Xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn trên vùng đất dốc

Xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý của trạm
bơm tưới cho cây trồng cạn trên vùng đất dốc
Ths. Nguyễn Tuấn Anh
PGS.TS. Lê Chí Nguyện

Đại học Thuỷ lợi
tóm tắt
Bài viết này trình bày một phương pháp xác định phương án bố trí và quy mô hợp
lý của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn trên vùng đất dốc có điều kiện địa hình khu
tưới liên tục và cao dần, sử dụng nguồn nước mặt ở chân dốc (sông, suối, hồ chứa),
máy bơm cánh quạt. Phương pháp dựa trên lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích
đầy đủ các thông số ảnh hưởng, đưa ra được mô hình toán và chương trình máy tính
giải bài toán thiết kế tối ưu. Chương trình này cho phép tìm ra được kết quả một cách
nhanh chóng với mức độ tin cậy cao và có thể ứng dụng tốt cho công tác tư vấn thiết
kế.
I- Đặt vấn đề
Nước ta có diện tích đất đồi núi khá lớn có thể canh tác cây trồng cạn gồm các cây ăn
quả, cây công nghiệp, cây lương thực...Theo số liệu điều tra của Cục quản lý nước và CTTL,
diện tích gieo trồng cây trồng cạn năm 2000 ở một số khu vực như sau: Miền núi Trung du
Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ: 1.310.576 ha; Nam Trung Bộ: 425.264 ha; Đông Nam Bộ:
849.701 ha; Tây Nguyên: 1.020.432 ha. Và theo quy hoạch đến năm 2010 có thể lên tới:
Vùng núi Trung du Bắc Bộ: 340.000 ha; vùng Bắc Trung Bộ: 1.162.730 ha; vùng Duyên hải
Nam Trung Bộ: 787.543 ha; vùng Đông Nam Bộ: 1.100.429 ha; vùng Tây Nguyên:
1.120.000 ha.
Việc tưới nước cho cây trồng cạn vùng đồi núi, ngoài việc tận dụng nước mưa, còn lại
chủ yếu tưới bằng động lực (chiếm khoảng 90%), các hình thức bơm động lực có thể kể đến
là: bơm giếng sâu, bơm tia, bơm nước va, bơm thuỷ luân, bơm cánh quạt ly tâm, lấy nước
ngầm, nước từ hồ và sông suối....Trong đó tương đối phổ biến là hình thức dùng trạm bơm ly
tâm lấy nước từ sông, suối, hồ chứa tưới cho các dải đất canh tác ven bờ sông, suối trên sườn
dốc. Đặc điểm cơ bản của các trạm bơm tưới này là: cột nước yêu cầu lớn, lưu lượng yêu cầu
nhỏ và địa hình khu tưới phân cấp bậc thang.

Vấn đề đặt ra trong công tác thiết kế các trạm bơm cho các khu tưới có dạng trên là cần
xác định phương án bố trí và quy mô hợp lý cho các trạm bơm trong các phương án phân cấp
trạm bơm và phân khu tưới sao cho đảm bảo yêu cầu tưới và với chi phí đầu tư xây dựng và
quản lý là nhỏ nhất.
Bài toán này đã được đặt ra từ lâu và đã có nhiều lời giải khác nhau, tuy vậy đa số còn
đơn giản, chưa đề cập đến đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng, nên lời giải chỉ mang tính sơ bộ.
Mặt khác trong thực tế hiện nay khi lập Dự án thiết kế các trạm bơm trên, do khối lượng tính
toán lớn nên người ta thường chỉ đưa ra một vài phương án bố trí theo định tính, vì vậy
phương án được chọn chưa được tối ưu.
ở đây mục tiêu nghiên cứu là dựa trên cơ sở của lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích
đầy đủ các thông số ảnh hưởng, đưa ra thuật toán giải bài toán tối ưu, tìm ra được lời giải với
mức độ tin cậy cao bằng phần mềm tính toán, cho phép tìm kết quả một cách nhanh chóng.
II- Nội dung và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên lý chung
ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống cho bài toán thiết kế tối ưu, sử dụng phương
pháp so sánh giải bài toán theo các bước sau:
- Trên cơ sở tài liệu địa hình, địa chất và tài liệu quy hoạch của khu tưới, tiến hành phân
tích và lựa chọn một số tuyến đặt trạm bơm đảm bảo điều kiện kỹ thuật (hướng lấy nước

