Tính toán cân bằng nước trong điều hành hệ thống bằng phương pháp số đoàn đình thỏa

THƯ VIỆN
DẠI IỈỌC THUỶ SẲN

CB
627
Đ 406 Th

ĐOÀN ĐỈNH THỎA

ì
x

r e

M

i f f &

TÍN H TO Á N CẮN BẰNG NƯỚC
TRONG D IỀƯ HÀNH HỆ THÒNG
BẰNG PH Ư Ơ NG P H Á P s ố

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


ĐOÀN ĐÌNH THỎA

TÍNH TOÁN CẢN BANG NITÓC
TRONG ĐIÊU HÀNH HỆ THốNG
BẰNG PHUƯNG PHÁP số

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌO VÀ KỸ THUẬT
1994


MỤC LỤC
Trang
Lời nói đâu

0

Chương I
CÂN BẰNG NƯỚC TRONG THỦY LỢl
I.

II.

Giúi thiệu chung
1. Cân bằng nước
2. Nguyên lý cân bằng

I)
9
10

3.
4.
ft.

12
13

13

Nhứng nguyên tắc tín h toán chung
Trường hợp tiêu nước
Trường hợp khu vực tưới nước

MỘI số vấn
Phân tích các cách giai quyết việc dự tín h nguồn nước
sư dụng cho việc tưới nước.
2. Vấn đê sữ dụng tối ưu nguồn nước tưới cho cây trồng
3. Mô hình toán đối với việc dự báo chế độ nước và chất
lượng nước trong các vùng tưới nước
4. Tóm tắ t chung

14

1.

III.

IV.

15
16
23
23

Phuung trình cân bằng

25

1.
2.
3.
4.
5.

25
27
27
28
31

Phương
Phương
Phương
Phương
Phương

trìn h
trìn h
trìn h
trìn h
trìn h

chung
cân bằng khu tr ữ và diêu tiết nước
cân bằng, trườ ng hợp tiêu nưởc
cân bằng, trườ ng hợp tưới

cân bằng mân

Một số công thúc tính hốc thoáthoi mine

32

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

32
33
35
37
38
38
39

Công thức Capốp [Liên Xô (Russian)l
Công thức Blaney-Criddle ỊHoa Kỳ (American)l
Công thức T hom thw aite -ịHoa Kỳ (American) I
Công thức Sarow [Liên Xô (Russian)]
Công thức Kôchiakốp ILiên Xô (Russian)]
Công thức TURE [Pháp (France)]
Công thức PENMAN lAnh (England)l

Công thức YOSIDA và của IRRI (viện nghiên cứu
lúa quốc tế IRRI)
9. Công thức PENMAN dưới các dạng khác
10. Công thức V an Baven
11. Tóm tắ t

41
42
44
45

3


Chương II
MỔ HÌNH TOÁN BÀI TOÁN CÂN BANG n ư ớ c
I.

rõnỊỉ trình trữ và đícu tiết num:

II.

Bài tnán liêu num ngập úng

48

1.
2.

48

50

III.

IV.

Tiêu nước ngập ú n g
T rường hợp tiêu nước cho các vùng không rtgâp

Bài toán cân hàng num khu tuúi

51

1.
2.

51
52

Vùng tưới
Vùng tưới

ngập
âm

Thiết lập mõ hình toán

53

1.

2.

54
55

Sư đồ hệ th ô n g tín h to á n
Kết cấu mô h ìn h to á n

Các phuong pháp tính toán
VI.

47

56

pbưổn^pháp số

57

1. Khói niệm chung
2. Ctì sử và p hạm vi ứ n g dụng của phương p háp
3 Phương pháp số đối với bài to án cân bằng nước tro n g th ủ y lợi

57
58
59

Chương III
TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT TIÊU NƯỚC
MẶT RUỘNG NGẬP BANG m ô HÌNH DRAINA

I.

Oặt vấn
II.

Nguvén lý tính toán

54

1.
2.
3.

65
66
67

III.

T rường hợp dùng cưa tr à n
T rường hợp dùng ống tiê u tự động hoăc nứa tự động
Hệ to án học của bài to á n

53

Trình tự tính toán

67

T.
2.

67
70

T rìn h tự tín h to á n
Sơ đồ khối của chương tr ìn h điện to án

IV.

Clunmg trình Draina

71

V.

Kết quả tính toán thử nghiệm

72

4


Chương IV
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH TƯỚI VÀ
TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC BẰNG MỒ HÌNH IRINPE
I.

Sơ đò lính

78

II.

Tính toán căn bang

82

III.

Đặc điểm chong của mô hình Irinpe

86

Chương V
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỆN TOÁN PERANE
I.

II.

III.

Đặc điểm chung

88

1.
2.
3.

88
89
90

Sơ đồ điêu khiển chương trin h PERANE
Kết cấu chương trin h điện to án PERANE
Kha năng tín h toán

Nhũng chý ý khi tính toán đỉèu tiết nuóc )iồ chúa

91

1.
2.
3.

91
96
98

Một sô' thông số lưu vực
Chọn bước thời gian tín h toán
Tính toán các công trin h dẫn, tháo nước

Tính toán quá trình tuni kiểm nghiệm

100

1.

