Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 7 pdf

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
232
Chơng 7
Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
Nhiệm vụ của hệ thống điều tiết nớc mặt ruộng là phải rút lớp nớc mặt trong thời
gian ma và hạ thấp mực nớc ngầm sau thời gian ma để tạo ra chế độ nớc thích hợp cho
cây trồng.
Khả năng chịu ngập của các loại cây trồng rất khác nhau. Đối với cây trồng cạn nh
bông, đậu khả năng chịu ngập rất kém. Thực tế cho thấy rằng, nếu nớc đọng lại trên
ruộng bông dới 10 cm trong 1 ngày thì năng suất bông sẽ giảm, nếu ngập 6 ữ 7 ngày thì
bông sẽ chết. Một số cây lơng thực nh ngô, khoai nớc ngập 10 ữ15 cm không đợc để
quá 2 ữ 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
trởng. Theo các tài liệu thí nghiệm thì biểu đồ mô tả quan hệ giữa số ngày ngập của lúa
với tỷ lệ giảm năng suất.
Tiêu nớc mặt ruộng nhằm đáp
ứng các yêu cầu:
- Yêu cầu tiêu thoát độc tố trong
đất canh tác và tạo độ ẩm thích hợp
cho cây trồng phát triển. Khi mực
nớc ngầm quá cao sẽ làm cho cây
trồng phát triển kém, do ảnh hởng
của muối độc và các chất độc không
đợc phân giải, do đó phải có biện
pháp hạ thấp mực nớc ngầm, bảo
đảm độ ẩm thích hợp cho sự phát
triển bình thờng của cây trồng.
- Yêu cầu tiêu nớc rửa mặn để
cải tạo đất mặn đối với vùng đất bị
nhiễm mặn, đồng thời phải chống

mặn tái sinh khi mực nớc ngầm
dâng cao.
Hình 7.1: ảnh hởng của thời gian ngập nớc
đối với năng suất lúa thời kỳ đẻ nhánh
- 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 nớc ngầm ở độ sâu thích hợp (thờng
phải cách mặt đất 0,5 ữ 0,6 m).
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
233
Hệ thống điều tiết nớc mặt ruộng bao gồm hệ thống tiêu thoát nớc mặt bằng kênh
hở và hệ thống tiêu thoát nớc ngầm bằng kênh hở hoặc hệ thống ống ngầm.
7.1. Hệ thống kênh tiêu nớc mặt ruộng
Sau khi ma, hệ thống kênh tiêu cần phải rút hết nớc ma trên mặt ruộng trong
khoảng thời gian ngập cho phép bảo đảm cho cây trồng tránh đợc thiệt hại do ngập úng.
Việc tiêu nớc trên mặt ruộng có quan hệ với việc trữ nớc trên ruộng, quá trình hình thành
dòng chảy của nớc ma và khoảng cách giữa các kênh tiêu.
Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng bao gồm hệ thống tiêu cho lúa và cho cây trồng cạn.
Đối với hệ thống tiêu trên ruộng lúa đã kết hợp trình bày trong phơng pháp tới ngập cho
lúa (chơng 6) vì vậy ở đây chỉ trình bày hệ thống tiêu nớc mặt ruộng cho cây trồng cạn.
7.1.1. Khả năng trữ nớc mặt ruộng của cây trồng cạn
Dòng chảy sản sinh do ma, một bộ phận bị chặn giữ trên hệ thống kênh tới và công
trình mặt ruộng, từ đó sẽ giảm nhỏ đợc
cờng độ tiêu nớc và lợng nớc tiêu ở mặt
ruộng. Bản thân tầng đất của ruộng trồng
trọt có thể trữ lại lợng nớc ma do thấm,
khi lợng trữ ẩm tăng lên thì bổ sung vào
nớc ngầm làm cho mực nớc ngầm dâng
cao. Tuy nhiên, cần phải hạn chế việc dâng
cao mực nớc ngầm để đề phòng mực nớc
ngầm có thể gây tác hại đối với cây trồng.

