nghiên cứu cơ chế nước hồi quy và vai trò của nó đối với hiệu quả sử dụng hệ thống thủy nông cầu sơn - cấm sơn

Bộ giáo dục và đào tạo
Bộ nông nghiệp và ptnt
Tr-ờng đại học thuỷ lợi





Trần việt dũng





Nghiên cứu cơ chế n-ớc hồi quy và vai
trò của nó đối với hiệu quả sử dụng
n-ớc hệ thống thuỷ nông cầu sơn - cấm
sơn



Chuyên ngành: Quy hoạch và Quản lý tài nguyên nớc
Mã số: 60.62.30



luận văn thạc sĩ
Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOàN DOãN TUấN

Hà nội 2012


LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực của bản thân tác giả, trong suốt
quá trình học tập và thực hiện luận văn tác giả luôn được sự quan tâm, hỗ trợ, giúp
đỡ, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo ở trường Đại học thủy lợi, bạn bè, đồng
nghiệp trong cơ quan, các ban ngành, đơn vị ở địa phương nơi có địa điểm nghiên
cứu.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp;
Xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước và
Trường Đại học Thủy lợi, các bạn học viên cao học đã giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập và làm luận văn;
Xin cảm ơn tập thể cán bộ Trung tâm Tư vấn PIM thuộc Viện Khoa học thủy
lợi
Việt Nam, đặc biệt là nhóm thực hiện đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu ứng
dụng các giải pháp khoa học công nghệ phòng chống hạn hán phục vụ phát triển
nông nghiệp bền vững ở các tỉnh miền núi phía Bắc”, Công ty Khai thác công trình
thủy lợi Cầu Sơn - Cấm Sơn, xã Đức Giang - Huyện Yên Dũng đã tạo điều kiện
giúp đỡ, chia sẻ thông tin và ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình làm luận
văn;
Xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình và bạn bè đã động viên giúp
đỡ trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Trân trọng cảm ơn !
Hà nội, ngày 28 tháng 05 năm 2012

Trần Việt Dũng



LỜI CAM ĐOAN




Đề tài này được triển khai nghiên cứu và hoàn
thành với sự nỗ lực của bản thân. Tác giả cam
đoan, công trình nghiên cứu này là củ
a riêng mình.
Các số liệu và kết quả của luận văn là trung thực và
không lặp lại bất kỳ công bố nào trước đây.
Hà nội, tháng 5 năm 2012
Tác giả


Trần Việt Dũng

MỤC LỤC

4TMỞ ĐẦU4T 1
4TCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NƯỚC HỒI QUY TRÊN CÁC HỆ
THỐNG THỦY NÔNG 5
4T1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới4T 6
4T1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước4T 15
4TCHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU 19
4T2.1. Đặc điểm tự nhiên4T 20
4T2.1.1 Vị trí địa lý4T 20
4T2.1.2 Đặc điểm địa hình4T 21
4T2.1.3 Điều kiện khí tượng, thuỷ văn4T 22
4T2.2. Đặc điểm kinh tế, xã hội4T 25
4T2.2.1 Dân số và lao động4T 25
4T2.2.2 Hiện trạng phát triển nông nghiệp4T 26
4T2.2.3. Hiện trạng các nghành kinh tế khác4T 28
4T2.3. Phương hướng phát triển kinh tế4T 30
4T2.3.1. Phương hướng phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản4T 30
4T2.3.2. Phương hướng phát triển các ngành công nghiệp – xây dựng4T 31
4T2.3.3. Phương hướng phát triển các ngành dịch vụ4T 31
4T2.4. Hiện trạng hệ thống công trình thủy lợi4T 32
4T2.4.1. Hồ Cấm Sơn4T 32
4T2.4.2 Đập Cầu Sơn4T 33
4T2.4.3 Cống lấy nước Cầu Sơn cũ4T 34
4T2.4.4 Cống lấy nước Cầu Sơn mới4T 34
4T2.4.5 Cống Quan Hiển Giữa4T 34

4T2.4.6 Cống Quan Hiển Đông4T 34
4T2.4.7 Cống Quan Hiển Tây4T 34
4T2.4.8 Trạm bơm Bảo Sơn4T 35


4T2.4.9 Hồ Cây Đa4T 35
4T2.4.10 Hồ Suối Nứa4T 35
4T2.4.11 Hiện trạng hệ thống kênh Cầu Sơn4T 36
4TCHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NHU CẦU NƯỚC MẶT RUỘNG . 41
4T3.1. Thí nghiệm xác định nhu cầu nước tại mặt ruộng4T 41
4T3.1.1. Mục đích thí nghiệm4T 41
4T3.1.2. Thí nghiệm xác định các thông số trong phương trình cân bằng nước4T 41
4T3.1.3. Cơ sở nghiên cứu và công thức thí nghiệm4T 42
4T3.2. Nhu cầu nước mặt ruộng4T 47
4TCHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NƯỚC HỒI QUY VÀ VAI TRÒ
CỦA NÓ ĐỐI VỚI HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NƯỚC HỆ THỐNG CẦU SƠN -
CẤM SƠN 48
4T4.1. Khảo sát hiện trạng vận hành, đo đạc lưu lượng đầu vào, đầu ra trên hệ
thống thủy nông
4T 48
4T4.1.1. Khảo sát hiện trạng hệ thống4T 48
4T4.1.2. Đo đạc các thông số trên hệ thống4T 49
4T4.1.3. Kết quả đo lưu lượng trên kênh chính và đầu ra của hệ thống4T 54
4T4.2. Sử dụng nước và sử dụng nước hồi quy trên hệ thống4T 61
4T4.2.1. Khảo sát sử dụng nước hồi quy trên hệ thống4T 61
4T4.2.2. Sử dụng nước trên hệ thống4T 61
4T4.2.3. Loại hình nước hồi quy4T 62
4T4.2.4. Sử dụng nước hồi quy trên hệ thống4T 63
4T4.3. Đánh giá hiệu quả hệ thống4T 66
4T4.3.1. Cơ sở đánh giá hiệu quả hệ thống4T 66

