ tính toán

3) Phương trình cơ bản và cách giải

Phương trình cơ bản được thiết lập trên cơ sở lưu lượng thấm từ nước mưa và lưu lượng rút vào ống tiêu.

(3.78)

Điều kiện biên: 

Độ sâu kênh tiêu D:D = H + z

Z: Tiêu chuẩn cần tiêu (m), phụ thuộc loại đất và loại cây trồng.

H: Độ cao lớn nhất của đường bão hoà tại trung tâm giữa hai ống tiêu.

Tích phân phương trình (7.2) ta có:

(3.79)

Nếu tính lưu lượng trên 1 đơn vị chiều dài của đường:

(3.80)

3.3.2.2. Hệ thống thoát nằm cách xa tầng không thấm (hoặc tầng không thấm nằm sâu)

1) Sơ đồ tính toán

2) Giả thiết tính toán

- Giống các giả thiết ở trường hợp 1.

- Các đường đẳng áp là những vòng tròn đồng tâm đi qua tâm điểm của ống thoát.

3) Phương trình cơ bản và cách giải

Lưu lượng chảy vào ống thoát gồm 2 phần:

- Lưu lượng chảy vào phần trên trục hoành (xem sơ đồ):                

(3.81)

- Lưu lượng chảy vào phần dưới trục hoành:

(3.82)

Tổng lưu lượng chảy vào ống tiêu:

 (3.83)

Điều kiện biên: 

Tích phân phương trình (7.7) kết hợp với điều kiện biên ta có:

Sau khi tích phân và rút gọn:(3.84)

Và lưu lượng cho 1 đơn vị chiều dài đường ống thoát :

(3.85)

Trường hợp này bằng phương pháp thuỷ động, một số tác giả đã đề nghị một số công thức ở dạng khác:

Theo Numerov (1953) thì:(3.86)

Theo Hammadơ (1954) thì:(3.87)

Theo Averianov và Tạ Tân Nghị (Trung Quốc)(1957) thì:

(3.88)

Theo Vedenhicov (1939) thì:(3.89)

Các đại lượng trong các công thức trên đã thuyết minh.

3.3.2.3. Hệ thống thoát nằm cách lớp không thấm một khoảng cách nhất định

1) Phương pháp 1

ãSơ đồ tính toán

ãCác giả thiết tính toán

- Giống trường hợp 1.

- Đường đẳng thế giống trường hợp 2.

ãPhương trình cơ bản và cách giải

Trường hợp này giống như trường hợp 2, lưu lượng rút vào đường ống gồm 2 phần, phía trên toạ độ Ox với góc , phía dưới toạ độ Ox với góc .

Do vậy:

(3.90)

và phương trình cơ bản sẽ là:

 (3.91)

Điều kiện biên: Giống trường hợp 2

Từ (3.91) ta có:

Sau khi tích phân và rút gọn ta có:

(3.92)

Lưu lượng cho 1 đơn vị chiều dài đường ống thoát:

(3.93)

2) Phương pháp 2

Phương pháp này chỉ khác phương pháp 1 là trục Ox và đường đẳng thế xem là thẳng đứng.

Phương trình cân bằng cơ bản:

(3.94)

Điều kiện biên:

Tích phân phương trình (3.94) kết hợp với điều kiện biên ta có:

Sau khi lấy tích phân ta có:

 (3.95)

Giải phương trình bậc 2 của L ở (3.95) ta có (bỏ qua d):

(3.96)

Nếu bỏ qua h0 thì:(3.97)

Công thức này giống dạng công thức Haugut (1940). Công thức Haugut có dạng:

(3.98)

Trong đó đặt T'= T,  lấy theo bảng tra.

Theo Guyon (1965):(3.99)

Theo Averianov (1959) thì:(3.100)

Trong đó  được xác định như sau:

+ Khi   thìvới 

+ Khi   thì 

Theo Hammadơ (1962) thì:     (3.101)

với 

3.3.2.4. Hệ thống thoát nằm rất gần lớp không thấm

a) Phương pháp 1

ãSơ đồ tính toán

ãGiả thiết tính toán

Đường đẳng thế là những đường thẳng đứng song song với trục Oy.

ãPhương trình cơ bản và cách giải

Phương trình cơ bản được thiết lập trên cơ sở lưu lượng thấm từ nước mưa và lưu lượng rút vào ống tiêu.

                                        (3.102)

Điều kiện biên: 

Tích phân phương trình (3.102) kết hợp với điều kiện biên ta có:

Sau khi lấy tích phân và đơn giản đi (bỏ qua d)ta có:

(3.103)

b) Phương pháp 2

ãSơ đồ tính toán

ãPhương trình cơ bản và cách giải

Trường hợp ta tính lưu lượng tại mặt cắt y, T' được xác định theo hệ thức:

 (3.104)

Tương tự như vậy, nếu xem phần trên trục ox của vùng bão hoà như một tam giác vuông thì:

(3.105)

Thay (3.105) vào (3.104) ta có:

Ta có phương trình cân bằng:(3.106)

Thay T  vào (3.106) ta có:

Tích phân phương trình trên kết hợp với điều kiện biên ta có:

Sau khi lấy tích phân và đơn giản đi (bỏ qua d) ta có:

(3.107)

3.3.3. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu nước ngầm theo dòng không ổn định 

3.3.3.1. Tính toán quá trình hạ của mực nước ngầm sau khi mưa dừng khi hệ thống thoát nằm trên lớp không thấm  (Phương pháp dòng không ổn định gần đúng )

Hình 3.16. Hệ thống thoát nằm trên lớp không thấm 

Các giả thiết tính toán và sơ đồ tính :

- Môi trường thấm đồng nhất, đẳng hướng

- Giả thiết quan hệ lưu lượng ở thời gian t được xác định theo hệ thức:

                                                                                              (3.108)

L : Khoảng cách giữa hai đường thoát ( cm )

K : Hệ số thấm của đất ( m/ngày )

hc(t) : Độ cao của đường bão hoà tại trung tâm giữa 2 đường thoát nước ở thời gian t .