Hình 7.2: Tầng đất trữ nớc
- Thời gian tiêu nớc cho phép đối với đất màu:
t + [T] (7.1)
trong đó:
t - thời gian ma;
- thời gian rút nớc sau ma;
[T] - thời gian tiêu cho phép.
- Khả năng trữ nớc cho phép đợc xác định:
W = A.H.(
max

0
) + A.H
1
.(1
max
) (7.2)
trong đó:
W - lợng nớc có thể trữ (m
3
) hoặc (m
3
/ha);
H - chiều dày tầng đất trên mực nớc ngầm (m);
A - độ rỗng của đất (% thể tích đất);

0
- độ ẩm ban đầu của đất (%A);

max
- sức trữ nớc tối đa của đất (%A);
H
1
- độ dâng cao của mực nớc ngầm cho phép do mao quản (m).
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
234
Từ đây ta có thể rút ra điều kiện khống chế về yêu cầu tiêu:
K
0
(t + )
1 -

W
và:
1
1
0
W
t
K



+


với
1
0

K
K
1
=


(7.3)
Tình hình chung, khi lợng nớc thấm của ma vào tầng đất chứa nớc vợt quá khả
năng trữ nớc thì phải xây dựng hệ thống tiêu thoát lợng nớc ma quá nhiều tránh cho
cây trồng bị hại.
7.1.2. 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 nớc, ta sẽ phân tích
quá trình hình thành dòng chảy trên ruộng.
Trên ruộng trồng cây trồng cạn, khi ma nếu cờng độ ma vợt quá tốc độ thấm của
đất thì sẽ hình thành dòng chảy. Nếu đất có một độ dốc nhất định thì lớp nớc sẽ vận
chuyển theo hớng dốc về kênh tập trung nớc. ở phía đầu khu ruộng, diện tích tập trung
nớc bé do đó độ dày lớp nớc sẽ bé theo sự gia tăng của diện tích tập trung nớc, độ dày
lớp nớc sẽ tăng lên, có nghĩa càng cách xa phía đầu ruộng thì độ dày lớp nớc càng lớn.
Khi độ dốc mặt đất và tình hình che phủ giống nhau thì thửa ruộng càng dài, độ sâu lớp
nớc ngập phía cuối ruộng càng lớn. Sau khi ngừng ma, thời gian rút nớc càng chậm và
thời gian chịu ngập càng lớn. Nh vậy sẽ bất lợi đối với cây trồng. Để tránh ảnh hởng
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 hởng trực tiếp đến độ sâu
ngập và thời gian ngập của cây trồng, có thể xem biểu đồ dới đây.

Hình 7.3: ảnh hởng của kênh tiêu đối với quá trình hình thành dòng chảy
1. Đờng quá trình tiêu trớc khi đào kênh tiêu C;
2. Đờng quá trình tiêu nớc sau khi đào kênh tiêu C

Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
235
Thí dụ trận ma có tổng lợng 116 mm trong 4 giờ 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 7.1 - Khoảng cách kênh tiêu và thời gian ngập
Khoảng cách giữa 2 kênh tiêu (m) 30 50 100 400
Thời gian ngập ở ruộng (ngày) 3 ữ 4 ngày 5 ữ 6 ngày 10 ữ 12 ngày 3 ữ 4 ngày
Từ phân tích trên việc xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu nhằm rút nớc ma với
tần suất thiết kế bảo đảm cho cây trồng phát triển bình thờng.
Đây là vấn đề quan trọng cần đợc nghiên cứu giải quyết.
7.2. 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. Trớc tiên ta nghiên cứu giả thiết đơn giản là dòng ổn định.
7.2.1. 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, lu 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.
- Cờng độ ma phân bố đồng đều trên diện tích nghiên cứu.
2. Sơ đồ tính toán

Hình 7.4: Sơ đồ tính toán
3. Phơng pháp tính toán
a) Xác định lu tốc dòng chảy trên mặt đất
Lu tốc dòng chảy trên mặt đất đợc xác định theo công thức:
x1
VCR.= i
(7.4)
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi

236
Vì độ sâu lớp nớc trên mặt ruộng là bé với chiều rộng thửa ruộng nên xem R = y và
nh vậy:
x1
VCy.= i
(7.5)
C
1
tính theo công thức Bazanh:
1
87 y
87 R
C
R
=

+
(7.6)
Thay (7.6) vào (7.5) ta có: V
x
= Cy với
87 i
C =

(7.7)
trong đó: - độ gồ ghề mặt ruộng, xác định theo thực nghiệm, phụ thuộc độ đặc trng che
phủ mặt ruộng, thờng C = 15
i ữ 40 i .
b) Thiết lập phơng trình cơ bản và xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu
Ta thiết lập phơng trình liên tục giữa hai mặt cắt I - I và II - II.