4T4.3.2. Tính toán hiệu quả sử dụng nước của hệ thống4T 67
4TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ4T 70
4TTÀI LIỆU THAM KHẢO4T 73




DANH MỤC BẢNG BIỂU

4TUBảng 2.1 Nhiệt độ trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất bình quân tháng trạm Hữu Lũng
(oC)U4T 23
4TUBảng 2.2 Độ ẩm không khí trung bình tháng (%)U4T 23
4TUBảng 2.3 Bốc hơi trung bình tháng (mm) (Đo bằng ống Piche)U4T 23
4TUBảng 2.4 Đặc trưng tốc độ gió trung bình và lớn nhất nhiểu năm (m/s)U4T 24
4TUBảng 2.5 Tổng số giờ nắng trung bình tháng nhiều năm trạm Bắc Giang (giờ)U4T 24
4TUBảng 2.6 Lượng mưa ngày thiết kế tần suất 75% (mm)U4T 25
4TUBảng 2.7 Thông số về cơ cấu cây trồng và thời vụ cây trồngU4T 27
4TUBảng 2.8 Năng suất một số cây trồng chủ yếu như sauU4T 27
4TUBảng 2.9 Thống kê số lượng gia súc, gia cầm trong vùng nghiên cứu (con)U4T 28
4TUBảng 2.10. Hệ thống kênh tưới hồ Suối NứaU4T 36
4TUBảng 2.11. Thống kê kênh chính trên hệ thống thuỷ nông Cầu SơnU4T 37
4TUBảng 3.1: Mật độ cấy theo phương pháp Truyền thống (DT)U4T 42
4TUBảng 3.2. Tổng hợp chế độ tưới áp dụng trong khu thí nghiệmU4T 43
4TUBảng 3.3. Tổng hợp lượng nước tiêu thụ (ET + P), lượng nước ngấm và bốc thoát
hơi nước trong thời kỳ có nước trên ruộng (mm/ngày)U4T 47
4TUBảng 4.1. Kết quả đo lưu lượng tại cửa ra của hệ thống (Ngòi Mân)U4T 60
4TUBảng 4.2. Diện tích tưới phân theo đơn vị quản lýU4T 62
4TUBảng 4.3. Bảng tổng hợp diện tích các trạm bơm lấy nước hồi quy để tướiU4T 64
4TUBảng 4.4. Lượng nước sử dụng khi chưa tính đến diện tích sử dụng nước hồi quyU4T . 67
4TUBảng 4.5. Lượng nước sử dụng khi tính đến diện tích sử dụng nước hồi quyU4T 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

4TUHình 1.1. Không có nước hồi quyU4T 5
4TUHình 1.2. Có nước hồi quyU4T 6
4TUHình 1.3. Quá trình dòng chảy đến và dòng hồi quy theo các thángU4T 7
4TUHình 1.4. Mô phỏng các thành phần cân bằng nướcU4T 9
4TUHình 1.5. Cấu trúc của mô hình RRMODU4T 10
4TUHình 1.6. Cấu trúc của mô hình SSARRU4T 13
4TUHình 1.7. Cấu trúc mô hình TANKU4T 15
4TUHình 2.1. Vị trí vùng nghiên cứuU4T 20
4TUHình 2.2 Hồ chứa nước Cấm SơnU4T 32
4TUHình 3.1. Khu vực nghiên cứuU4T 41
4TUHình 3.2. Hình thức vận động của nước trên ruộng lúaU4T 43
4TUHình 3.3. Cân bằng nước mặt ruộngU4T 44
4TUHình 3.4. Bố trí nghiệm xác định nhu cầu nước cho LúaU4T 45
4TUHình 3.5. Sơ đồ mực nước hao hàng ngàyU4T 45
4TUHình 3.6. Sơ đồ theo dõi, tính toán thấmU4T 46
4TUHình 4.1. Máy đo lưu tốcU4T 50
4TUHình 4.2. Sơ đồ bố trí điểm đo tại một mặt cắt kênh hình thangU4T 53
4TUHình 4.4. Quá trình lưu lượng dọc tuyến kênh Bảo SơnU4T 54
4TUHình 4.6. Quá trình lưu lượng dọc tuyến kênh TâyU4T 55

4TUHình 4.8. Quá trình lưu lượng dọc tuyến kênh GiữaU4T 57
4TUHình 4.10. Quá trình lưu lượng dọc tuyến kênh Yên LạiU4T 58
4TUHình 4.11. Bản đồ đo lưu lượng nước trên hệ thốngU4T 59
4TUHình 4.12. Trạm bơm Văn Sơn sử dụng nước hồi quy hoàn toànU4T 62
4TUHình 4.13 Trạm bơm Chợ Xa lấy nước hồi quy một phầnU4T 63
4TUHình 4.14. Bản đồ phân vùng tưới hệ thống Cầu Sơn - Cấm SơnU4T 64
4TUHình 4.15. Bản đồ phân vùng nước hồi quy và các trạm bơm lấy nước hồi quyU4T 65
4TUHình 4.16: Mô tả sử dụng nước trong hệ thốngU4T 66
4TUHình 4.17. Mô phỏng dòng chảy mặt tại hệ thống Cầu Sơn - Cấm SơnU4T 68