2.

100
100

Bài toán tưới th iế t kế
Kết quả tín h toán

Chương VI
CÁC CHƯƠNG TRÌNH TRONG NGÔN NGỮ FORTRAN
I.

Chuông trình Draỉna

Ỉ07

II.

Chuông trình Perane

133

Chương VII
KẾT LUẬN
Tài liệu tham khảo

5


LỜI NÓI ĐẦU

Tính toán cân bằng nước nói chung và nước trong lĩnh vực
thủy lợi nói riêng, đã có quá trình lịch sử sâu rộng đáng kể,
gắn vôi sự phát triển của các công trình, hệ thống thủy lợi và
các công cụ tính toán trong kỹ thuật. Việc tính toán cân bàng
nước trong thủy lợi, chỉ đế cập đến tính toán cân bàng nước đôi
với các hệ thống, công trình thủy lợi mà ở đó quy luật biến đổi
khôi lượng được thể hiện rõ nét và chủ yếu chi phối quá trình
hoạt động của hệ thông hoặc công trình; quy luật biến đổi hay
chuyển hóa năng lượng, động lượng được diễn ra rất chậm hoặc
không thể hiện rõ ràng, mặc dù các quy luật này đã tạo ra những
biến đổi trạng thái của nhiêu yếu tố hợp thành.
Nói chung, việc căn bàng nước là vấn đê đáng và cần thiết
quan tâm đúng mức. S ự phức tạp được thể hiện trong việc định
lượng các yếu tô' tác động đến sự biến đổi nước khu vực khảo
xét. Cũng vi sự phức tạp của hiện tượng do phụ thuộc vào nhiêu
yếu tố, mà vấn đê này đã được đặt ra những nội dung không
kém phần quan trọng trong tính toán thủy lợi và có nhiêu hướng
giải quyết khác nhau. Cơ sở của việc tính toán cân bằng là nguyên
lý bảo toàn khối lượng nước, thể hiện bởi các phương trình cân
bằng nước.
Ngoài ra, mỗi loại hệ thống còn có các điêu kiện khống
chế, ràng buộc theo đặc điểm riêng và yêu cầu, mục đích khai
thác, sử dụng hệ thống đặt ra, mang tính chất kinh tế kỹ thuật
cua hệ thống.

6


Do cấu trúc phương trình phụ thuộc loại hệ thống công
trình, hoặc phương trình bậc nhất, hoặc phương trình siêu việt,

nên cách giải cũng có những đặc trưng riêng. Trước đây, người
ta thường tính toán phương trình bàng cách lập bảng biểu để
tìm quá trình diễn biến của nước trong hệ thôhg hoặc sử dụng
các đ'ô thị và đề giải tính toán tìm nghiệm các phương trình
cân bằng. Hai cách tính phổ biến này đêu tính bàng các công
cụ đơn giản, nên cũng có những đơn giản trong việc mô hình
hóa bài toán. Do vậy, đặc điểm của công cụ tính tọán ít nhiêu
có ảnh hưởng đến quá trình mô hình hóa hệ thống, và dẫn đến
cũng đồi khi có sự khác nhau v'ê nội dung tính toán của trường
hợp tính toán, và đôi chỗ thuật giải cũng khác nhau.
Ngày nay, việc áp dụng máy tính điện tử hiện đại làm
công cụ tính toán các bài toán thực tế đã nảy sinh những đĩèu
khác lạ đáng chú ý. Trong bài toán, cân bàng nước, việc áp dụng
công cụ tính toán này cũng có nhiêu hướng khác nhau. Có thể
xuất phát từ việc tính toán truỳển thống được chuyển đổi sang
tính bàng máy qua các chương trình điện toán. Điêu này giải
quyết tốt vấn đê tốc độ tính toán và khối lượng tính toán đông
thời nhiều bài toán tương tự, cũng như việc trình bày kết quả
thuận tiện, tiêu chuẩn hóa các mẫu mã kết xuất.
Song, công cụ mới cho phép xét bài toán từ thực tế để giải
quyết theo một hướng mới, từ việc mô hình hóa hiện tượng đến hình
thức và phương pháp giải hệ phương trình căn bằng. Thực tế cho
thấy, hướng giải quyết mới khác trước là một việc đã làm được.
Việc áp dụng phương pháp sô' trong tính toán căn bàng
nước đã mờ rộng phạm vi ứng dụng của một mô hình tinh tổng
hợp, và thay đổi cách thức mô tả hiện tượng, mô tả toán học từ
mô hình tính theo phương pháp số. Các chương trình điện toán
của phương pháp này cũng cho phép giải quyết khối lượng lớn
các bài toán tương tự trong một lần tính với tốc độ nhanh.
7

Các chương trình DRAINA, PERANE có thể áp dụng trong
tính toán thiết k ế hoặc trong quản lý khai thác hệ thống.
Những mô hình này đã được tác giả thiết lập và ứng dụng
bước đàu trong tinh toán thực tế m ột vài năm gòn đây, với những
kết quả sử dụng được. Dù sao cũng không tránh khỏi những
khiếm khuyết nhất định. Do vậy, rất mong trong quá trình sử
dụng, đọc giả đóng góp những ý kiến bổ sung hữu ích đ ể chúng
ta đạt tới một phương pháp giải số tốt nhất trong lĩnh vực này.
Rất hân hạnh được trao đổi và cộng tác cùng quí đọc giả.
TÁC GIẢ
D a ta ĐÌNH THỎA

8


Chương 1

CÂN BẰNG NƯỚC TRONG THỦY LỢI
I.