1


thuận, ổn định về mặt xói lở và bồi lắng, khống chế diện tích tưới lớn nhất, khối lượng đào
đắp ít nhất, điều kiện địa chất công trình tốt...).
- Đối với mỗi phương án về tuyến xét nhiều loại hình thức bố trí khác nhau của trạm
bơm tưới vùng cao như: 1 cấp bơm, 2 cấp bơm nối tiếp nhau - các trạm bơm vừa tưới vừa cấp
nước cho trạm bơm cấp trên, 3 cấp bơm nối tiếp nhau - các trạm bơm vừa tưới vừa cấp nước
cho trạm bơm cấp trên, 2 và 3 trạm bơm cùng cấp nhưng tưới cho các khu có cao trình
khống chế khác nhau (trong thực tế thường bố trí tối đa là 23 cấp bơm-xem hình 15), với
mỗi hình thức bố trí lại xét nhiều phương án khác nhau về diện tích phụ trách của các trạm

bơm, tổ hợp các hình thức bố trí và quy mô trạm bơm khác nhau có được nhiều phương án
thiết kế khác nhau.
- Với mỗi phương án thiết kế, tính toán được các thông số thiết kế của các trạm bơm, từ
đó chọn được số máy bơm và loại máy bơm.
- Qua thiết kế định hình xác định được vốn đầu tư xây dựng của các trạm bơm. Từ tài
liệu về nhu cầu dùng nước, về nguồn nước, về trạm bơm, xác định được chế độ chạy máy
bơm trong từng thời kỳ, từ đó xác định được chi phí điện năng và chi phí quản lý khai thác
hàng năm. Cuối cùng xác định được các loại chi phí và vốn đầu tư của các phương án.
- So sánh kinh tế giữa các phương án bằng một chỉ tiêu tối ưu sẽ xác định được phương
án tối ưu.

2.2. Hàm mục tiêu
Có nhiều chỉ tiêu để xác định phương án tối ưu, trong bài toán này sử dụng chỉ tiêu:
Tổng chi phí và vốn đầu tư quy về năm đầu nhỏ nhất.

1 i T 1
Cmin = min K j Cbqj
T

i 1 i
j = 1 n

2


Trong đó:
Kj: Vốn đầu tư ban đầu tương ứng với phương án j
Cbqj: Chi phí quản lý khai thác bình quân hàng năm tương ứng phương án j
i: Lãi suất tính toán
T: Thời gian hoạt động của dự án (năm)

n: Số phương án đưa ra để so sánh
Điều kiện ràng buộc:
- Các phương án đều phải đảm bảo tưới cho diện tích của toàn khu vực là cho trước:
[j] =
(j = 1 n)
- Các phương án đều phải đảm bảo tổng lượng nước tưới cho toàn khu vực được xác định
trước: W[j] = W
(j = 1 n)
2.3. Trình tự tính toán xác định phương án tối ưu
Trình tự giải bài toán được thể hiện trong sơ đồ khối tổng quát sau:

Begin
Zs ~t; qi~t, , Zbt~

Catalog máy bơm, đường đặc
tính H~Q, ~Q

Nhập số liệu

Dự toán thiết kế điển hình, đơn giá
máy bơm, đường ống...

Tổ hợp, xác định số phương án
(Npa) và tính toán các thông số
thiết kế cho các phương án
j=1

Chọn máy bơm cho phương
án j
Tính toán xác định vốn đầu

tư Kj cho phương án j

Tính toán chi phí điện và chi phí
hàng năm Cbq cho phương án j
Tính giá trị hàm mục
tiêu Cj của P.án j
Đ
j:= j+1

j
S
Tìm Cmin và tính NPVmax
Xác định phương án
tối ưu

3

end


2.3.1. Chuẩn bị thông tin đầu vào
Các số liệu phục vụ cho việc tính toán được chuẩn bị ở file dữ liệu bao gồm:
- Số liệu về mực nước của nguồn nước (sông hoặc mực nước hồ chứa...): Zs ~t
- Số liệu về diện tích và đặc trưng địa hình của khu tưới: diện tích khu tưới: , quan hệ giữa
cao trình mực nước khống chế ở bể tháo và diện tích khống chế tưới tự chảy: Zbt~ (Được
suy ra từ quan hệ giữa cao trình đường đồng mức và diện tích tính từ đường đồng mức đó trở
xuống).
- Số liệu về chế độ tưới cho cây trồng: qi~t
- Số liệu về máy bơm và trạm bơm

