Giáo trình Quy hoạch và thiết kế hệ thống thuỷ lợi

Tr−ờng Đại học Thuỷ lợi GIáO TRìNH Quy hoạch vμ Thiết kế hệ thống thuỷ lợi Tập I W R U WRU/SCB Hà nội, 2005 Tr−ờng Đại học Thuỷ lợi GIáO TRìNH Quy hoạch vμ Thiết kế hệ thống thuỷ lợi Tập I PGS.TS. Phạm Ngọc Hải GS.TS. Tống Đức Khang GS.TS. Bùi Hiếu TS. Phạm Việt Hòa W R U WRU/SCB Hà nội, 2005 Mục lục 3 Mục lục Trang Mục lục 3 Lời nói đầu 9 Bảng chữ viết tắt 10 Ch−ơng 1. Những khái niệm mở đầu về môn học 1.1. Nhiệm vụ, nội dung cơ bản môn học 11 1.1.1. Khái niệm về môn học 12 1.1.2. Nhiệm vụ của môn học 12 1.1.3. Nội dung cơ bản của môn học 14 1.2. Sơ l−ợc về lịch sử phát triển của ngành 14 Ch−ơng 2. Quan hệ đất - n−ớc và cây trồng, nguyên lý điều tiết n−ớc ruộng 2.1. ảnh h−ởng của n−ớc đối với sự phát triển của cây trồng và tác dụng cải tạo đất 20 2.1.1. ảnh h−ởng của n−ớc đến khả năng hút n−ớc của cây trồng 20 2.1.2. ảnh h−ởng của n−ớc trong đất đối với chế độ thoáng khí của đất trồng 30 2.1.3. ảnh h−ởng của n−ớc trong đất đến chế độ nhiệt của đất 30 2.1.4. ảnh h−ởng của n−ớc trong đất đến chế độ thức ăn của cây trồng 31 2.1.5. ảnh h−ởng của n−ớc trong đất đến độ phì nhiêu của đất 31 2.2. Các dạng n−ớc trong đất 32 2.2.1. N−ớc trọng lực 32 2.2.2. N−ớc mao quản 32 2.2.3. N−ớc liên kết 32 2.3. Chuyển động của n−ớc trong đất 33 2.3.1. Sự chuyển động của n−ớc d−ới dạng hơi 33 2.3.2. Chuyển động của n−ớc mao quản 33 2.3.3. Sự chuyển động của n−ớc trọng lực 34 2.4. Điều tiết n−ớc ruộng 41 2.4.1. Nguyên lý điều tiết n−ớc ruộng 41 2.4.2. Chất l−ợng n−ớc t−ới 42 Ch−ơng 3. Chế độ t−ới và yêu cầu t−ới cho các loại cây trồng 3.1. ý nghĩa, nội dung tính toán chế độ t−ới và các yếu tố ảnh h−ởng 46 3.1.1. ý nghĩa và nội dung 46 3.1.2. Các yếu tố ảnh h−ởng tới chế độ t−ới 47 3.2. L−ợng bốc hơi mặt ruộng, ph−ơng pháp xác định 48 3.2.1. Các yếu tố ảnh h−ởng tới l−ợng bốc hơi mặt ruộng 48 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 4 3.2.2. Các ph−ơng pháp xác định l−ợng bốc hơi mặt ruộng ETc 49 3.3. Tính toán chế độ t−ới cho lúa 66 3.3.1. Tính toán chế độ t−ới cho lúa theo quan điểm gieo cấy đồng thời 66 3.3.2. Tính toán chế độ t−ới cho lúa theo quan điểm gieo cấy tuần tự 73 3.4. Tính toán chế độ t−ới cho cây trồng cạn 88 3.4.1. Cơ sở và ph−ơng pháp tính toán 89 3.4.2. Thí dụ áp dụng 93 3.5. Hệ số t−ới - Giản đồ hệ số t−ới - Giản đồ l−u l−ợng t−ới 100 3.5.1. Hệ số t−ới - Giản đồ hệ số t−ới 100 3.5.2. Giản đồ l−u l−ợng t−ới thực cần của các cấp kênh 105 Ch−ơng 4. Chế độ tiêu và yêu cầu tiêu 4.1. Tính hệ số tiêu cho vùng trồng lúa 107 4.1.1. Các tài liệu cần thiết 107 4.1.2. Ph−ơng pháp tính toán 108 4.2. Tính toán tiêu