Lợng nớc vào mặt cắt I - I và lợng ma bổ sung trên chiều dài dx là: q + pdx
Lợng nớc ra ở mặt cắt II - II và
ngấm trên độ dài dx là: (q + dq) + Kdx
Ta có phơng trình cân bằng nh sau:
q + pdx = (q + dq) + Kdx
dq = (p K)dx (7.8)
Theo (7.7) thì lu lợng trên đơn vị
chiều rộng tại mặt cắt x là:
q = Cy
2
(7.9)

Hình 7.5: Sơ đồ phần tử nghiên cứu
Đa (7.9) vào (7.8) ta có:
2Cydy = (p K)dx (7.10)
Tích phân 2 vế phơng trình (7.10) theo cận:
y
x
00
2C
y
d
y
(
p
K)dx=


ta có :
.p.x

y
C

=
với
p
K
p

= (7.11)
Tại mặt cắt x = L thì y = H nên ta có:
.p.L
H
C

=
(7.12)
Phơng trình (7.11) là phơng trình đờng mặt nớc trên ruộng trong thời gian ma.
Để thiết lập quan hệ giữa thời gian rút nớc sau khi ma với khoảng cách giữa hai
kênh tiêu ta phân tích thêm nh sau:
- Lợng nớc đọng lại trên một đơn vị chiều rộng ở ruộng khi kết thúc ma đợc xác
định theo hệ thức:
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
237
2
WL
3
=
H
(7.13)

ở đây là tính cho một đơn vị chiều rộng mặt ruộng.
Lợng nớc này sẽ đợc tháo đi qua mặt cắt cuối thửa ruộng (bờ trái kênh tiêu) và
ngấm trong quá trình di chuyển lớp nớc về phía dới.
Lợng nớc đợc tháo qua mặt cắt H là:
tháo
Wq
=

(7.14)
2
q
Ch= với
1
hH
2
=


- thời gian rút nớc sau khi dừng ma.
Kết hợp với hệ thức (7.12) ta có:
thấm
1
W
p
L
4
=

(7.15)
Lợng nớc thấm đợc xác định theo công thức:

thấm
1
WL
2
K
=

(7.16)
Cân bằng (7.13) với (7.15) và (7.16) ta có:
2pL1 1
LpL
3C4 2

LK
=
+ (7.17)
Từ (7.17) ta rút ra:
22
C(
p
K)
L
7p
+

=

(7.18)
Với công thức (7.18) thì C tính bằng 1/s, p và K tính bằng mm/h, tính bằng giờ (h)
còn L tính bằng mm.

22
Nếu : tính bằng h
P và K tính bằng mm / h
1C(
p
K)
L
C tính bằng 1/ s 2 p
L tính bằng m



+


=





(7.19)
7.2.2. Xác định khoảng cách giữa 2 kênh tiêu theo dòng không ổn định
1. Giả thiết tính toán
- Cờng độ ma và tốc độ thấm phân bố đều trên toàn diện tích khu tới.
- Độ nhám và độ dốc địa hình của diện tích tiêu là đồng nhất.
- Tốc độ dòng chảy tuân theo quy luật dòng đều.
- Đờng mặt nớc thay đổi theo thời gian.
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
238

2. Thiết lập phơng trình cơ bản và giải
Phơng trình cơ bản đợc thiết lập trên cơ sở phơng 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 lợng ta có:
qh
[
q
(
p
K)]dt
q
dx dt dt.dx
xt


+ + =



(7.20)
qh
p
K
xt


+=

(7.21)
q - lu lợng trên 1 đơn vị chiều

rộng (m
3
/s-m);
p - cờng độ ma rơi xuống trên
khu vực trong thời đoạn nghiên
cứu (mm/h);
K - cờng độ thấm của đất (mm/h);
h - độ sâu lớp nớc mặt ruộng trong
thời gian ma (mm).
Để giải phơng trình trên ta cần xác
định một số điều kiện quan hệ sau:
Hình 7.6: Phần tử nghiên cứu cân bằng
a) Lu tốc dòng chảy trên mặt ruộng đợc xác định bằng hệ thức tổng quát
V = C.I
n
.h
m
(7.22)
C - hệ số thực nghiệm hoặc hệ số Sêzi;
I - độ dốc mặt đất;
n, m - các tham số thực nghiệm.
b) Lu lợng trên 1 đơn vị chiều rộng
Từ hệ thức (7.22) ta có: q = V. = C.I
n
.h
m + 1

(7.23)
c) Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
- Điều kiện ban đầu: t = 0 h = 0

- Điều kiện biên: t 0
x0 h0
xL hH
=
=


=
=


Kết hợp với hệ thức (7.23), phơng trình (7.21) đợc đa về dạng:
nm
hh
(m 1)CI h
p
K
xt