Cách tính toán : 

Giả thiết sau thời gian dt , mực nước ngầm hạ xuống một độ cao dh, ta có thể viết phương trình cân bằng  nước trong thời đoạn dt như sau :

                                              q.dt= - L..dh                                               (3.109)

 : Hệ số thoát nước hoặc hệ số thoáng khí ,  = f( loại đất ) =  A - đr

Từ  ..rút ra :                                                                        (3.110)

Thay(3.110) vào (3.109) ta có :                                         (3.111)

                                                                                 (3.112)

                                                                                    (3.113)  

Hoặc :                                                                             (3.114)

Khi         t = t2 =   hc = H2 

                                                                        (3.115)    

Từ 6 ta cũng rút ra được;                                      (3.116)  

Đặt :                                                                                      (3.117)  

Thì hệ thức trên sẽ viết thành :

                                                                                       (3.118)  

Thay(3.118) vào (3.108) ta có :                                      (3.119)

Với :                                                                                     (3.120)

3.3.3.2. Tính toán quá trình hạ của mực nước ngầm sau khi mưa dừng khi hệ thống thoát nằm cách tầng không thấm một khoảng cách nhất định

1. Thiết lập phương trình cơ bản tổng quát

a) Sơ đồ nghiên cứu

Hình 3.17.  Sơ đồ nghiên cứu dòng thấm về kênh tiêu

b) Thiết lập phương trình cơ bản

Ta vẽ phóng phần tử nghiên cứu để thiết lập phương trình cơ bản. 

Ta có phương trình lượng dòng chảy trong thời đoạn dt trên đoạn dx

                                                               (3.121)

 (3.122)

q: Lưu lượng đơn vị chiều dài của kênh tiêu (m3/s-m)

: Độ rỗng chưa bão hoà của đất

Theo định luật Darcy thì lưu lượng đơn vị chiều rộng của mặt cắt bất kỳ

(3.123)

Thay vào phương trình (3.122) ta có:

(3.124)

Đây là phương trình cơ bản của dòng chảy nước ngầm vào kênh tiêu.

Đây là phương trình đạo hàm riêng dạng phi tuyến chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng hoặc phương pháp sai phân, không thể tích phân trực tiếp được.

Khi sự thay đổi của mặt nước ngầm bé so với độ sâu của mực nước ngầm H. Lúc này ta thay H bằng giá trị , do đó H trong phương trình (3.124) có thể đưa ra ngoài đạo hàm và phương trình (3.124) biến đổi thành:

(3.125)

Nếu đặt  thì phương trình (3.125) sẽ trở thành:

(3.126)

a: Hệ số chuyển dẫn mực nước.

Phương trình (3.126) là phương trình đạo hàm tuyến tính có thể giải trực tiếp và có thể được chuyển sang dạng khác như sau: 

Đặt  và thay h = H - H0 

Thay vào (3.126) ta có:(3.127)

+ Điều kiện ban đầu:

 t = 0h(x, 0) = 0

+ Điều kiện biên:       t  0

Độ cao đường bão hoà tại trung tâm của hai kênh thoát (hoặc ống ngầm):

(3.128)

Hệ thức (3.128) sẽ được giải trên máy vi tính vì phải tính tổng nhiều số hạng. Hệ thức này có thể viết dưới dạng khác:

(3.129)

Đặt(3.130)

Với  thì(3.131)

Từ hệ thức (3.131), ta sẽ xây dựng biểu đồ quan hệ  với  ở dạng không thứ nguyên với giá trị bất kỳ. Từ đó có thể suy ra cho các trường hợp cụ thể tuỳ ý mà không phải tính nhiều. 

Hình 3.20.  Quan hệ giữa  và 

Sơ đồ khối để lập chương trình tính toán cho hệ thức (3.131) như hình 3.20.

2. Trường hợp kết thúc mưa, nghiên cứu quá trình hạ thấp mực nước ngầm

a) Phương trình cơ bản

Phương trình cơ bản trong trường hợp này khi đã tuyến tính hoá:

(3.132)

a: Có ý nghĩa như trên,

Điều kiện ban đầu: t = 0  h(x, 0) = H1

Điều kiện biên: t  0

Nghiệm giải tích của phương trình (3.132) sẽ cho 3 trường hợp:

ãTrường hợp 1: Mực nước ngầm ban đầu là đường nằm ngang, h0 = const

(3.133)

H1: Độ cao đường bão hoà tại trung tâm hai đường thoát.

Dựa vào hệ thức (3.133) ta sẽ xác định được quá trình hạ thấp mực nước ngầm sau khi dừng mưa.

Nếu giải theo phương pháp chuỗi thì:

(3.134)

ãTrường hợp 2: Mực nước ngầm ban đầu thay đổi theo phương trình parabol của Averianôv (1959)

(3.135)

(3.136)

ãTrường hợp 3: Mực nước ngầm ban đầu thay đổi theo phương trình parabol của Glover (1964)

(3.137)

(3.138)

Để tiện tính toán ta lập quan hệ giữa  và 

Vớivà

Các hệ thức trên đã được tính bằng máy tính tính điện tử, xây dựng thành bảng tra hoặc đồ thị để tính cho đơn giản và nhanh (hình 7.18).

1 - Theo hệ thức 3.1342 - Theo hệ thức 3.1363 - Theo hệ thức 3.138

Hình 3.22.  Quan hệ giữa  và