GIỚI THIỆU CHUNG
1. Cân bằng nước
l.a. Khái niệm vẽ căn bằng nước tự nhiên
Trong thực tế, có nhiều loại không gian tự nhiên và nhân
tạo khác nhau chỉ xảy ra quá trình trao đổi khối lượng nước
đáng kể; các quá trình trao đổi động lượng và năng lượng biến
đổi rấ t chậm, rấ t nhỏ hoặc cục bộ so với miền không gian khảo
sát, là đặc điểm thứ yếu hoặc được xét theo một không gian nhỏ

hẹp hơn, hoặc theo góc độ riêng. Chẳng hạn cân bằng nước trong
không gian rừng núi, hồ-đầm-ao chứa nước, nước trên đồng ruộng,
diện tích trồng trọt v.v...
Các dòng chảỳ trong sông, suôi, kênh, rạch vận động với
nhiêu quy luật vật lý chi phôi đồng thời và cùng có ảnh hưỏng
đáng kể, nên không thể nghiên cứu sự vận động của nước chi
bằng một quy luật riêng nào. Quy luật bảo toàn khối lượng, năng
lượng, động lượng đều thể hiện vai trò đáng kể trong sự vện
động của dòng chảy. Vì thế các đại lượng đặc trưng của dòng
chảy phụ thuộc lẫn nhau với những tương quan biến hàm không
thể tính riêng rẽ được.

9


Việc tính toán cân bằng nước được đề cập đến chỉ áp dụng
đôi vổi các trường hợp mà quy luật bảo toàn khôi lượng là đặc
điểm cơ bản và đơn n hất thể hiện sự biến đổi nước trong không
gian khảo sát với khoảng thời gian được lựa chọn thích hợp với
mục đích tính toán.
1. b. Cân bằng nước trong thủy lợi
Cân bằng nước trong thủy lợi đề cập đến các công trình
thủy lợi mà đặc điểm vận động của nước tại đó chỉ do sự biến
đổi khôi lượng nước chi p^ô'i chủ yếu; các quy luật biến đổi động
lượng, năng lượng được xét cục bộ tại các công trình liên kết
hệ thông.
Những công trình như hồ-kho-đầm-ao chứa và điêu tiết
nước trong hệ thống thủy lợi, các khu trồng trọt, đồng ruộng,
cùng các diện tích phụ trong hệ thống. Không đê cập đến vùng
rừng, đồi núi thiên nhiên.

2. N guyên lý cân bằng nước
Dựa theo quy luật bảo toàn khôi lượng trong khoảng thời
gian xác định At nào đó, nguyên lý cân bằng nước được tạo lập
và làm cơ sở xác định các yếu tô' ảnh hưởng cụ thể trong mỗi
loại hệ thống thủy lợi. Thể hiện nguyên lý đó như sau :
LƯ Ợ N G NƯ Ớ C
LƯ Ợ N G N U Ứ C Đ Ế N

L U U N G N Ư Ớ C ĐI

TH A Y B Ổ I T R O N G

TRO N G At

TRO NG At

MIẾN TÍNH TO ÁN
T R O N G At

10


Sự cân bằng nước trong tự nhiên tại một miên tính toán
(không gian) nào đó đều dựa theo nguyên lý trên. Nhưng các
yếu tô' tác động ảnh hưởng đến mỗi loại công trình tại mỗi thời
đoạn không giống nhau. Tính toán cân bằng nước trong thủy lợi
là những trường hợp riêng, do có sự can thiệp của con người
vào sự biến đổi nước qua các công trình thủy lợi được xét đến,
bằng các công trình dẫn tháo nước, tiêu nước, tưới nước.
Đặc biệt, do sự tác động nhân tạo ngày càng sâu sắc để

chi phổi và điều khiển hệ thống một cách chủ động, nên yêu
cầu đặt ra đôi với các bài toán cân bằng càng phức tạp hdn, đòi
hỏi sự nghiên cứu thích hợp.
Ba thành phần cơ bản trong nguyên lý cân bằng nước được
liệt kê chi tiết các yếu tô' ảnh hưởng cụ thể như sau.
a. Lượng nước đến
Bao gồm các yếu tô' ngẫu nhiên và các yếu tô' có thể chi
phổi dược như : mưa, sương, tuyết rơi; các dòng ở ngoài vùng
tính toán chảy đến từ vùng cao hơn; các dòng tải đến bằng động
lực; dòng thấm, rò rỉ, đòng ngầm chảy đến khu tính toán.
b. Lượng nước đi
Bao gồm lượng bốc hơi mặt thoáng, thoát nước bề mặt lá
cây, thoát nước qua lớp cu-tin; lượng nước tiêu tháo để thay đổi
nhiệt độ nước, rửa chua phèn, mặn; lượng nước tiêu tháo do dư
thừa so với yêu cầu sử dụng; lượng thấm, rò ri, dòng ngầm chảy
ra hoặc thoát xuống tầng sâu.
c. Lượng nước trữ thay đổi
Bao gồm sự thay đổi thể tích nước mặt, nước ngầm và độ
ẩm trong đất.