++=


(7.24)

Theo Strepanov, phơng trình (7.24) đợc đa về phơng trình đặc trng ở dạng sau:
nm
dx dt dh
1
p

K
(m 1) C.I .h
==

+
(7.25)
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
239
Từ (7.25) ta có hệ phơng trình:
nm
dh (p K)dt
(m 1)CI h dh (
p
K)dx
=



+=



(7.26)
Từ (7.26) ta có:

1
dh (p K)dt h (p K)t C= =+

Theo điều kiện ban đầu, khi t = 0 h = 0, do đó C
1

= 0 và phơng trình còn lại:
h = (p K).t (7.27)
Cũng từ (7.26) ta có:
nm
(m 1)CI h dh (
p
K)dx+=


C.I
n
. h
m + 1

= (p K).x + C
2
Kết hợp với điều kiện biên khi x = 0 h = 0 , do vậy C
2
= 0 và phơng trình còn lại:
1
m1
n
(p K).x
h
C.I
+


=

(7.28)
3. Xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu
a) Xác định lợng nớc đọng lại trên ruộng khi ngừng ma
11
2m
LL
m1 1m
1m
n
00
(p K)x 1 m p K
W hdx dx L
2m
CI CI
n
+
++
+
+

== =


+


(7.29)
b) Lợng nớc tháo ra kênh tiêu ở phía cuối thửa ruộng
m1

n
1
H
WCI
2
+

=



(7.30)
- thời gian rút nớc sau khi ngừng ma;
H - chiều sâu lớp nớc trên ruộng ở bờ trái của kênh tiêu khi x = L, do đó theo (7.28)
thì:
1
m1
n
(p K).L
H
C.I
+


=



Thay vào (7.30) ta có:
1

1m
n
1
n
1(p K).L
WCI
2
C.I
+


=



(7.31)
Lợng nớc thấm trên độ dài di chuyển về phía kênh tiêu:
2
1
WLK
2
=

(7.32)
Theo định luật bảo toàn lợng nớc:
W = W
1
+ W
2
Thay vào các hệ thức trên, ta có:

Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
240
11
2m
1m 1m
n
1m
nn
1m pK 1(PK)L 1
.L CI LK
2m 2 2
C.I CI
+
++
+
+

=
+

+

(7.33)
Từ (7.33) rút ra:
1m
1m 1m
n
1Km
C.I (p K)
22m

L
(p K)
+
2
1
+
+

+

+



+



=

(7.34)
Nếu L tính bằng m, C tính bằng 1/s, p và K là mm/h, là giờ (h) thì cần đa vào hệ số
chuyển thứ nguyên là 3,6 do vậy:
1m
1m 1m
n
1Km
3, 6.C.I (p K)
22m
L

(p K)
+
++

+

+


2
1


+



=

(7.35)
Phần áp dụng tính toán và so sánh với hệ thức cũ (7.19) có thể xem trong cuốn Bài tập
Thuỷ nông - NXBNN- 1995.
7.3. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu nớc ngầm
Cấu trúc của hệ tiêu nớc ngầm bao gồm chiều sâu, khoảng cách giữa hai kênh tiêu và
hình dạng, kích thớc mặt cắt ngang của kênh tiêu hoặc ống tiêu.
Việc tiêu thoát nớc ngầm sau khi ma nhằm hạ thấp mực nớc 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 tợng lầy và chua của đất khi mực nớc ngầm cao và hiện tợng mặn
tái sinh.

2. Làm tăng lợng không khí trong đất, tạo điều kiện phân giải các chất hữu cơ làm
thức ăn nuôi cây.
Lợng không khí trong đất đợc xác định theo quan hệ:
= A
k
. (7.36)
- lợng không khí của đất (% thể tích đất);
A - độ rỗng của đất (% thể tích đất);

k
- dung trọng khô của đất (T/m
3
);
- 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 ngợc lại do tính chất hấp
thụ nhiệt của môi trờng đất.
4. Do thay đổi tỷ lệ không khí trong đất có thể làm thay đổi cấu trúc đất, tăng khả
năng trữ nớc của đất (xem tài liệu thí nghiệm bảng 7.2).
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
241
Bảng 7.2 - ảnh hởng của tiêu nớc đến cấu trúc đất
Độ ẩm của đất (%)
Tiêu ngầm
Thời kỳ
Không tiêu
ở độ sâu 0,6 m ở độ sâu 1,0 m
Hạn 6,8 13,7 16,6