cho cây trồng cạn 113 4.2.1. Các tài liệu cần thiết 113 4.2.2. Cách xác định thời gian tập trung dòng chảy (τ) 113 4.2.3. Tính toán hệ số tiêu lớn nhất cho cây trồng cạn 114 4.2.4. Cách tính hệ số tiêu lớn nhất cho cây trồng cạn theo ph−ơng pháp c−ờng độ m−a giới hạn 119 4.3. Tính tiêu cho các khu dân c− đô thị 121 4.3.1. Tính theo quy phạm 121 4.3.2. Tính hệ số tiêu cho đô thị theo mô hình 123 4.4. Tính hệ số tiêu cho hệ thống 125 4.4.1. Tr−ờng hợp không kể thời gian chậm tới 125 4.4.2. Tr−ờng hợp kể đến thời gian chậm tới của các nút ra đến cửa tiêu 125 Ch−ơng 5. Nguồn n−ớc và yêu cầu n−ớc trong quy hoạch thuỷ lợi tổng hợp 5.1. Nguồn n−ớc sử dụng cho các ngành kinh tế quốc dân 127 5.1.1. Các nguồn n−ớc mặt 127 5.1.2. Các nguồn n−ớc ngầm 130 5.2. Nhu cầu n−ớc của các ngành tiêu hao n−ớc 133 5.2.1. Yêu cầu n−ớc trong nông nghiệp 133 5.2.2. Nhu cầu n−ớc trong chăn nuôi 133 5.2.3. Nhu cầu dùng n−ớc cho công nghiệp 133 5.2.4. Xác định nhu cầu n−ớc cho sinh hoạt 138 5.3. Nhu cầu n−ớc của các ngành sử dụng n−ớc 142 5.3.1. Nhu cầu n−ớc nuôi trồng thuỷ sản 142 5.3.2. Yêu cầu của vận tải thuỷ đối với dòng chảy 143 5.3.3. Yêu cầu về chống lũ 144 5.3.4. Nhu cầu điện của các ngành kinh tế quốc dân và nhu cầu n−ớc của ngành điện 144 5.4. Nhu cầu n−ớc gián tiếp của các ngành kinh tế quốc dân 145 Mục lục 5 5.5. Các ph−ơng pháp dự báo nhu cầu n−ớc 147 5.5.1. Ph−ơng pháp ngoại suy theo thời gian 147 5.5.2. Ph−ơng pháp hệ số đơn 147 5.5.3. Mô hình tất yếu đa hệ số (Multiple coefficient requirement models) 148 5.5.4. Mô hình nhu cầu đa hệ số 149 5.5.5. Dự báo nhu cầu n−ớc trên cơ sở phân tích chỉ tiêu kinh tế vĩ mô 150 5.6. Tần suất tính toán của các công trình thuỷ lợi đối với các ngành dùng n−ớc 151 5.6.1. Khái niệm chung 151 5.6.2. Xác định tần suất tính toán 152 5.7. Nguyên tắc sử dụng nguồn n−ớc và nội dung tính toán thuỷ lợi 153 5.7.1. Nguyên tắc sử dụng nguồn n−ớc 153 5.7.2. Nội dung tính toán thuỷ lợi 154 Ch−ơng 6. Ph−ơng pháp t−ới và công nghệ t−ới 6.1. Khái quát chung 157 6.2. Ph−ơng pháp t−ới mặt đất 158 6.2.1. T−ới ngập cho lúa 158 6.2.2. T−ới theo dải 159 6.2.3. T−ới rãnh 171 6.2.4. Ph−ơng pháp thực nghiệm xác định chất l−ợng t−ới rãnh và t−ới dải 182 6.3. Ph−ơng pháp t−ới ngầm 184 6.3.1. Hệ thống đ−ờng ống ngầm 184 6.3.2. Hệ thống kênh lộ thiên để t−ới ngầm 184 6.3.3. Nhận xét về t−ới ngầm 184 6.4. Ph−ơng pháp t−ới phun m−a 185 6.4.1. Khái quát 185 6.4.2. Cấu tạo và phân loại 186 6.4.3. Vòi phun m−a và các đặc tr−ng 188 6.4.4. Thiết kế, tính toán hệ thống phun m−a 196 6.4.5. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật quản lý khai thác 202 6.4.6. Công tác vận hành quản lý, khai thác kỹ thuật phun m−a 205 6.5. Ph−ơng pháp t−ới nhỏ giọt 206 6.5.1. Đặc điểm và phân loại 206 6.5.2. Cấu tạo và phân loại hệ thống t−ới nhỏ giọt 206 6.5.3. Ưu khuyết điểm của hệ thống t−ới nhỏ giọt 207 6.5.4. Thiết bị và nguyên lý công tác 208 6.6. Công nghệ t−ới cục bộ tiết kiệm n−ớc 209 6.6.1. Giới thiệu công nghệ t−ới cục bộ tiết kiệm n−ớc 209 6.6.2. Cơ sở xác định chế độ t−ới hợp lý với kỹ thuật t−ới cục bộ tiết kiệm n−ớc 217 6.6.3. Yêu cầu của kỹ thuật t−ới cục bộ tiết kiệm n−ớc đối với chất l−ợng n−ớc 223 6.6.4. Xác định các tham số của công nghệ t−ới nhỏ giọt 224 6.6.5. áp dụng tính toán kỹ thuật t−ới nhỏ giọt 225 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 6 Ch−ơng 7. Hệ thống tiêu n−ớc mặt ruộng 7.1. Hệ thống kênh tiêu n−ớc mặt ruộng 233 7.1.1 Khả năng trữ n−ớc mặt ruộng của cây trồng cạn 233 7.1.2 Quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng cây trồng cạn 234 7.2. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu cấp cố định cuối cùng trên ruộng của cây trồng cạn 235 7.2.1. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu theo dòng ổn định 235 7.2.2. Xác định khoảng cách giữa 2 kênh tiêu theo dòng không ổn định 237 7.3. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu n−ớc ngầm 240 7.3.1. Xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo dòng ổn định 241 7.3.2. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu n−ớc ngầm theo dòng không ổn định 248 Ch−ơng 8. Bố trí hệ thống thủy lợi 8.1. Cấu tạo hệ thống thủy lợi 254 8.2. Bố trí công trình đầu mối t−ới của hệ thống thủy lợi 255 8.2.1. Tr−ờng hợp thứ nhất: Khi QS > Qyc và HS > Hyc 255 8.2.2. Tr−ờng hợp thứ hai: Khi QS > Qyc và HS < Hyc 256 8.2.3. Tr−ờng hợp thứ ba: Khi QS có lúc lớn hơn có lúc nhỏ hơn Qyc và HS có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn Hyc 258 8.3. Bố trí hệ thống kênh t−ới 258 8.3.1. Phân cấp kênh trong hệ thống t−ới 258 8.3.2. Bố trí kênh chính và kênh nhánh 259 8.3.3. Bố trí điển hình 261 8.3.4. Bố trí kênh m−ơng nội đồng (từ kênh cấp III đến kênh cấp cố định cuối cùng) 267 8.4. Bố trí kênh tiêu 267 8.4.1. Nhiệm vụ của hệ thống kênh tiêu 267 8.4.2. Cấu tạo của hệ thống tiêu trong khu t−ới 268 8.4.3. Bố trí hệ thống kênh tiêu 268 8.5. Bố trí mạng l−ới giao thông và cây chắn gió 269 8.5.1. Giao thông bộ 269 8.5.2. Đ−ờng thủy 271 8.6. Bố trí công trình trên kênh 271 8.6.1. Cống lấy n−ớc, phân phối tiêu tháo n−ớc và điều tiết n−ớc 271 8.6.2. Cầu máng 272 8.6.3. Xi phông ng−ợc 274 8.6.4. Cống luồn 276 8.6.5. Bậc n−ớc và dốc n−ớc 278 8.6.6. Tràn bên 281 8.6.7. Cầu giao thông 283 8.6.8. Bố trí công trình đo