11


3. N hững nguyên tắc tính toán chung
Tính chất không độc lập nhau giữa các thành phân nêu
trên được phân biệt trong môi quan hệ cân bằng nước, do sự
liên quan bản chất giứa các hiện tượng vật lý này trong thực
tế. Và cần thiết lưu ý nhứng khía cạnh chung sau đây khi tính
toán cân bằng nước :
— Khi tính cân bằng nước cần phải kể đến tấ t cả các nhân tô'

tác động đến sự thay đổi lượng nước trong phạm vi vùng tính toán.
— Trong những trường hợp thiếu tài liệu, một vài đại lượng
thứ yếu có thể được ước lượng tương tự các khu vực đã biết,
tránh quá tốn kém để xác định trực tiếp. Nói cách khác, có thể
chấp nhận sai sô' chủ quan để đơn giản và kinh tế trong những
trường hợp khó xác định trưc tiếp bằng đo đạc thực nghiệm
phiên phức.
— Lượng giáng thủy miúa, sương tuyết) là đại lượng ngẫu nhiên
có tính độc lập ảnh hưởng cao hơn, chi phối nhiêu đại lượng khác.
Các đại lượng khác phụ thuộc lẫn nhau và có thể chi phối bằng tác
động nhân tạo được trong chừng mực nhất định.
— ơân thiết đưa vào khái niệm thủy văn đồng nhất hoặc
coi là đồng nhất trong một miền (vùng) cân bằng được tính toán
để đơn giản hóa việc tính toán.
— Khoảng thời gian tính cân bằng cần được chọn thích •
hợp vói từng dạng bài toán cụ thể.
Đôi với bài toán cân bằng hô-kho-đầm-ao chứa và điều tiết
nước, về cơ bản các thành phần cân bằng được kể đến như phần
trên vê ba thành phần trong nguyên lý cân bầng chung (mục 2).
Các trường hợp bài toán tiêu và tưới nước có nhứng đặc
điểm riêng cụ thể của từng loại bài toán, cân thiết được đề cập
chi tiết.
12


4. Trường hợp tiêu nước
Dựa theo nguyên ly cân bằng đã trình bày, áp dụng đôi
với bài toán tiêu nước cho các vùng trồng trọt, có nhđng nét
đặc trưng riêng biệt.
a. Lượng nước đến

Gồm mưa, dòng mặt và ngầm chảy đến.
b. Lượng nước đi
Bao gồm bô'c hơi mặt thoáng, ngấm thẳng đứng xuống tầng
sâu, dòng mặt chảy ra khỏi vùng tính toán bằng tự chảy hoặc
động lực, dòng ngầm chảy đi. Còn tách chi tiết hơn nứa khi
phân biệt tiêu nước vùng cao hoặc vùng ngập.
c. Lượng thay đổi nước trữ.
Gồm sự thay đổi lượng nước mặt và nước ngầm.
Trong các vùng ngập úng, tưới ngập, việc tiêu nước mặt là
chính, mực nước ngầm xấp xỉ mực nước kênh tiêu, các tầng đất đã
bão hòa nước. Khi đó sô' tham sô' trong phương trình giảm đi.
Việc tính toán cân bằng nước trường hợp tiêu nước nhằm
xác định lượng nước, lưu lượng nước cần tiêu thoát theo yêu cầu
tiêu nước của vùng tính toán đặt ra và xác định kích thước hợp
lý của các công trình dẫn tháo nước tiêu thoát của khu vực.
5. Trường hợp khu vực tưới nước
a. Lượng nước đến
Gồm mưa, sương rơi, lượng nước tưới, lượng nước mặt từ
nơi khác chảy tới, lượng nước ngầm cung cấp cho tầng đất chứa
rễ cây.
6. Lượng nước đi
Bao gồm bốc thoát hơi nước mặt thoáng và qua cây trồng,
lượng thấm, thẩm lậu, lượng nước tiêu mưa dư thừa trong khi
tưới, tiêu do tưới thừa, tiêu nước rửa chua phèn, rửa mặn hoặc
thay đểi nhiệt độ nước để có nhiệt độ thích hợp với cây trồng.
13


c. Lượng nước thay đổi lượng trữ
ĐỔI với vùng tưới ngập, xét sự thay đổi nước »uật.