ẩm
19,0 17,3 17,3
5. Do yêu cầu canh tác cơ giới cũng nh tạo đợc độ sâu thích hợp cho cây trồng phát
triển, mực nớc ngầm cần đợc khống chế ở một độ sâu thích hợp. Độ sâu này thay đổi
theo loại cây trồng.
Bảng 7.3 - Mực nớc ngầm thích hợp
Loại đất Cây nông nghiệp Đồng cỏ
Đất sét chặt 0,7 ữ 1,2 0,5 ữ 0,6
Đất trung bình 0,6 ữ 1,0 0,4 ữ 0,6
Đất cát 0,6 ữ 0,8 0,3 ữ 0,5
Đất mùn 0,6 ữ 0,8 0,3 ữ 0,4
Do vậy cần phải nghiên cứu quy hoạch hệ thống tiêu ngầm để thoả mãn các yêu cầu
nói trên
7.3.1. Xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo dòng ổn định
1. Hệ thống thoát nằm ngay trên lớp không thấm
a) Sơ đồ tính toán (hình 7.7)

Hình 7.7: Sơ đồ tính khi kênh tiêu (ống tiêu) nằm trên lớp không thấm
b) Giả thiết tính toán
- Môi trờng đất thấm là đồng nhất và đẳng hớng, hệ số thấm K là không đổi.
- Cờng độ thấm p
0
của nớc ma vào trong đất là phân bố đều và không đổi.
- Lu lợng rút vào kênh tiêu hay đờng ống là không đổi trong thời gian nghiên cứu.
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
242
- Nớc đến chỉ là nớc thấm do ma từ trên mặt đất.
- Dòng thấm tuân theo định luật Darcy.
c) Phơng trình cơ bản và cách giải
Phơng trình cơ bản đợc thiết lập trên cơ sở lu lợng thấm từ nớc ma và lu lợng

rút vào ống tiêu.
0
dy L
K
y
x
p
dx 2

=


(7.37)
Điều kiện biên:
0
x0
y
h
L
x
y
H
2
==



==

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 đờng bão hoà tại trung tâm giữa hai ống tiêu.
Tích phân phơng trình (7.37) ta có:
0
L
H
2
0
h0
p
L
y
.d
y
.xd
K2

=



x

22
0
0
K
L2 (H h)

p
=
(7.38)
Nếu tính lu lợng trên 1 đơn vị chiều dài của đờng:
(
)
22
0
0
4K H h
qpL
L

==
(7.39)
2. Hệ thống thoát nằm
cách xa tầng không thấm (hoặc
tầng không thấm nằm sâu)

a) Sơ đồ tính toán
b) Giả thiết tính toán
- Giống các giả thiết ở
trờng hợp 1.
- Các đờng đẳng áp là
những vòng tròn đồng tâm đi
qua tâm điểm của ống thoát.
c) Phơng trình cơ bản và
cách giải
Lu lợng chảy vào ống
thoát gồm 2 phần:

Hình 7.8: Hệ thống thoát nằm cách xa tầng không thấm
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
243
- Lu lợng chảy vào phần trên trục hoành (xem sơ đồ):
1
d
y
q
Kx
dx
=
(7.40)
- tính bằng Radian, khi bé có thể tính
2H
tg
L
=

- Lu lợng chảy vào phần dới trục hoành:

2
d
y
q
Kx
2dx
=
(7.41)
Tổng lu lợng chảy vào ống tiêu:

12
d
y
qq q
Kx
2dx

=+= +


(7.42)
Điều kiện biên:
0
d
x
y
h
2
L
x
y
H
2

==

==



Tích phân phơng trình (7.42) kết hợp với điều kiện biên ta có:
0
L
H
2
0
d
h
2
p
L
Kd
y
xdx
2x2


+ =




Sau khi tích phân và rút gọn:
0
0
2K (H h )

2
L
L
pln 1
d


+


=




(7.43)
Và lu lợng cho 1 đơn vị chiều dài đờng ống thoát:
0
0
2K (H h )
2
qpL
L
ln 1
d


+

==




(7.44)
Trờng hợp này bằng phơng pháp thuỷ động, một số tác giả đã đề nghị một số công
thức ở dạng khác:
+ Theo Numerov (1953) thì:
0
0
K
H1
p
L
p
ln Ctg
4K




=


(7.45)
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
244
+ Theo Hammadơ (1954) thì:

+

=
d
L2
1lnp
KH
L
0
(7.46)
+ Theo Averianov và Tạ Tân Nghị (Trung Quốc) năm 1957 thì:










=
dH2
L2

lnp
KH
L
0
(7.47)
+ Theo Vedenhicov (1939) thì:
0
0
p
K
ln
1
p
K
H
L









=
(7.48)
Các đại lợng trong các công
thức trên giống nh công thức 7.43.
3. Hệ thống thoát nằm cách

lớp không thấm một khoảng cách
nhất định
a) Phơng pháp 1
Sơ đồ tính toán
Các giả thiết tính toán
- Giống trờng hợp 1.
- Đờng đẳng thế giống trờng
hợp 2.