+ Biểu đồ sản phẩm máy bơm
+ Các đường đặc tính H~Q; ~Q của mỗi máy bơm.
+ Dự toán thiết kế định hình trạm bơm tính bình quân cho 1 tổ máy với các loại máy
bơm khác nhau: chi phí xây lắp: Kxl1m; chi phí thiết bị: KTB1m~ loại máy bơm
- Số liệu về đường ống: Sức cản đơn vị So, giá thành...
- Các số liệu liên quan khác.
Giá điện, định mức chi phí quản lý khai thác, các chỉ tiêu kinh tế...
2.3.2. Trình tự tính toán
Tính toán với các phương án về tuyến công trình, đối với một phương án về tuyến có các
biến chạy sau: hình thức bố trí (5 hình thức bố trí như nêu ở trên), cao trình mực nước bể
tháo của các cấp bơm: Zbt1, Zbt2, Zbt3.(hoặc diện tích phụ trách của các trạm bơm). Trình
tự tính toán đối với 1 phương án về tuyến công trình như sau:
Bước 1- Tổ hợp các hình thức bố trí, các quy mô khác nhau của mỗi trạm khi cho biến
cao trình mực nước bể tháo (Zbt) của mỗi trạm thay đổi, xác định được số phương án thiết
kế có thể Npa, đồng thời xác định được thông số thiết kế của các trạm bơm trong Npa đó.
Bước 2- Xét lần lượt các phương án từ phương án j:= 1 đến phương án j:= Npa.
Đối với mỗi phương án thực hiện các bước tính toán sau:
a- Chọn máy bơm cho các trạm bơm: Với các thông số thiết kế đã được xác định ở trên, với
biểu đồ sản phẩm máy bơm và thông số kỹ thuật của các loại máy bơm được nạp trong file
dữ liệu, sẽ chọn được số máy bơm và loại máy bơm cho các trạm bơm. Số máy bơm: n được
chọn theo điều kiện kỹ thuật sao cho biểu đồ Qbơm sát với biểu đồ Qyêu cầu nhất, 3 n 8, loại
máy bơm được chọn có hiệu suất cao nhất.
b- Tính toán Vốn đầu tư xây dựng hệ thống K[j]:
Khi xác định được số máy bơm và loại máy bơm của các trạm bơm, dựa trên số liệu dự
toán thiết kế định hình của các trạm bơm tính bình quân trên một tổ máy với các loại máy
bơm khác nhau được nạp trong file dữ liệu sẽ tính được vốn đầu tư cho phần xây lắp và thiết
bị của trạm bơm, kết hợp với việc xác định được chiều dài đường ống đẩy chung, đường
kính ống đẩy chung và đơn giá đường ống, xác định được vốn đầu tư cho đường ống, từ đó
xác định được vốn đầu tư cho các trạm bơm và cho cả hệ thống.
c- Tính toán Chi phí hàng năm Cnăm[j]:

+ Sau khi chọn được số máy bơm và loại máy bơm cho các trạm bơm, dựa trên số liệu
về nhu cầu tưới q~t trong năm trung bình, mực nước ở nguồn, diện tích phụ trách, đường đặc
tính của máy bơm được nạp trong file dữ liệu, sẽ tính được chi phí điện năng của mỗi trạm
bơm trong năm trung bình đó.
+ Dựa trên số trạm bơm, định mức số công nhân quản lý một trạm bơm xác định được
chi phí tiền lương của các trạm bơm và cả hệ thống.
+ Dựa trên kết quả tính toán vốn đầu tư xây lắp và thiết bị của các trạm bơm ở trên,
xác định được chi phí sửa chữa thường xuyên của các trạm bơm và của cả hệ thống.
+ Cuối cùng xác định được chi phí trung bình hàng năm ứng với phương án j: Cnăm[j].
d- Tính giá trị của hàm tối ưu C[j]
Từ giá trị vốn đầu tư K[j], chi phí hàng năm Cnăm[j], tính được tổng chi phí và vốn đầu
tư quy về năm đầu C[j].
e. Ghi kết quả vào file kết quả.
Sau khi tính toán cho Npa phương án khác nhau cuối cùng có được kết quả tính toán
của Npa phương án khác nhau.
Bước 3 - Tìm giá trị Cmin trong số Npa giá trị C[j]