Đối với vùng tưới ẩm, xét sự thay đổi độ ẩm trong đất
tầng thổ nhưỡng, tầng trên mực nước ngầm.
Tính toán cân bằng nước trường hợp tưới nước nhằm tìm
ra quá trình cung cấp nước tưới hợp lý cho cây trồng phát triển
có năng suất cao và tìm thông sô' kinh tế kỹ thuật hệ sô' tưới
thiết kê' làm cơ sở xác định kích thước các công trình dẫn, cấp
nước tưới cho hệ thông tưới.
II. MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐẬT RA Đ ố i VỚI VÙNG TƯỚI
(Dựa th eo tài liệu của FAO/UNESCO)
Đề cập đến nước tưới, thường phải xét đến chất lượng nước
tưới và đặc điểm đất trồng trọt. Một sô' vùng đất chua, mặn đòi
hỏi phải thau chua, rử a mặn trước vụ trồng trọt. Trong những
trường hợp đó, nhất thiết phải đánh giá sự diễn biến mặn trong
quá trình chăm sóc cây trồng và do đó, việc cân bằng mặn
thường đồng thời với việc cân bằng nước tưới, hoặc cân bằng
nồng độ chua phèn cũng phải tiến hành tính toán cùng với tính
cân bằng nước tưới. Vấn đã thuần hóa, đất đai phì nhiêu, màu mỡ.
Trường hợp phải tính cân bằng lượng muối, cũng chỉ xét
tính chất vật lý của quá trình trao đổi khôi lượng, tương tự
nguyên lý cân bằng nước.
Ngoài ra, đô'i với các vùng đất có nhu cầu tưới, dùng nước,
vấn dề kinh tê' và tài chính cũng được quan tâm thích hợp. Và
vì thê' nảy sinh các bài toán kinh tế dề cập đến vốn đầu tư, chi
phí quản lý, khai thác hệ thống tưới. Những vấn dê này có ảnh
hưởng đến các điều kiện ràng buộc khi tính toán cân bằng nước
vùng tưới, làm cho bài toán trở nên hết sức phức tạp. Nhưng
trong chừng mực nhất định, việc tính toán cân bằng nước tưới
dê cập ở đây chỉ dừng lại ở mức độ chịu sự chi phối của các
14

điêu kiện ràng buộc theo kinh nghiệm. Vấn đê kinh tế tài chính,
tính toán tô'i ưu nguồn nước tưới, sự ảnh hưởng của những yếu
tô' đó tới việc tính cân bằng nước không thể đê cập sâu hơn việc
áp dụng các chỉ tiêu kinh nghiệm; nhứng khía cạnh đó nằm
trong phạm vi của bài toán quản lý, khai thác hệ thống là chính,
mô hình chỉ là công cụ tính cân bằng. Mặc dù vậy, việc giới
thiệu một số vấn dfê vê kinh tế trong hệ thống tướinước mà
một số nhà nghiên cứu đã nêu lên, thiết nghĩ cũng cần thiết để
có khái niệm vê tính kinh tế hệ thống tưới, nhất là trong việc
lập kế hoạch sử dụng nguồn nước.

1.
Phân tích các cách giải quyết việc dự tính nguồn
nước sử dụng cho việc tưới nước
Việc chọn lựa chỉ tiêu tôi ưu là nên tảng quan trọng đốì
với lời giải toán học của bài toán tối ưu.
Tiêu chuẩn chung trong đánh giá kinh tế là giá thành sản
phẩm nhỏ nhất (theo Kovalenko, 1972).
Việc tái sản xuất mở rộng trong nông nghiệp đòi hỏi sự
phát triển gia tô'c của việc tích lũy, gia tăng đủ vô'n đầu tư, lợi
ích thu nhập, sự phát triển sản xuất. Lợi nhuận là một nhân tô'
hợp thành, liên quan tới tổng giá thành sản phẩm và lượng tiêu
thụ, chi phí trong nông nghiệp và việc mở rộng sản xuất.
Sự phát triển tưới nước có thể được nghiên cứu trong môi
quan hệ với cấu trúc chung của sản xuất nông nghiệp. Sự phân
phôi tô't nhất của các vùng đất tưới và không tưới nước trong
sản xuất nông nghiệp xác định hiệu quả kinh tê' của công việc
tưới nước.

Vì vậy, cùng với sự lựa chọn hệ thống tưới luân phiên, các
vấn đê trong hoạt động thực tế của hệ thông, quy mô kích thước
diện tích tưới, cấu trúc phân khu trồng trọt, cơ cấu mùa vụ,
phương pháp tưới, việc cung cấp lợi nhuận cao nhất trong các
thành phân của toàn hệ thông được tìm cách giải quyết. Việc chỉ
đạo trồng trọt cây trồng cần tưới nước, thậm chí các vùng nhỏ,
15


bao gồm việc tô chức lại cơ cấu sản xuất, việc phân phôi iại vốn
đâu tư và ngùôn nước.
Hiệu quả kinh tế thực sự của việc tưới được xác định bởi
việc dự tính đúng vê lợi nhuận tăng thêm, cao nhất của hiệu ích
mà nó đạt tới đồng thời với lợi nhuận cao nhất.
Khả năng của lượng giáng thủy tự nhiên hoặc ngụồn nước
được coi là một vectơ tuyến tính từng phần. Nếu mật độ phân
bô' .giáng thủy W là f(w), lợi nhuận từ hệ thống tưới tương ứng
với mức nước cung cấp u được gọi là F(u, w), lợi ích trung bình
từ việc tưới sẽ được xác định bởi tích phân :
/
F(u, w) f(w) dw
(1-1)
X1
Giả thiết rằng số Tân tưới đã định là L với khả năng lặp lại :