Phơng trình cơ bản và
cách giải
Trờng hợp này giống nh
trờng hợp 2, lu lợng rút vào
đờng ống gồm 2 phần, phía trên
trục toạ độ Ox với góc , phía dới trục toạ độ Ox với góc .

Hình 7.9: Hệ thống thoát nằm cách lớp không thấm
một khoảng cách nhất định
Do vậy:
dx
dy
x
)K(q +=
(7.49)
trong đó: và tính bằng Radian, và có thể tính:
L
H2
tg =
và
L

T2
tg =

Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
245
Do đó phơng trình cơ bản sẽ là:
dxx
2
L
p
dx
dy
x)(K
0






=+
(7.50)
Điều kiện biên: Giống trờng hợp 2
Từ (7.50) ta có:
dxx
2
L
x
p
dy)(K

2
L
2
d
0
H
h
0






=+


Sau khi tích phân và rút gọn ta có:









+
=
1

d
L
lnp
)hH)((K2
L
0
0
(7.51)
Lu lợng cho 1 đơn vị chiều dài
đờng ống thoát:
1
d
L
ln
)hH)((K2
q
0

+
=
(7.52)

b) Phơng pháp 2
Phơng pháp này chỉ khác phơng
pháp 1 là trục Ox và đờng đẳng thế xem
là thẳng đứng.
Hình 7.10: Hệ thống thoát nằm cách lớp
không thấm một khoảng cách nhất định
Phơng trình cân bằng cơ bản:

= x
2
L
p
dx
dy
Ky
0
(7.53)
Điều kiện biên:
0
d
x
y
Th
2
L
x
y
TH
2

==+

==+



Tích phân phơng trình (7.53) kết hợp với điều kiện biên ta có:
0
L
TH
2
0
d
Th
2
p
L
y
d
y
xdx
K2
+
+

=

Sau khi lấy tích phân ta có:
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
246
0
p
)hT()HT(
K4dL2L
0
2
0
2
2
=






++

(7.54)
Giải phơng trình bậc 2 của L ở (7.54) ta có (bỏ qua d):
[]
2
0
2
0
)hT()HT(
p

K
2L ++=
(7.55)
Nếu bỏ qua h
0
thì:
)T2H(H
p
K
2L
0
+=
(7.56)
Công thức này giống dạng công thức Haugut (1940). Công thức Haugut có dạng:
)'T2H(H
p
K
2L
0
+= (7.57)
Trong đó đặt T'= T, lấy theo bảng tra.
Theo Guyon (1965):
2
0
H
L4,9K(H1,8T'
p
=+
)
(7.58)

Theo Averianov (1959) thì:
0
2KHT H
L2 1
p2T

=+




(7.59)
Trong đó đợc xác định nh sau:
+ Khi
L
3
T

thì
1
2T
1
L
=
+
với
2T
2,9 log
d

=




+ Khi
L
3
T
<
thì
2L
2T
8ln T
d
=





Theo Hammadơ (1962) thì:

+

=
Td
L
d
H2
lnp
KH
L
2
2
0
với
4
1
T
L
<
(7.60)
4. Hệ thống thoát nằm rất gần lớp không thấm
a) Phơng pháp 1
Sơ đồ tính toán (hình 7.11)
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
247
Giả thiết tính toán: Đờng đẳng thế là những đờng thẳng đứng song song với
trục Oy.
Phơng trình cơ bản và cách giải
Phơng trình cơ bản đợc thiết lập trên cơ

sở lu lợng thấm từ nớc ma và lu lợng rút
vào ống tiêu.
dx
dy
)Ty(Kx
2
L
p
0
+=







(7.61)
Điều kiện biên:





==
==
Hy
2
L
x

hy0x
0

Hình 7.11: Hệ thống thoát
nằm rất gần lớp không thấm
Tích phân phơng trình (7.61) kết hợp với
điều kiện biên ta có:

+=







H
h
2
L
2
d
0
0
dy)Ty(Kdxx
2
L
p

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

+
+=
2
hH
T)hH(
p
K2
2L
0
0
0
(7.62)
b) Phơng pháp 2
Sơ đồ tính toán (hình 7.12)
Phơng trình cơ bản và cách giải
Trờng hợp ta tính lu lợng tại mặt cắt y, T' đợc xác định theo hệ thức:
T
L
x2
'T
2
L
x

T
'T
==
(1)
Tơng tự nh vậy, nếu xem phần trên
trục Ox của vùng bão hoà nh một tam
giác vuông thì:
y
H2
L
x
2
L
x
H
y
==
(2)

Thay (2) vào (1) ta có:
y
H
T
'T =
(3)
Hình 7.12: Hệ thống thoát nằm rất gần
lớp không thấm
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
248
Ta có phơng trình cân bằng:

dx
dy
)'Ty(Kx
2
L
p
0
+=







(7.63)
Thay (3) vào (7.63) ta có:
dx
dy
)y
H
T
y(Kx
2
L
p
0
+=

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







+=







H
h
2
L
2
d
0
0

dyy
H
T
yKdxx
2
L
p

Sau khi lấy tích phân và đơn giản đi (bỏ qua d) ta có:
0
2
0
2
p
H
T
1)hH(K
2L






+
=
(7.64)
7.3.2. Xác định cấu trúc của hệ thống tiêu nớc ngầm theo dòng không ổn định
1. Thiết lập phơng trình cơ bản tổng quát
a) Sơ đồ nghiên cứu (hình 7.13)

Hình 7.13 - Sơ đồ nghiên cứu dòng thấm về kênh tiêu
b) Thiết lập phơng trình cơ bản
Ta vẽ phóng phần tử nghiên cứu (hình 7.14) để thiết lập phơng trình cơ bản.
Ta có phơng trình lợng dòng chảy trong thời đoạn dt trên đoạn dx:
dtdx
t
H
dxdtpdt)dx
x
q
q(q
0


=+








+
(7.65)
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
249

t

H
P
x
q
1
0


=

+




(7.66)
q - lu lợng đơn vị chiều dài của kênh tiêu
(m
3
/s-m);
- độ rỗng cha bão hoà của đất.
Theo định luật Darcy thì lu lợng đơn vị
chiều rộng của mặt cắt bất kỳ:
x
H
KHq


=
(7.67)

Thay vào phơng trình (7.66) ta có:
t
H
p
x
x
H
H
K
0


=

+











(7.68)
Đây là phơng trình cơ bản của dòng chảy nớc ngầm vào kênh tiêu.
Đây là phơng trình đạo hàm riêng dạng phi tuyến chỉ có thể giải bằng phơng pháp
gần đúng hoặc phơng pháp sai phân, không thể tích phân trực tiếp đợc.

Khi sự thay đổi của mặt nớc ngầm bé so với độ sâu của mực nớc ngầm H. Lúc này
ta thay H bằng giá trị
H , do đó H trong phơng trình (7.68) có thể đa ra ngoài đạo hàm và
phơng trình (7.68) biến đổi thành:
t
H
p
x
HHK
0
2
2


=

+



(7.69)
Nếu đặt

=
HK
a
2
thì phơng trình (7.69) sẽ trở thành:
t
H

p
x
H
a
0
2
2
2


=

+


(7.70)
Hình 7.15: Sơ đồ minh hoạ
Hình 7.14: Phần tử cân bằng
lợng dòng chảy trên độ dài dx
a - hệ số chuyển dẫn mực nớc.
Phơng trình (7.70) là phơng
trình đạo hàm tuyến tính có thể giải
trực tiếp và có thể đợc chuyển
sang dạng khác nh sau:
Đặt

=
0
p
b

và thay h = H H
0


2
2
2
2
x
H
x
h
x
H
x
h


=





=



Thay vào (7.70) ta có:
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi

250
t
h
b
x
h
a
2
2
2


=+


(7.71)
+ Điều kiện ban đầu: t = 0 h(x, 0) = 0
+ Điều kiện biên: t 0



=
=
0)t,L(h
0)t,0(h
Độ cao đờng bão hoà tại trung tâm của hai kênh thoát (hoặc ống ngầm):
2
n
sine1
an

