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