n−ớc 283 8.6.9. Công trình khống chế bùn cát 284 Mục lục 7 Ch−ơng 9. Thiết kế kênh 9.1. Những tài liệu cơ bản dùng để thiết kế kênh 288 9.1.1. Tài liệu về yêu cầu chuyển n−ớc 288 9.1.2. Tài liệu về địa hình, địa chất tuyến kênh 288 9.2. Các hình thức mặt cắt kênh - Chế độ thủy lực trong kênh 289 9.2.1. Các hình thức mặt cắt kênh 289 9.2.2. Chế độ thủy lực trong kênh 292 A - Kênh t−ới 294 9.3. Tính l−u l−ợng trên kênh t−ới 294 9.3.1. L−u l−ợng trên kênh t−ới 294 9.3.2. Tính l−ợng tổn thất trên kênh 295 9.3.3. Hệ số sử dụng n−ớc của kênh 301 9.3.4. Tính toán l−u l−ợng đặc tr−ng trên các cấp kênh t−ới 303 9.4. Thiết kế kênh t−ới 307 9.4.1. Các điều kiện cần đ−ợc thỏa mãn khi thiết kế kênh 307 9.4.2. Xác định một số chỉ tiêu của kênh 313 B - Kênh tiêu 317 9.5. Tính l−u l−ợng kênh tiêu 317 9.5.1. Hệ số tiêu - Giản đồ hệ số tiêu 317 9.5.2. Tính l−u l−ợng tiêu ở đầu hệ thống 319 9.6. Thiết kế mặt cắt dọc ngang kênh tiêu 321 9.6.1. Các điều kiện phải thỏa mãn khi thiết kế kênh tiêu 321 9.6.2. Trình tự thiết kế kênh tiêu 321 C - Kênh xây và kênh bê tông 323 9.7. Một số vấn đề trong thiết kế kênh xây và kênh bê tông 323 9.7.1. Các yêu cầu đối với kênh xây và kênh bê tông 323 9.7.2. Các b−ớc thiết kế kênh xây và kênh bê tông 324 Ch−ơng 10. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc công trình đầu mối 10.1. Mục đích, ý nghĩa và các tài liệu cần thiết cho tính toán 329 10.1.1. Mục đích và ý nghĩa 329 10.1.2. Các tài liệu cần thiết dùng cho tính toán 330 10.2. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình lấy n−ớc tự chảy trên sông 330 10.2.1. Các tr−ờng hợp tính toán 330 10.2.2. Ph−ơng pháp tính toán 330 10.2.3. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình đầu mối là cống lấy n−ớc tự chảy, l−u l−ợng lấy vào ≤ (15 ữ 20)% l−u l−ợng của sông QS 331 10.2.4. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình đầu mối là cống lấy n−ớc tự chảy, l−u l−ợng lấy vào Qk > (15 ữ 20)%QS 334 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 8 10.2.5. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình đầu mối là cống lấy n−ớc tự chảy kết hợp đập dâng 339 10.3. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình đầu mối là hồ chứa 343 10.4. Tính toán phối hợp nguồn n−ớc khi công trình đầu mối là trạm bơm 343 Ch−ơng 11. Khảo sát và quy hoạch thuỷ lợi 11.1. Nhiệm vụ và nội dung của khảo sát thuỷ lợi 344 11.1.1. Nhiệm vụ và ph−ơng pháp khảo sát thuỷ lợi 344 11.1.2. Nội dung chủ yếu của công tác khảo sát 346 11.1.3. Ph−ơng pháp tiến hành khảo sát 350 11.2. Nội dung và các nguyên tắc chung của quy hoạch thuỷ lợi 353 11.2.1. Các khái niệm chung 353 11.2.2. Nhiệm vụ và nội dung của quy hoạch thuỷ lợi 358 11.2.3. Các nguyên tắc chung trong quy hoạch thuỷ lợi 362 11.3. Tính toán cân bằng n−ớc trong quy hoạch thủy lợi 364 11.3.1. Nội dung tính toán cân bằng n−ớc 364 11.3.2. Các nguyên tắc chung trong tính toán cân bằng và phân phối n−ớc 365 11.4. Sử dụng phần mềm ARCVIEW - GIS trong quy hoạch thuỷ lợi 367 1.4.1. Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý (GIS) 368 11.4.2. Phần mềm ArcView 369 11.4.3. Các b−ớc sử dụng công cụ ArcView - GIS trong quy hoạch thuỷ lợi 369 11.4.4. Ngân hàng dữ liệu 371 11.5. Một số vấn đề th−ờng gặp trong quy hoạch thuỷ lợi 371 11.5.1. Những mâu thuẫn xảy ra trong tính toán quy hoạch 371 11.5.2. Xác định yêu cầu n−ớc của công trình lợi dụng tổng hợp 373 11.5.3. Tính toán thuỷ lợi đối với công trình bậc thang hai cấp trên sông 376 11.6. Tính toán kinh tế trong quy hoạch thuỷ lợi 379 11.6.1. Vốn đầu t− và phân vốn đầu t− 379 11.6.2. Ước tính lợi ích của dự án 381 11.6.3. Tính toán chỉ tiêu kinh tế của dự án theo trạng thái tĩnh 382 11.6.4. Tính toán chỉ tiêu kinh tế của dự án theo trạng thái động 384 Tài liệu tham khảo 386 Lời nói đầu 9 Lời nói đầu Giáo trình Quy hoạch vμ Thiết kế hệ thống Thuỷ lợi lμ một trong những Giáo trình chính dùng để đμo tạo các cán bộ kỹ thuật vμ kỹ s− trong lĩnh vực phát triển tμi nguyên n−ớc. Bộ môn Thuỷ nông đã biên soạn Giáo trình Thuỷ nông từ năm 1970, tới nay một số nội dung không còn phù hợp với tình hình phát triển của khoa học kỹ thuật vμ yêu cầu thực tại. Do vậy cần nghiên cứu phát triển nội dung, biên soạn lại Giáo trình nμy nhằm đ−a vμo những kiến thức cơ bản vμ cập nhật một số kết quả nghiên cứu mới về lý thuyết vμ thực hμnh, các kiến thức khoa học, công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực Quy hoạch vμ Thiết hế hệ thống Thuỷ lợi nói chung vμ hệ thống t−ới tiêu nói riêng. Để phù hợp với các nội dung đ−ợc đề cập trong Giáo trình, chúng tôi lấy tên Giáo trình Quy hoạch vμ Thiết kế hệ thống Thuỷ lợi thay cho tên Giáo trình Thuỷ nông tr−ớc đây. Nội dung của giáo trình đáp ứng yêu cầu học tập vμ nghiên cứu của sinh viên chính quy, tại chức đ−ợc đμo tạo về lĩnh vực quy hoạch vμ thiết kế hệ thống thuỷ lợi, góp phần trang bị những kiến thức cần thiết cho sinh viên khi tốt nghiệp ra tr−ờng có thể đáp ứng đ−ợc những yêu cầu mới của xã hội nhằm công nghiệp hoá vμ hiện đại hoá đất n−ớc. Giáo trình nμy cũng lμ tμi liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật vμ kỹ s− chuyên ngμnh vμ các ngμnh liên quan. Đ−ợc sự động viên, ủng hộ của tr−ờng Đại học Thuỷ lợi, của Bộ Nông nghiệp vμ Phát trển Nông thôn, đ−ợc sự hỗ trợ của