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KTCTTL:
Khai thác công trình thủy lợi
BĐKH :
Biến đổi khí hậu
WB :
World Bank (Ngân hàng thế giới)
WTO :
World Trade Organization (Tổ chức thương mại thế giới)
BTCT :
Bê tông cốt thép
MNDBT :
Mực nước dâng bình thường
MNC :
Mực nước chết

1

MỞ ĐẦU
Tên đề tài: Nghiên cứu cơ chế nước hồi quy và vai trò của nó đối với hiệu
quả sử dụng nước hệ thống thủy nông Cầu Sơn - Cấm Sơn
I. Tính cấp thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân
loại trong thế kỷ 21. Hậu quả của BĐKH là làm cho trái đất nóng lên, băng tan ở hai
cực, hiện tượng thời tiết cực đoan, thay đổi bất thường khó xác định ảnh hưởng đến
hoạt động sản xuất, sinh hoạt và môi trường sinh thái.
Những tác động trực tiếp của BĐKH sẽ làm cho thiên tai xảy ra nhiều hơn,
phức tạp hơn, cường độ tăng mạnh hơn. Theo kết quả quan trắc trong 100 năm qua,
từ năm 1906 – 2005 nhiệt độ trung bình tăng 0,74
P
0
PC, từ năm 1956 – 2005 tăng
0,64P
0
PC (Nguyễn Trọng Hiệu, 2009) làm cho mức độ bốc hơi và nhu cầu nước phục
vụ sản xuất nông nghiệp tăng. Theo ước tính của các nhà khoa học lượng nước tưới
cần thiết ở vùng khô hạn và nửa khô hạn của Châu Á sẽ tăng lên ít nhất là 10% khi
nhiệt độ tăng lên 1
P
0
PC (Fischer, 2002 và Liu, 2002). Theo nghiên cứu của Ngân hàng
thế giới (WB), khi nước biển dâng lên 1m sẽ làm ngập khoảng 0,3 đến 0,5 triệu ha
tại Đồng bằng sông Hồng và những năm lũ lớn khoảng trên 90% diện tích của Đồng
bằng sông Cửu Long bị ngập từ 4 – 5 tháng, vào mùa khô khoảng trên 70% diện
tích bị xâm nhập mặn với nồng độ lớn hơn 4g/l. Ước tính Việt Nam sẽ mất đi 2 triệu
ha đất trồng lúa trong tổng số hơn 4 triệu ha hiện nay, đe dọa nghiêm trọng đến an

ninh lương thực quốc gia (Đào Xuân Học, 2009).
Ngoài ra, sự phát triển của các ngành kinh tế ồ ạt trong những năm qua dẫn
đến nhu cầu nước cho các ngành kinh tế ngày càng tăng, lượng nước sử dụng cho
nông nghiệp không còn được đảm bảo đầy đủ. Tác động của công tác quản lý khai
thác nguồn nước một cách không hợp lý dẫn đến nguồn nước mặt, nước ngầm dần
cạn kiệt.
Mặt khác, dưới sức ép của sự gia tăng dân số cũng như quá trình hội nhập với
khu vực và thế giới của nước ta được bắt đầu từ giữa thập kỷ 80 của thế kỷ trước và

2

nhất là từ khi gia nhập WTO thì nhu cầu về lương thực ngày càng tăng phục vụ cho
nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Nước ta đang phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở
thành nước công nghiệp. Do vậy, các chuyên gia dự báo, những năm tới nhu cầu đất
phi nông nghiệp tiếp tục tăng, diện tích đất trồng lúa bị chuyển đổi mục đích sử
dụng sẽ rất lớn nếu không được bảo vệ. Các nhà khoa học cho rằng, phải kiểm soát
chặt chẽ quỹ đất nông nghiệp, đặc biệt là đất trồng lúa để vừa đảm bảo việc làm cho
nông dân, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia.
Những luận giải trên cho thấy, sản xuất nông nghiệp ở nước ta đang đứng
trước những khó khăn không nhỏ khi phải đảm bảo một lượng lương thực lớn trong
điều kiện thiếu quỹ đất nông nghiệp, đặc biệt là nguồn nước hạn chế. Trong bối
cảnh như vậy, cần xây dựng những phương án sử dụng nguồn nước một cách hiệu
quả, nâng cao năng suất đất và nước. Xây dựng quy trình tưới tiết kiệm nước tại mặt
ruộng, quy trình vận hành hệ thống thủy nông và đặc biệt phải xem xét vấn đề nước
hồi quy của hệ thống để có phương án sử dụng nước hiệu quả hơn. Do vậy “Nghiên
cứu cơ chế nước hồi quy và vai trò của nó đới với hiệu quả sử dụng nước hệ
thống thủy nông Cầu Sơn - Cấm Sơn” là cần thiết.
II. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu cơ bản của đề tài là xác định cơ
chế, lượng nước hồi quy nhằm đánh

giá hiệu quả sử dụng nước của hệ thống thủy nông Cầu Sơn - Cấm Sơn
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
U3.1. Cách tiếp cận
1. Kế thừa có chọn lọc và bổ sung
Tái sử dụng nước tưới đã được nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới và trong
nước. Những kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng lượng nước hồi quy sau khi tưới là tương
đối lớn và tùy vào từng hệ thống mà lượng nước này có thể sử dụng với mức độ khác
nhau. Như vậy kế thừa có chọn lọc bổ sung sẽ giúp tác giả tận dụng được những
nghiên cứu đi trước nhằm đánh giá những kết quả thực tiễn tại vùng nghiên cứu.