Pi, I = 1, 2 ,

L

L

Và ^ P ị là một sô', thì lợi nhuận trung bình được miêu
1=1
tả như một tổng xác định :
L

I Pl • Fj

(1-2 )

1=1

Trong đó F ị là lợi nhuận của hệ thống tưới trong lần tưới
thứ ỉ.
2. Vấn đề sử dụng tối ưu nguồn nước tưới cho c&y trồng
Có K loại cây trồng đang được tưới bởi một hệ thốhg tưới,
dự tính lợi nhuận lớn nhất tính toán là :
L
Max EF = Max £ PLF1
1=1
16

(1-3)


Với:
K

m

n

F| = X L X cgì xịí

(1-4)

V=1i=1Ỉ=1
k = li= lj= l

Trong đó :

xg

- Nhân tô' chưa biết của một hệ thông lưới dùng
dự tính : diện tích cây trồng dự tính, chuồng gia súc,
dự định sử dụng vô'n đầu tư, v.v...
- Lợi nhuận trên 1 ha hoặc một đầu gia súc.

K - Chỉ sô' cây trồng.
ỉ - Chỉ sô' kết quả tưới tự nhiên theo phương pháp c.
m - Tổng sô' phương pháp sản xuất.
n - Sô' phương pháp tưới (theo kiểu luân phiên, v.v.)
Nhứng điêu kiện ràng buộc của bài toán này là nhứng vấn
cfê sau đây :

a)
Diện tích vùng đất khô và các vùng đất được tưới nước
không được vượt quá giá trị srk, với :
p = 1 tương ứng với vùng đất được tưới nước.
/9 = 2 tương ứng với vùng đất khô.

Diện tích vùng đất tưới có thể biến đổi và được xác định
trong quá trình giải bài toán, tùy thuộc vào vô'n đầu tư dự định
cho việc phát triển khai hoang.
m

X x& í s.'2k
i=l
(1-5)
ml nl

j=lj=l

k = 1, 2, 3, ..., K
l = 1, 2, 3,..., L
17


Trong đó : j = 0

tương ứng với phương pháp
không tưới nước,
sô' mùa vụ trồng trọt,
số phương pháp tưới nước.
Tổng diện tích ấn định cho loại
cây trồng k.

mi 1*1 Spk -

b)
Nhứng diện tích không đểi trong các vụ có lượng nướ

tưới khác nhau.

«-6>

ĩ X®' = £ X® = - = ĩ x®>
j =0

j =0

j =0

i = 1, 2, 3 ,..., mj
k = 1, 2, 3, ..., K
c)
Chi phí sử dụng vào mùa vụ được giới hạn bdi giá t
nước cung cấp Q(1), tương ứng với kỹ thuật tưới luân phiên đặt
vào nghiên cứu (Q*1^) có thể là một biến số, tùy thuộc vốn đầu
tư trong việc sửa chứa và mở rộng mạng lưđi tưới nước).
K
ị

“1
I

K m
Ị

1®

X ®

*

» Q ll) -

i

ĩ

n
i

q®

X ®

k=l i= 1 j= l
K=1 i=m+l j=n+l
/ = 1, 2, 3, ..., L
Trong đ ó :
a - hiệu ích tưđi, liên quan đến lượng nưổc thấm,
bốc hơi và lượng tổn thất nước 0 < a < 1.
- Hệ sô' tưới với,
i =

1 , 2 , ..., m j

j = 1,
Đối
i

j
18

2, ..., n x
với các ngành kinh tê' khác, lấy tương ứng
= mj + 1, ..., m
= nj + 1, ..., n

< i-7 >


(i) Các điều kiện trong sản xuất nông nghiệp (mục tiêu đặt
ra, ấn định sử dụng vô'n đầu tư và những yếu tô' khác) được
miêu tả bằng các bất phương trình sau :
K

Ĩ

m

n

E ¿

4 Ỉ • XS i B®

(1-8)

k = li= lj= l

Trong đó : a $ -

các tiêu chuẩn của nguồn
sản phẩm

V

dùng đưa ra

V.

ß(?) -tương ứng các nguồn hoặc các mục đích
sản xuất.
Nếu không ấn định lượng vô'n đầu tư mà đưa vào một mô
hình như sự tìm giá trị, thì lời giải của bài toán sẽ cho kết quả
đạt được giá cả vô'n mà cho hiệu quả kinh tế tự nhiên lớn nhất
trong điều kiện đất, nước, lao động và các nguồn khác đã xác
định với bài toán đã cho.
e) Mối quan hệ qua lại xác định K thích hợp phản ánh các
điều kiện sản xuất trong nội bộ đơn vị sản xuất (giới hạn vê
nhân lực, máy móc mà sản xuất đặt ra) trong K loại cây trồng.
m

I

n

I

x$ i

(1-9)

i = l j =0

/ = 1, 2, ..., L
k = 1, 2, ..., K
/i = 1, 2, ..., ụ
Nhứng tiêu chuẩn được phép đôi với các đơn vị vật lý
tương ứng (như giá trị lao động’(người/sô' giờ), máy móc (máy/sô'
giờ), năng lượng điện (kWh), đặt ra các đơn vị vật lý hoặc thức
ăn của gia súc, v.v.)
f) Những quan hệ tương thích với thức ăn gia súc được
đặt ra đôi với từng loại đơn vị sản xuất.
19