4


Cmin = min{C[j]};
j = 1Npa
Từ đó xác định được phương án tối ưu ứng với tuyến công trình đang xét.
Tính toán tương tự như trên cho các tuyến khác nhau, so sánh kết quả sẽ tìm được
phương án tối ưu cho cả khu vực.
2.4. Chương trình tính toán xác định phương án tối ưu cho một tuyến công trình
Chương trình tính toán được viết bằng ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal, chương trình
gồm 6 modul chính sau:
1- Modul Đọc số liệu; 2- Modul Tính thông số thiết kế; 3- Modul Chọn máy bơm; 4Modul Tính vốn đầu tư; 5- Modul Tính chi phí điện năng và chi phí hàng năm; 6- Modul
Tính giá trị hàm mục tiêu và xác định phương án tối ưu.

III- áp dụng tính toán cho khu tưới IA-KO huyện Chư Sê tỉnh Gia lai
áp dụng chương trình tính toán với các thông số cụ thể của khu tưới IA-KO, kết quả
tính toán cho thấy như sau:
- Kết quả tính toán đã chọn ra phương án hợp lý trong số 133 phương án đưa ra là
phương án bố trí 3 cấp bơm nối tiếp nhau với tổng chi phí nhỏ hơn phương án bố trí 1 trạm
bơm như thông thường là: 3.625.000.000 đồng chiếm 15% tổng chi phí.
- Kết quả tính toán khá phù hợp với điều kiện thực tế, điều này khẳng định sự phù hợp
của mô hình và của chương trình tính đã lập.
IV- Kết luận
- Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được một phần mềm tính toán mà với phần mềm này
có thể xác định được nhanh chóng phương án bố trí và quy mô hợp lý của trạm bơm tưới
vùng đất dốc, đáp ứng yêu cầu tưới đặt ra, với tổng chi phí xây dựng và quản lý là nhỏ nhất,
có xét đến đầy đủ các yếu tố liên quan (Đặc điểm địa hình khu tưới, nguồn nước, cây trồng,
loại máy bơm, các chỉ tiêu kinh tế khác...).
- áp dụng phần mềm tính toán cho khu tưới IA-KO đã cho kết quả tính toán tương đối
phù hợp với điều kiện thực tế, đó là: + Đối với các khu tưới có địa hình cao dần và xa dần so
với nguồn nước thì việc bố trí các trạm bơm nối tiếp nhau có lợi hơn cả. + Đối với các khu
tưới có dạng kéo dài theo nguồn nước thì việc bố trí các trạm bơm cùng cấp đặt song song
tưới cho các tiểu khu có cao trình khác nhau có lợi hơn.
- Kết quả nghiên cứu này sẽ được kiểm chứng thêm và có thể áp dụng tốt cho công tác
tư vấn thiết kế lập dự án công trình trạm bơm tưới và cấp nước cho vùng đồi núi.

Tài liệu tham khảo
[1] - Nguyễn Ngọc Bích và nnk: Máy bơm và trạm bơm tập 1,2
[2] - GS.TS. Hoàng Lâm Viện: Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới, tiêu
bằng động lực - Bài giảng Cao học
[3] - PGS. TS. Phó Đức Anh: Phân tích hệ thống
[4] - GS.TS. Hà Văn Khối: Quy hoạch và quản lý nguồn nước
[5] - Cục QL nước và CTTL: Báo cáo điều tra tình hình sản xuất và tưới của cây
trồng cạn - 2003

[6] - Trung tâm KH và TKKTTL: Hồ sơ TKKT trạm bơm tưới IA-KO, Chê Sê,
Gia Lai - 1998.
Summary
This paper presents a method for determining the optimum layout and command
areas of each pumping station in a series of pumping stations using surface water
sources (river, stream, reservoir) at the hill-foot to irrigate continuous up-hill sloping
area planted with dry crops. Based on the system analysis theory, an optimum
algorithm that takes into account various influential factors such as topographical
conditions (shape, slope and elevation) of the irrigated area, water sources, types of

5


planted crops, pump types, electricity unit charge and costs for materials and
equipments, was developed. The PCs-based program utilizing this algorithm allows
fast finding of the optimum layout and command areas of each pumping station in
the series. The program is highly reliable and may have very effective design
applications.

6