3

2. Tiếp cận thực tiễn
Kết quả của những nghiên cứu trên thế giới đã được kiểm chứng qua nhiều
nghiên cứu, đã được công bố trên nhiều tạp chí uy tín trên thế giới, trong nước chưa
có nhiều những nghiên cứu về sử dụng nước hồi quy. Do vậy, không thể khẳng định
được rằng việc áp dụng một cách rập khuôn máy móc những kết quả nghiên cứu
trên thế giới vào địa bàn nghiên cứu thuộc hệ thống Cầu Sơn - Cấm Sơn. Việc kiểm
định lý thuyết bằng các nghiên cứu tại vùng hệ thống Cầu Sơn - Cấm Sơn nhằm đưa
ra những kết quả sát với thực tiễn.
3. Tiếp cận tổng hợp
Khi đánh giá các phương án đề xuất sẽ theo tiêu chí lợi ích tổng hợp, hài hòa
giữa các yếu tố kinh tế - xã hội – môi trường
4. Tiếp cận hệ thống
Hệ thống tưới là một thể thống nhất từ đầu mối đến mặt ruộng, do đó khi xem
xét lượng nước hồi quy của hệ thống cần phải xem xét từ đầu mối đến mặt ruộng.
Như vậy vấn đề nghiên cứu bao gồm cả thể chế, tổ chức, xã hội và môi trường.
5. Tiếp cận từ trên xuống và từ dưới lên
Có sự tham gia của cộng đồng để điều tra đánh giá thực trạng, nhu cầu, giải
pháp tưới tiêu của hệ thống.

U3.2. Phương pháp nghiên cứu.
1. Phương pháp điều tra, khảo sát thu thập tài liệu liên quan
Điều tra hiện trạng hệ thống công trình thủy lợi khu vực nghiên cứu (thông số
kỹ thuật, hiện trạng làm việc, khả năng đáp ứng ), các đối tượng liên quan (cấp
nước, cơ sở hạ tầng ) vấn đề tồn tại và yêu cầu của hệ thống. Việc kết hợp đồng
thời những phương pháp thông dụng trong việc thu thập thông tin là hết sức cần
thiết để có được một ngân hàng dữ liệu hoàn chỉnh phục vụ cho những bước nghiên
cứu tiếp theo của đề tài.

4

2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường
Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường có thể nói là phương pháp chính xác nhất
vì nó mang tính thực tiễn cao. Do vậy, đề tài sẽ bố trí các vùng nghiên cứu hiện
trường và tiến hành đo đạc các thông số tính toán (mực nước, lưu lượng )
3. Phương pháp tính toán cân bằng nước
Sử dụng các phương pháp tính toán cân bằng nước tại mặt ruộng và hệ thống.
Cân bằng nước cho một vùng được xác định theo không gian và thời gian, được tính
toán bằng dòng vào và dòng ra. Các thông số đo đạc thực nghiệm sẽ là các nhân tố
trong phương trình cân bằng nước.
IV. Kết quả dự kiến đạt được
Xác định được cơ chế, lượng nước hồi quy và vai trò của sử dụng nước hồi
quy đến hiệu quả sử dụng nước của hệ thống thủy nông Cầu Sơn - Cấm Sơn.

5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NƯỚC HỒI QUY TRÊN CÁC HỆ THỐNG
THỦY NÔNG
Khái niệm về nước hồi quy
Có nhiều cách định nghĩa về nước hồi quy trên các hệ thống thủy nông, nhưng
nhìn chung nước hồi quy được định nghĩa là nước chảy trở lại vào nguồn nước
mặt hoặc nước ngầm khi được xả ra sau điểm sử dụng và trở thành nguồn cho
mục đích tiếp theo. Đối với công nghiệp và sinh hoạt, loại nước này gọi là nước
thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt, loại nước thải này cần được xử lý trước khi
sử dụng lại cho các mục đích khác nhau. Nước hồi quy trong hệ thống thủy lợi đa số
được sử dụng lại để tưới cho nông nghiệp
Nước hồi quy trong hệ thống thủy lợi được phân thành hai loại: hồi quy mặt
và hồi quy ngầm
- Nước hồi quy mặt: được chảy xuống các hệ thống kênh tiêu, hồ, ao…sau đó
sử dụng các trạm bơm lấy nước từ hệ thống này tưới lên vùng khác;
- Nước hồi quy ngầm: Lượng nước này được hình thành chủ yếu do lượng
nước thấm ổn định và liên quan nhiều vào đặc tính đất, mực nước ngầm. Hệ số
thấm của đất càng lớn, lượng hồi quy ngầm càng lớn và ngược lại. Nếu mực nước
ngầm cao, nước hồi quy ngầm lớn và đóng góp ngay vào dòng chảy hạ lưu khu tưới.
Khi mực nước ngầm nằm sâu, nước hồi quy ngầm sẽ ra xa hơn và có thể chảy ra
ngoài hệ thống
Có thể minh họa về nước hồi quy cho mục đích nông nghiệp như sau:

Hình 1.1. Không có nước hồi quy
Q
D
ET
A

6








Hình 1.2. Có nước hồi quy
Trong đó:
Q: Lượng nước đến
A: Diện tích đất nông nghiệp
∆A: Diện tích tăng thêm khi sử dụng nước hồi quy
ET: Bốc hơi mặt ruộng
∆ET: Bốc hơi tăng thêm khi diện tích được mở rộng
∆D: Lượng nước sử dụng lại hệ thống
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới nước hồi quy đã được nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt là nghiên
cứu về nước hồi quy trong lĩnh vực công nghiệp. Từ khi có cảnh báo về hiệu ứng
nhà kính, ảnh hưởng của tình hình biến đổi khí hậu sẽ dẫn đến lượng nước ngọt bị

khan hiếm, người ta đã nhận thức được việc tái sử dụng nước thải là cần thiết và cấp
bách. Sự phát triển của các ngành công nghiệp tiêu tốn lượng nước rất lớn, nước
thải ra thường không sử dụng được mà phải thông qua xử lý. Do đó nghiên cứu về
nước hồi quy trở nên phổ biến hơn nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong hệ
thống.
Đối với nông nghiệp, thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu về hồi quy ngay
trên hệ thống tưới. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, lượng nước sau khi sử dụng
A
∆A
Q-ET-∆ET
Q
ET
∆ET
∆D
Q+∆D