dự án Nâng cao năng lực đμo tạo của Tr−ờng Đại học Thuỷ lợi thuộc Ch−ơng trình hỗ trợ ngμnh n−ớc của chính phủ Đan Mạch tại Việt Nam (WAter SPS), giáo trình đã đ−ợc tập thể Bộ môn Thuỷ nông biên soạn với sự tham gia góp ý kiến của một số chuyên gia quốc tế thuộc dự án. Chủ biên: PGS. TS. Phạm Ngọc Hải. Tham gia biên soạn các phần: GS.TS. Tống Đức Khang biên soạn các ch−ơng 2, 3 (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), 4, 6 (6.1, 6.2 vμ 6.3), 7 vμ 8; PGS. TS. Phạm Ngọc Hải biên soạn các ch−ơng 1, 3 (3.5), 9, 10, 11 vμ 15; TS. Phạm Việt Hoμ biên soạn các ch−ơng 5, 13 vμ 14; GS. TS. Bùi Hiếu biên soạn các ch−ơng 6 (6.4, 6.5), 12 vμ 16; GV. Nguyễn Quang Phi biên soạn tμi liệu về Nghiên cứu điển hình đồng thời tham gia hoμn chỉnh vμ vẽ các hình minh hoạ trong giáo trình. Giáo trình nμy sẽ in thμnh 2 tập vμ phần nghiên cứu điển hình: Tập 1: Trình bμy những nội dung cơ bản trong quy hoạch vμ thiết kế hệ thống thuỷ lợi (từ ch−ơng 1 đến ch−ơng 11). Tập 2: Trình bμy các biện pháp thuỷ lợi ở những vùng đặc tr−ng (từ ch−ơng 12 đến ch−ơng 16). Phần Nghiên cứu điển hình: Đ−a ra một vùng cụ thể để sinh viên thực hμnh, áp dụng những kiến thức của môn học giải quyết các vấn đề thực tế. Tập thể tác giả xin chân thμnh cảm ơn Tr−ờng Đại học Thuỷ lợi, Chính phủ Đan Mạch, Vụ Khoa học Công nghệ vμ Chất l−ợng sản phẩm - Bộ Nông nghiệp vμ Phát triển Nông thôn, Nhμ xuất bản Xây dựng đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho việc biên soạn vμ in ấn giáo trình nμy. Các thμnh viên tham gia đã có nhiều cố gắng để hoμn thμnh việc biên soạn giáo trình, tuy nhiên không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi mong nhận đ−ợc ý kiến đóng góp cho nội dung cũng nh− hình thức của giáo trình để lần xuất bản sau sẽ hoμn chỉnh hơn. Xin chân thμnh cảm ơn. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 10 Tập thể các tác giả Bảng chữ viết tắt ADB Ngân hàng phát triển châu á BME Giám sát và đánh giá hiệu ích dự án CPO Ban quản lý dự án thủy lợi trung −ơng CSDL Cơ sở dữ liệu DARD Sở Nông nghiệp và phát triển nông thôn ĐCTV Địa chất Thủy văn EIA Đánh giá tác động môi tr−ờng FAO Tổ chức Nông nghiệp và l−ơng thực thế giới GIS Hệ thống thông tin địa lý IDMC Công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi IRR Tỷ suất thu hồi vốn bên trong LFA Ph−ơng pháp tiếp cận khung lôgic MARD Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn NGO Tổ chức phi chính phủ O&M Vận hành và bảo d−ỡng PIM Quản lý t−ới có sự tham gia của cộng đồng PMO Văn phòng quản lý dự án PRA Đáp ứng yêu cầu WB Ngân hàng Thế giới WRL Luật Tài nguyên n−ớc WUO Tổ chức ng−ời sử dụng n−ớc