. »1 nl
I

I

m

i= lj= 0

a I

n

I

xg

( 1- 10)

i=m +l j=nỊ+l

l = 1, 2, .... L
k = 1, 2,
K
A = 1, 2,
Ắ
trong đó :
d^i

-

thức ăn định ra của loại X (đơn vị thức ăn,

như kg, tạ) cửa loại thứ i tại lần tưới thứ l
trong vụ.
đjjy^ - các yêu cầu của loại gia súc loại i trong kiểu
thức ăn Ả với việc chăm sóc xen kẽ j.

g)
Giới hạn đô'i với việc gieo hạt giông của các mùa v
khác nhau.
Nếu ãịp (p = 1, 2) là giới hạn trên, (Xịp là giới hạn dưới
vê thành phần cây trồng có khả năng phát triển trên các vùng

đất không tưới nước và được tưới nước, các điêu kiện và cơ cấu
giống cây trồng trở nên bị áp đặt theo điêu kiện.
—ip^pk. —

I 4Ĩ
(1-11)

z pk -

Spk

i = 1, 2,.:., m i
k = 1, 2, ..., K
p = 1, 2.
Điầu kiện ràng buộc (1-11) được kể đến trong tính toán đối
với một trong nhứng kết quả tưới, cùng với tấ t cả kết quả khác
chúng tự động đạt tới điêu kiện ràng buộc kiểu 3 (1-7).
h) Nhđng nhân tô' dự kiến không được bỏ qua
20


xg ^ 0

.

(1-12)

Dựa vào yêu cầu phần trăm cơ cấu cây trồng có thể tạo
lập được R vòng quay cây trồng đất khô và vùng tưới nước.
Lời giải của bài toán vê sự chọn lựa vòng quay cây trồng

và diện tích tối ưu tương ứng'JZrk, r = 1, 2, 3,
R, k = 1,
2, 3,
K. Cỏ thể đạt được bằng cách thay thế điêu kiện (1-12)
đôi vđi hệ thông sau đây :
— Chia tách cây trồng thứ i thành r vòng quay cây trồng,
m2
gồm mr vụ, được xác định bởi ộvt và
/3ir là một số. Nếu dựa
i=l
theo các điêu kiện (1-11) để đặt ra các giới hạn cho vòng quay
cây trồng như dạng sau :

I I Ar xgk = zrk
i

i

Ỵ, zrk < zlk

(1-13)

i=l
R

X

zrk < z2k

r= rj+1

Trong đó,
ri - số’ vòng quay được tưới.
(R - ri) - số vòng quay cây trồng không tưới.
Khi đó việc giải bài toán hợp lý nhất, đạt các điêu kiện
đặc biệt, vòng quay cây trồng và diện tích tương ứng (Zrk) đã
được lựa chọn.

21


— Có thể có phương pháp khác nứa để lựa chọn vòng quay
cây trồng. Một trong các loại cây trồng được đánh sô' là J r trong
mỗi vòng cây trông được chọn (trên cơ sở phân tích ban dầu)
như một cơ sở. Thay vào điêu kiện (1-11), các đĩêu kiện dạng đã
cho dưới đây được quy cho cây trồng này :
« i / ị A k < I x g k < 5 j / jrz rk
j
r = 1, 2, 3, ..., R

(1-14)

k = 1, 2, .... K
Nhđng điêu kiện này cho phép xác định diện tích cây trồng
cơ sở. Tất cả mr - 1 loại khác của vòng quay cây trồng "r" được
xác định từ quan hệ :

xgk = / ^ k

(1-15)

ir = 1, 2, ..., mr - 1

I I xgk < zrk
i

I

j

(1-16)
^rk — S/>k

Mô hình được giả định này cho phép việc xác định cấu
trúc sản xuâ't chọn lựa dưới các nguồn nước thích hợp và ấn
định kế hoạch theo sản xuất đật ra, cũng như giải quyết các bài
toán như vậy khi cầy bừa đâ't hoặc đất đồng cỏ tự nhiên từ một
mô hình sản xuất đến những vấn đề khác nđa, nghĩa là đã cải
tạo các vùng đất không có việc tưới nước thành các vùng trông
trọt cần sự tưới nước, các vùng đâ't tự nhiên chưa được cải tạo
thành các vùng được cải tạo và thuần hóa để trồng trọt được,
v.v. Điêu này thể hiện trong mô hình với các biến sô' được giảm
hoặc gia tăng các điều kiện ràng buộc thích ứng.
22