L
n
b4
t,
2
L
h
t
L
an
2
5,3,1n
2

=















=

(7.72)
Hệ thức (7.72) sẽ đợc giải trên máy vi tính vì phải tính tổng nhiều số hạng. Hệ thức
này có thể viết dới dạng khác:
2
n
sine1
n
1
t
L
a
14

t.bt,
2
L
h
t
L
an
5,3,1n
323
2

















=

=

(7.73)
Đặt:
2
(n ) t
33
n 1,3,5
41 1 n
(t) 1 e sin
2
tn


=

=




(7.74)
Với:
t
L
a
t
2






=
thì
)t(btt,
2
L
h =

(7.75)
Từ hệ thức (7.74), ta sẽ xây dựng biểu đồ quan hệ
(
)
t với
t
ở dạng không thứ nguyên với
giá trị bất kỳ. Từ đó có thể suy ra cho các trờng hợp cụ thể tuỳ ý mà không phải tính nhiều.

Hình 7.16: Quan hệ giữa
()

t
và
t

Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
251
Sơ đồ khối để lập chơng trình tính toán cho hệ thức (7.74) nh hình 7.17.
i > l
n = n + 1
AP = f(n, P2, T(i))
S = S + F*ER
ER = f(AP, P3, T(i))
n > m
ETA(i)
A = f(n, P1)
F = f(A)
Nhập các số liệu: P
1

, P
2
, P
3
, T(i), (i = 1, n)
i = 1
n = 1
S = 0
START
STOP
i = i + 1

S

Đ
S
Đ

Hình 7.17: Sơ đồ khối tính hệ thức (7.74)
Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi
252
2. Trờng hợp kết thúc ma, nghiên cứu quá trình hạ thấp mực nớc ngầm
a) Phơng trình cơ bản
Phơng trình cơ bản trong trờng hợp này khi đã tuyến tính hoá:
t
h
x
h

a
2
2
2


=


(7.76)
a - có ý nghĩa nh trên,

=
HK
a
2

Điều kiện ban đầu: t = 0 h(x, 0) = H
1
Điều kiện biên: t 0



=
=
0)t,L(h
0)t,0(h
b) Nghiệm giải tích của phơng trình (7.76) sẽ cho 3 trờng hợp:
Trờng hợp 1: Mực nớc ngầm ban đầu là đờng nằm ngang, h
0

= const
t
L
KH
46,41
1
Ht,
2
L
h
2
1
1

+
=






(7.77)
H
1
- độ cao đờng bão hoà tại trung tâm hai đờng thoát.
Dựa vào hệ thức (7.77) ta sẽ xác định đợc quá trình hạ thấp mực nớc ngầm sau khi
dừng ma.
Nếu giải theo phơng pháp chuỗi thì:
2

na
t
L
1
n 1,3,5
4H
L1
h,t e sin
2n






=
n
2


=




(7.78)
Trờng hợp 2: Mực nớc ngầm ban đầu thay đổi theo phơng trình parabol của
Averianôv (1959)
()
1

H
L
x
1
L
x4
0,xh






=
(7.79)
2
n
sine
n
1
H32
t,
2
L
h
5,3,1n
t
L
an
33

1
2


=








=








(7.80)
Trờng hợp 3: Mực nớc ngầm ban đầu thay đổi theo phơng trình parabol của
Glover (1964)
Chơng 7 - Hệ thống tiêu nớc mặt ruộng
253
()
(
42223

4
1
x2Lx4xL3xL
b
H8
0,xh +=
)
(7.81)
2
n
sine
n
8
n
H192
t,
2
L
h
5,3,1n
t
L
an
5
2
3
1
2

=








=

(7.82)
Để tiện tính toán ta lập quan hệ giữa
h và
t
với
2
m
L
tKT
t

=
và
1
H
h
h =

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

Hình 7.18: Quan hệ giữa
h và t
1 - Theo hệ thức 7.78; 2 - Theo hệ thức 7.80; 3 - Theo hệ thức 7.82
Câu hỏi ôn tập:
1. Hãy phân tích mục đích ý nghĩa của tiêu nớc mặt ruộng.
2.
Hãy trình bày nguyên lý tính toán xác định khoảng cách giữa hai kênh tiêu cấp cố

định cuối cùng trên ruộng trồng cây trồng cạn và các tài liệu cần có để áp dụng
tính toán.
3.
Hãy trình bày nguyên lý tính toán xác định khoảng cách giữa các ống tiêu ngầm
với tầng không thấm ở các vị trí khác nhau so với đáy ống tiêu theo giả thiết dòng
ổn định.
4.
Hãy trình bày cơ sở xác định cấu trúc hệ thống tiêu ngầm theo giả thiết dòng
không ổn định và nêu các tài liệu cần thiết để áp dụng tính toán.