7

trên hệ thống thủy nông có một lượng nước dư thừa chảy xuống hệ thống kênh tiêu
rất lớn. Có nhiều nguyên nhân dẫn tới việc dư thừa trên: i) lượng nước mặt dồi dào
nên đã không quan tâm đến vận hành và quản lý hệ thống; ii) hệ thống thủy lợi nội
đồng chưa hoàn chỉnh, lượng nước sau khi sử dụng trên ruộng chảy thẳng xuống
kênh tiêu, iii) chế độ tưới cho cây trồng nhất là cây lúa vẫn sử dụng phương pháp
cũ, mực nước trên ruộng cao, dẫn đến lượng nước vào đầu hệ thống lớn…
UNghiên cứu tại Nhật Bản
Nhật Bản là nước có nền công nghiệp phát triển từ lâu, nông nghiệp chỉ chiếm
tỷ lệ nhỏ (khoảng 5% dân số) nhưng lượng nước tiêu thụ cho nông nghiệp lại tương
đối lớn. Do vậy những nghiên cứu tại Nhật bản về sử dụng nước tiết kiệm hay tái sử
dụng nước đã được thực hiện từ lâu.
Nghiên cứu của Giveson Zulu, Masaru Toyota, Shin-ichi Misawa chỉ ra rằng

lượng nước đầu vào tại đầu mối có thể giảm mà hiệu quả sử dụng nước và diện tích
cây trồng không cần giảm bằng việc sử dụng nước hồi quy để tưới. Theo nghiên cứu
lượng nước sử dụng hồi quy lại là 14.4%, 14.9% và 14.1% trong các năm từ 1991,
1992 và 1993

Hình 1.3. Quá trình dòng chảy đến và dòng hồi quy theo các tháng
Ngày
Tổng lượng nước
Lượng nước đến
Lượng nước hồi quy
Mưa

8

UNghiên cứu tại Hàn Quốc
Nghiên cứu của H.K.Kim, T.I.Jang, S.J.Im, S.W.Park đã ước lượng nước hồi
quy từ ruộng khi tính đến độ ẩm đất. Kết quả cho thấy lượng nước hồi quy trung
bình nhiều năm theo dõi từ năm 1998 đến năm 2001 là 306,2 mm, chiếm 25,7%
tổng lượng nước tưới, trong đó 14,1% được cho là nước hồi quy mặt và 11,6% là
nước hồi quy ngầm. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng có một số lượng đáng kể lượng
nước từ kênh tưới trong ruộng thì hồi quy trở lại sông hoặc xuống kênh tiêu bởi
dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm.
UNghiên cứu tại Đài Loan
Nghiên cứu của Hung-Kwai Chen và nhóm nghiên cứu đã đánh giá tiềm năng
nước hồi quy trong nông nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2004 đến 2007
bao gồm những năm nhiều nước và ít nước, những năm nước trung bình. Kết quả
cho thấy trong những năm mực nước thấp (2004) lượng nước hồi quy trung bình là
0,83 m
P
3

P/s (72.000 mP
3
P) trong kênh Xinluchangke và 1,54 mP
3
P/s (133.000 mP
3
P) trong
kênh Xinhuei Creek
Ngoài ra, hiện nay có một số mô hình cân bằng nước, trong đó mô tả lượng
nước hồi quy là một thành phần quan trọng trong phương trình. Các mô hình này
chỉ mô phỏng lượng nước hồi quy (hồi quy mặt và hồi quy ngầm), còn các hệ số
thấm trên mặt và thấm dưới sâu chưa được khảo nghiệm chi tiết.
UMột số mô hình phần mềm tính cân bằng nước trên thế giới
Từ năm 1984÷1988,
UViện Thuỷ văn Wallingford (Anh)U tiến hành nghiên cứu
cân bằng nước lưu vực sông Mê Công phần lãnh thổ Thái Lan. Trong đó, lượng
thấm sâu lấy trung bình là 60mm/ tháng và lượng nước chảy tràn hay hồi quy trên
mặt lấy bằng 30mm/tháng, lượng mưa hiệu quả lấy theo hàm số giữa tổng lượng
mưa và lượng mưa có hiệu quả trong từng thời đoạn. Dựa vào lượng bốc hơi, lượng
thấm, lượng tràn mặt, lượng mưa có hiệu quả, xác định được lượng nước cần tưới
bằng phương trình cân bằng. Mô hình được xác lập đơn giản dạng một bể chứa