3. Mô hình toán đối với việc dự báo chế độ nước và chất
lượng nước trong các vừng tưới nước
Nói chung, người ta thiết lập các mô'i quan hệ, đfêu kiện
toàn diện ảnh hưởng đến vấn đê tưới như nước, nhiệt độ, chất

dinh dưỡng, chua, mặn, V .V ., mà đảm bảo cho cây trồng phát
triển tốt, năng suất cao. Và hiệu ích kinh tế trong sản xuất cao
nhất. Trên cơ sở những mối quan hệ, các điêu kiện ràng buộc
đó đã được mô hình hóa toán học, tiến hành tính toán để tim
ra lời giải của bài toán.
Trong việc thành lập mô hình toán để dự báo chế độ nước
và chất lượng nước, người ta thường sử dụng nguyên tắc cấu
trúc HMS (Hydro Meliorative System) để xây dựng cấu trúc mô
hình toán.
Để tính toán với mỗi hệ HMS bất kỳ nào cũng đêu bao
gồm các bước cơ bản sau :
a) Khảo sát vị trí xây dựng dự án HMS (gồm các đặc
trưng địa chất, thủy văn, khí tượng và đất đai).
Mô tả trạng thái các vùng đất cần tưới nước.
b) Chọn lựa vòng quay (sự luân phiên) cây trồng (phân,
xếp loại cây trồng; chế độ tưới nước).
c) Dự báo chế độ nước của tầng đất có trao đổi không khí
và dự báo chuyển động của nước ngâm.
d) Dự báo chế độ mặn, chua phèn trong tầng đất có trao
đổi không khí (thoáng khí) và trong nước ngầm.
e) Xác định các thông số hệ thống tiêu thoát nước.
D Đánh giá, định mức kỹ thuật và kinh tế.
4. Tóm tắt chung
Nói chung, các trường hợp cân bằng nưđc đều dựa trên
nguyên lý bảo toàn khối lượng nước trong tự nhiên. Song mức
23


độ ảnh hường của các nhân tô' không giô'ng nhau trong mỗi loại
công trình cụ thể, cũng như mục đích và các điêu kiện khống

chế không giông nhau đôi với các công trình khác nhau. Do đó,
để tính toán các bài toán cân bằng nước trong thủy lợi, ngoài
phương trình cân bằng nước có thể dừng chung, còn cần thiết
giải quyết riêng, cụ thể từng loại công trình khác nhau, để đáp
ứng thích hợp mục tiêu của mỗi bài toán riêng biệt đã được thể
hiện trong các điều kiện ràng buộc riêng của từng loại công trình
nêu trên.
Vì chỉ tập trung vào phương pháp giải các dạng bài
toán cân bằng nước trong thủy lợi, nên những vấn đê vượt
ngoài khuôn khổ của mục đích này chỉ được giới thiệu khái
quát hoặc được đơn giản hóa đáng kể theo cách tính phổ
biến trong nước hiện nay, chẳng hạn việc áp dụng các điều
kiện, chỉ tiêu ràng buộc trong các bài toán cụ thể. Mặt khác,
đã đặt phạm vi các bài toán trong khuôn khổ hẹp hơn những
nội dung cần thiết trong tính toán các hệ thô'ng công trình,
chẳng hạn trường hợp tưới nước, chỉ tính toán với trường
hợp tưới đồng đều trong vùng tưới, chưa đề cập đến tưới
luân phiên, nhất là trong bài toán tính hệ sô' tưới thiết kế.
Trong quản lý khai thác, vấn (fê sẽ phức tạp hơn khi xây
dựng kê' hoạch dùng nước của hệ thống chẳng hạn.
Mặc dù vậy, với việc đặt vấn đề của phương pháp dã làm
cho khả năng giải quyết của mô hình tính, phương pháp tính
được mở rộng và có thể đáp ứng nhiều đòi hỏi mà tính toán
thực tê' đặt ra. Chẳng hạn, mô hình tính IRINPE, có thể giải
quyết bài toán tưới trong trường hợp thiết kế và trong khai thác
hệ thô'ng ở bước tính kết quả, nhưng chưa đề cập hết nhđng
thông sô' mang tính kinh tế đa dạng như đã trình bày ở trên.
Việc tính toán cân bằng nước được mô hình hóa toán học
thông qua các mô hình vật lý tương ứng cho mỗi loại công trình.
24

Mô hình toán được thể hiện bằng phương trình cân bằng nước
và các điêu kiện không chế, ràng buộc được thể hiện bằng ngôn
ngứ toán học.
III. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG
1. Phương trình chung
Sự biểu diễn toán học phương trình cân bằng có thể sử
dụng dạng chung như sau (dạng sai phân hữu hạn) :

1

- ,

-

ị * ,

-

%

i=l
J=1
Trong đó :
N
^ qv. - Tổng lượng nước nhập vào vùng tính toán
i—1
qv.’
- Là lượng nhập thứ i

N
L
5^
j=l
qạ.

- Số thành phần nhập vào
- Tổng lượng nưđc ra khỏi vùng tính toán
- Lượng nước thoát ra thứ j

L
- Sô' thành phần lượng thoát ra
AM
- Tổng lượng nước thay đổi trong vùng tính toán
. At
- Khoảng thời gian tính toán.
Các lượng nước này bao gồm nước mặt, nước ngầm và hơi nước.
Đô'i với các công trình thủy lợi bằng nước theo-phương trình cụ thể, chi tiết hơn. Xuất phát từ
(1-17), đê cập đầy đủ các thành phần hợp thành, dẫn đến phương
trình cân bằng đầy đủ, chi tiết hơn.

25