9


Bốc hơi thực tế
E= | Kc. Et | Tổng lượng mưa P

Lượng nước Mưa hiệu | P-ER |
làm đất quả

ER



Tổn thất
kênh mương

Hình 1.4. Mô phỏng các thành phần cân bằng nước
Nhận thấy rằng, ở đây chỉ xét lượng hồi quy trên mặt cùng với lượng nước
mưa thừa P-ER (lượng mưa trừ lượng mưa có hiệu quả) hợp thành lượng nước tiêu trên
mặt. Mô hình này không xét lượng nước ngầm đóng góp vào lượng nước trên mặt.
Đây là mô hình một bể chứa không xét chi tiết thành phần dòng chảy riêng
biệt, như dòng chảy mặt, dòng chảy dưới mặt và dòng chảy ngầm, mà chỉ xét dòng
chảy mặt, bao gồm lượng mưa thừa và lượng nước hồi quy mặt, xem như không có
lượng nước hồi quy ngầm.
Trong mô hình cũng xét thời gian trễ cho 1/3 diện tích tưới là 10 ngày, nghĩa là
toàn đoạn được tưới chia làm 3 phần. Lượng nước tiêu mặt của đoạn thứ nhất sau
10 ngày thì chảy chuyển tới điểm bắt đầu của phần diện tích thứ hai và lượng tiêu
trên mặt của phần diện tích thứ hai sau 10 ngày thì chảy đến điểm bắt đầu của phần
diện tích thứ ba, v.v Theo cách tính như trên, lượng hồi quy mặt cả năm là 19%
lượng nước cần, trong đó mùa mưa 22%, mùa khô 15%. Lượng nước cần của cây
trồng là 1918mm/năm, mùa mưa 930mm và mùa khô 988mm.
UMô hình RRMOD (Rain - Runoff Model)U được dùng để mô phỏng sự hình
Khu tưới
I
D
P

10

thành của dòng chảy từ mưa do Ban Thư ký Mê Công lập năm 1981 để tính dòng
chảy từ lượng mưa cho các lưu vực không có tài liệu thuỷ văn.
Mô hình RRMOD cũng được dùng trong cân bằng nước để mô phỏng sự hình
thành các thành phần dòng chảy hợp thành dòng chảy sông ngòi, bao gồm dòng
chảy mặt, dòng chảy dưới mặt và dòng chảy ngầm.
Dòng chảy được mô phỏng là dòng chảy trung bình thời đoạn 10 ngày hoặc
một tháng. Đầu vào là lượng mưa trung bình thời đoạn, lượng bốc hơi và các yếu tố
khí tượng, như: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm bão hoà, tốc độ gió và số giờ nắng. Lượng
bốc hơi tiềm năng ETP được tính theo biểu thức Penman.
Mô hình RRMOD được dùng để mô phỏng diễn biến dòng chảy khi điều kiện
lưu vực thay đổi, hoặc dùng để khôi phục lại điều kiện tự nhiên khi trên lưu vực đó
có nhiều hồ chứa.
RRMOD được dùng để mô phỏng cơ cấu dòng chảy và quá trình diễn biến
dòng chảy khi trên lưu vực thay đổi sử dụng đất và có hồ chứa như lưu vực Nậm
Ngừm, Nậm Pông, Mun Chi
Cấu trúc của RRMOD có 3 bể chứa: trên mặt, dưới mặt và ngầm (hình 1.5)










Hình 1.5. Cấu trúc của mô hình RRMOD
DF
ETA
Smin

S
SF
Dòng chảy mặt
Tổn thất
SF
SS
SSmin
SSF
Thấm đứng
SB
SBmin
Mực nước ngầm
BF
Dòng chảy ra

11

Theo kết cấu của mô hình thì dòng chảy, lượng thấm, lượng bốc hơi đều là
hàm số của lượng trữ ở từng thời điểm. Lượng trữ trong mô hình này có vai trò
quyết định và dòng chảy là hàm số của lượng trữ.






−
+
=−=
+

+ min
1
31,min3
2
);( S
SS
aSFSSaSF
ii
ii







−
+
=−=
+
+ min
1
91,min9
2
);( SS
SSSS
aSSFSSSSaSSF
ii
ii







−
+
=−=
+
+ min
1
151,min15
2
);(
B
ii
iiBB
S
SBSB
aSBSSaBF

trong đó, các lượng trữ trên mặt, dưới mặt và ngầm được xác định từ các phương
trình cân bằng một dạng của phương trình liên tục.
Lượng trữ trên mặt cuối mỗi thời đoạn:
S
R
i+1
R = SR

i
R + RR
i, i+1
R + DR
i, i+1
R - ETAR
i, i+1
R - FILR
i, i+1
R - SFR
i, i+1
R(-DR
i,i+1
R)
trong đó: R
R
i, i+1
Rlà lượng mưa, RR
i,i+1
R = aR
1
RRR
i, i+1

a
R
1
R là hệ số điều chỉnh của mô hình.
D
R

i, i+1
R là lượng nước tưới lấy từ nguồn khác hoặc từ lưu vực khác. Nếu lấy từ
nguồn nước nằm trong vùng mô phỏng thì sau khi tính ra dòng chảy phải trừ đi.
ETAR
i, i+1
R là lượng bốc-thoát hơi nước thực tế trong thời đoạn tR
i
R ÷ tR
i+1


( )
e
ii
Sa
ii
ETPETA
1,2
1
1,
+
−
+
−=

FIL
R
i, i+1
R là lượng thấm từ lớp mặt xuống lớp dưới mặt
( )













−×−−






−=
−−
+
+
ee
i
ii
SSaSa
ii
aaIcapaFIL
61,

5
111
441,

Icapa là cường độ thấm.
Tương tự như trên, có thể xác định được lượng trữ dưới mặt SSi
SS
R
i+1
R = SSR
i
R + FILR
i, i+1
R- PR
i, i+1


12


( )













−×−−






−=
−−
+
+
ee
i
ii
SBaSSa
ii
aaPcapaP
231,
22
11121
211,

Lượng trữ ngầm SBi
R
+1

SB

R
i, i+1
R = SBR
i
R + PR
i, i+1
R - DPR
i, i+1


( )
e
ii
SBa
ii
DPcapaDP
1,25
1
1,
+
−=
+

Tổng dòng chảy sẽ là:
F
R
i+1
R = SFR
i+1
R + SSFR

i +1
R + BFR
i +1
R- (DR
i+1
R)
Trường hợp thêm thành phần - (D
R
i+1
R) được đưa vào nếu lượng nước tưới lấy
tại chỗ.
Nếu trong vùng tính toán có diện tích sử dụng đất khác nhau thì các phần diện
tích rừng, diện tích đất khai hoang cũng tính như trên, chỉ khác các hệ số ở phần
dòng chảy mặt, như: hệ số a1, a
R
2
R, aR
3
R, aR
4
R, aR
5
R, aR
6
R và các hệ số Icapa, Pcapa, DPcapa.
Để đạt được các kết quả phù hợp, cần điều chỉnh các thông số mô hình như các
trị số của Smin, SSmin, SBmin, Icapa, Pcapa, DPcapa.
Mô hình này có thể dùng để nghiên cứu lượng nước hồi quy cho một lưu vựu
nhỏ khép kín, kể cả dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm để có thể đo kiểm nghiệm
xác định thông số chính xác riêng cho nước hồi quy mặt và hồi quy ngầm. Cũng có

thể nghiên cứu được ảnh hưởng của sử dụng đất, thay đổi cơ cấu cây trồng và mùa
vụ đến lượng nước hồi quy.
UMô hình SSARR (System Synthetic Analises and Reservoir Regulation).U Mô hình
SSARR gồm 3 mô hình gộp lại, đó là mô hình lưu vực, mô hình hồ chứa và mô hình hệ
thống sông (catchment model, resevoir model, river model).
Cấu trúc của mô hình lưu vực cũng tương tự như mô hình RRMOD hoặc mô
hình TANK, tức là mô phỏng dòng chảy từ tài liệu mưa và tổ hợp từ dòng chảy trên
mặt, dòng chảy dưới mặt và dòng chảy ngầm (hình 1.6).


13






Bốc thoát hơi ETI


Điều khiển độ ẩm đất

S – Dòng chảy mặt

SS – Dòng chảy ngầm
















Hình 1.6. Cấu trúc của mô hình SSARR
Trong sơ đồ có các bước của quá trình hình thành dòng chảy như sau:
- Lượng mưa bình quân lưu vực;
- Nhập lượng ẩm độ là lượng nước có được nhờ mưa phân phối đều trong lưu vực;
Lượng mưa
Nhập lượng mưa
SMI
Độ ẩm đất
Chảy tràn
B I I

Chảy trực tiếp tập
trung
S-
SS
Chảy ngầm
Chảy trên mặt
SR
Diễn Toán
Chảy dưới
mặ
t SSR
Diễn toán
Diễn toán
Dòng chảy

14

- SMI: chỉ số ẩm của đất biểu thị trạng thái ẩm tức thời của đất là hàm số của nhập
lượng ẩm;
- EII: cường độ bốc hơi từ mặt đất và thoát hơi từ cây phụ thuộc vào độ ẩm của đất;
- Chỉ số ngấm BII là cường độ ngấm xuống dòng chảy ngầm có quan hệ đến dòng
chảy tập trung;
- Chảy ngầm là lượng nước ngấm sâu xuống đất, di chuyển trong một thời gian khá
lâu tạo thành dòng chảy ngầm;
- Chảy trực tiếp tập trung gồm hai hành phần: chảy trên mặt (SR) và chảy dưới mặt
(SSR) có quan hệ với nhau trên một hàm nào đó.
Mô hình SSARR có thể tính tới ngày, nhưng khó thể hiện cơ cấu mùa vụ, cơ
cấu cây trồng và nhu cầu nước cho cây trồng của từng thời đoạn, vì vậy để nghiên
cứu nước hồi quy trong hệ thống thuỷ lợi, cần cải tiến và sửa một số khâu trong
chương trình.

UMô hình TANKU: cũng tương tự như RRMOD hoặc SSARR, là mô hình lưu
vực dùng để tính dòng chảy tư mưa.
Mô hình TANK dạng đơn gồm 4 bể chứa giống như trong RRMOD, mỗi bể
chứa đều có ngưỡng, dòng chảy của mỗi bể chứa là hàm số của lượng trữ S trừ đi
ngưỡng H theo công thức y = A(S - H), chỉ khác là trong mô hình TANK dùng
phương trình truyền ẩm tuyến tính để mô tả lượng thấm và lượng mao dẫn, còn
RRMOD thì dùng phương trình phi tuyến.

15




Hình 1.7. Cấu trúc mô hình TANK
Tương tự như mô hình SSARR, mô hình TANK không thể hiện hệ số mùa
vụ, cây trồng và tỷ lệ đất nông nghiệp trong vùng. Vì vậy, mô hình TANK không
thích hợp cho việc nghiên cứu lượng nước hồi quy trong vùng đất nông nghiệp. Để
sử dụng trong thực tế, mô hình cần được cải tiến phù hợp.
1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Việt Nam chưa có tài liệu nghiên cứu đáng kể về nước hồi quy trong nông
nghiệp, trong thực tế thường lấy tỷ lệ nước hồi quy là 20÷25% khi đề cập đến vấn
đề này. Đây có thể là lấy theo tỷ lệ dòng chảy mùa kiệt đối với dòng chảy năm làm
tỷ lệ nước hồi quy, trị số này cũng nằm trong phạm vi từ 15÷25%, tuỳ thuộc vào
tính chất của lưu vực (diện tích, tầng phủ thực vật, thổ nhưỡng và đặc biệt là tính
chất điều tiết của lưu vực). Các lưu vực lớn có tỷ lệ dòng chảy mùa kiệt và dòng
r: Mưa
ET: Bốc thoát hơi nước
M: quản lý nước
P: thấm đứng
D: tiêu

Qf: lượng nước tưới
Qr: lượng nước hồi quy
Qc: lượng nước tiêu ra ngoài

16

chảy năm lớn. Đối với các lưu vực nhỏ, có độ dốc lớn, lớp phủ thực vật nghèo nàn,
ít hồ ao thì tỷ lệ này rất nhỏ, không quá 15%, có nhiều lưu vực dưới 10%.
Cho tới nay, chưa có tác giả nào nghiên cứu nước hồi quy một cách chi tiết, cũng
chưa có công trình nào nghiên cứu nước hồi quy cho từng thời kỳ trong năm, mà thường
đánh giá lượng nước hồi quy cho một năm hoặc một chuỗi năm, đặc biệt không tách
được hồi quy ngầm và hồi quy mặt mà thường gộp cả lượng dòng chảy hình thành trong
khu vực do mưa lớn hơn lượng mưa hiệu quả trong các thời đoạn mưa lớn sinh ra.
Đoàn Doãn Tuấn và cộng sự, 2003, đã đánh giá cân bằng nước tại hệ thống
Nam Đuống và hệ thống Nam Thạch Hãn, dựa trên phương pháp phân vùng tưới,
lưu lượng vào và ra tại hệ thống đã xác định được lượng nước tiêu ra khỏi hệ thống:
cụ thể tại hệ thống Nam Đuống cho thấy lưu lượng vào hệ thống là 1,2 triệu
m
P
3
P/ngày, sau khi sử dụng trong hệ thống nước thoát ra từ hệ thống kê tiêu ra ngoài
là 0,14 triệu m
P
3
P/ngày chiếm tỷ lệ 11,7% so với lượng nước vào
Đoàn Doãn Tuấn và cộng sự, 2006, Sử dụng hai phương pháp tính toán lượng
nước tưới: Mô hình S và mô hình F. Vùng nghiên cứu thuộc trạm bơm Quán Chuột
tỉnh Nam Định.
Mô hình S: phương pháp dòng vào – dòng ra cấp hệ thống sử dụng khái niệm
lượng mưa hữu ích

Vùng nghiên cứu được xác định phạm vi về thời gian và không gian là hệ
thống nước mặt 24,2 ha tính từ khi làm đất tới 10-15 ngày trước khi thu hoạch, sử
dụng cân bằng nước như sau:

( )
,,S SN SE S S
S I P D ET∆= +−+
(mm) (1)
Trong đó: ∆SR
S
R : sự thay đổi về dung tích; IR
S,N
R lượng nước tưới thực tới hệ
thống; P
R
S,E
R, lượng mưa hữu ích ở đây được tính từ mô hình thực tế áp dụng cho lúa
ở Việt Nam (Dastane, 1978) không tính lượng mưa ngày dưới 5 mm và trên 50 mm,
sử dụng lượng mưa ngày từ trạm khí tượng thuỷ văn thành phố Nam Định; D
R
S
Rlà
lượng nước “thấm và thẩm lậu”
R

R(ví dụ dòng tiêu ngầm thực) và ETR
S
Rlà sự bốc thoát

17

hơi nước, tổng giá trị (DR
S
R+ETR
S
R) được gọi chung là “tổng lượng nước sử dụng”
trong hệ thống. Dòng chảy mặt (R) không được xác định rõ ràng trong mô hình này.
Mô hình S dựa vào một số ít các số liệu đo dòng chảy mặt đặc trưng qua ranh
giới hệ thống, để xác định lượng nước tưới thực tới hệ thống trong giai đoạn xác
định theo công thức sau:

( )
, , ,,
1
1
10
n
S N S S O n avg p j
j
j
S
I II Qt
A
=
=−=
∑
(mm) (2)
Trong đó I
R
S

Rvà IR
S,O
R tương ứng là lượng nước tưới và dòng chảy ra (mm); QR
n,avg
Rdòng chảy vào thực trung bình (ví dụ = dòng vào – dòng ra) trong khi bơm (m3/h); tR
p,j
R,
thời gian bơm (h) trong khoảng (j-th), n: số lần tưới ; và A
R
S
R:diện tích tưới nghiên cứu
(24,2ha). Tổng lượng nước sử dụng (DR
S
R + ETR
S
R) trên vụ cây trồng có thể được ước tính từ
phương trình (1) với giả định rằng ∆S
R
S
R bằng với IR
S,N
R trong thời kỳ làm đất.
Sử dụng các kết quả đo lưu lượng và khảo sát mặt cắt ngang kênh trong 4 đợt
tưới (Bảng 1) cho thấy lưu lượng dòng vào thực trung bình khi bơm là 462 m
P
3
P/h.
Lưu lượng được đo ở lưu vực xả của trạm bơm (STA07A) và ở các điểm lấy nước
(STA08A, STA02A) và các điểm tiêu nước (STA03A, STA06A) của vùng nghiên
cứu. Bình thường, 2 máy bơm với công suất lý thuyết 1000 m

P
3
P/h/mỗi máy được vận
hành trong các đợt tưới. Tuy nhiên, các số đo lưu lượng ở STA07 cho thấy lưu
lượng thực của mỗi máy bơm là 860 m
P
3
P/h tương ứng với hệ số bơm hiệu quả là
0,86 (lưu lượng thực /lý thuyết).
Trong Chương trình KC12 có một số kết quả nghiên cứu về nước hồi quy.
Nguyễn Thế Truyền đã tổ chức quan trắc nước hồi quy ở khu thí nghiệm Quỳnh
Phụ (Thái Bình) cho kết quả như sau:
- Vụ chiêm: tuỳ theo loại đất và biện pháp tiêu sâu khác nhau, lượng nước hồi
quy (xuống nước ngầm và kênh tiêu) chiếm 68,8÷106% tổng lượng nước mưa,
trong đó lượng nước hồi quy ra kênh mương t
ừ 4÷28%.