CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Chương 5 QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI 5.1 MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA VÀ CÁC TÀI LIỆU CẦN THIẾT CHO TÍNH TOÁN 5.1.1 Mục đích và ý nghĩa Công trình đầu mối là công trình quan trọng của hệ thống thủy lợi, công trình đầu mối quyết định khả năng phục vụ của hệ thống. Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là tính toán phối hợp giữa nguồn nước và quy mô kích thước công trình đầu mối để xác định ra khả năng lấy nước vào hệ thống. Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối nhằm mục đích: - Xác định kích thước công trình đầu mối của những hệ thống được bắt đầu quy hoạch và thiết kế. - Kiểm tra kích thước và khả năng lấy nước của công trình đầu mối đối với những hệ thống tưới đã có sẵn nhằm tìm ra các giải pháp thích hợp để nâng cao hiệu quả của công trình đầu mối. Nếu khả năng lấy nước của công trình đầu mối lớn so với yêu cầu, ta có thể mở rộng diện tích phụ trách tưới của hệ thống hoặc đáp ứng các yêu cầu dùng nước khác trong khu vực. Ngược lại nếu khả năng lấy nước của công trình đầu mối nhỏ hơn yêu cầu nước của hệ thống có thể đề xuất các phương án như mở rộng kích thước công trình đầu mối, bổ sung bằng các nguồn nước khác hoặc giảm bớt yêu cầu nước của hệ thống. - Trong quá trình quản lý, phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối cho mỗi năm cụ thể, nhằm đưa ra kế hoạch phân phối nước cho hệ thống phù hợp với điều kiện nguồn nước thực tế của những năm đó. Chính vì vậy, tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối có ý nghĩa rất lớn trong công tác quy hoạch, thiết kế, cải tiến, nâng cấp và vận hành quản lý các hệ thống thủy lợi. Tùy theo biện pháp lấy nước và hình thức công trình đầu mối mà có nhiều trường hợp tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối khác nhau: - Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy không cần đập dâng. - Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy kết hợp đập dâng. - Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là hồ chứa CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Tính toán phối hợp nguồn nước tại công trình đầu mối là trạm bơm 5.1.2 Các tài liệu cần thiết dùng cho tính toán 1. Tài liệu về nguồn nước Khi công trình đầu mối là các công trình lấy nước ven sông, tài liệu về nguồn nước bao gồm: - Quá trình lưu lượng của sông (Q ~ t) TK - Đường quá trình mực nước của sông (H ~ t) Khi công trình đầu mối là hồ chứa, tài liệu về nguồn nước bao gồm: - Quá trình lưu lượng hoặc độ sâu dòng chảy tại mặt cắt xây dựng đập chắn nước; - Các đường đặc trưng lòng hồ W ~Z và F ~ Z 2. Tài liệu về yêu cầu nước của hệ thống - Quá trình lưu lượng yêu cầu tại công trình đầu mối (Q yc ~ t) - Quá trình mực nước yêu cầu tại công trình đầu mối (H yc ~ t) Quá trình yêu cầu nước tại công trình đầu mối phải là yêu cầu nước tổng hợp của các ngành dùng nước trong hệ thống như nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, phát điện, giao thông thủy…) - Quy mô, kích thước của kênh dẫn nước sau công trình đầu mối. 3. Tài liệu về địa hình địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối. - Bình đồ khu vực xây dựng công trình đầu mối; - Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang đoạn sông xây dựng công trình đầu mối; - Cấu tạo địa chất tại khu vực xây dựng công trình đầu mối. 4. Phân tích và đánh giá tài liệu Căn cứ vào hai tài liệu, lượng nước đến và lượng nước cần ta vẽ đường quá trình (Q đ ~t) và (Q C ~ t) trên cùng một hệ trục tọa độ. Sẽ có hai trường hợp xảy ra sau đây. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) (Q d ∼t) (Q C ∼t (Q C ∼t (Q d ∼t) Træåìng håüp 1 Træåìng håüp 2 CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trường hợp 1: Ta thấy quá trình (Q đ ~t) bao phủ toàn bộ (Q C ~ t) trong tất cả các tháng trong năm thiết kế, do đó không cần công trình điều tiết tại đầu mối. Tùy thuộc vào vị trí địa hình và nguồn nước mà phân ra các loại lấy nước công trình sau đây: - Khi H sông > H yc thì dùng cống lấy nước tự chảy không có đập dâng - Khi H sông ≤ H yc thì dùng đập ngăn sông kết hợp cống lấy nước - Khi H sông << H yc thì dùng trạm bơm. Trường hợp 1: Lưu lượng nước đến (Q đ ~t) của một số tháng đảm bảo được lưu lượng yêu cầu tuy nhiên có một số tháng không đủ theo lưu lượng yêu cầu, do đó cần có công trình điều tiết tại đầu mối bằng cách xây dựng hồ chứa để trữ nước của các tháng thừa nước và cung cấp nước cho các tháng thiếu nước. Tùy theo mức độ thiếu hụt của lượng nước yêu cầu mà có các loại công trình điều tiết khác nhau: - Hồ điều tiết năm: khi tổng lượng nước yêu cầu nhỏ hơn tổng lượng nước đến trong năm(năm thiết kế). Hồ điều tiết năm rất thường gặp ở các công trình thủy lợi lấy tưới làm chính. - Hồ điều tiết nhiều năm: khi tổng lượng nước yêu cầu khu tưới lớn hơn tổng lượng nước đến trong năm. Do đó cần điều tiết nhiều năm để đảm bảo đủ lượng nước yêu cầu của khu tưới. Đối với công trình chỉ phục vụ tưới không nên làm hồ điều tiết nhiều năm, vì quy mô công trình lớn dẫn đến không hiệu quả kinh tế, loại hồ điều tiết nhiều năm chỉ dùng cho các công trình thủy điện. Trong chương này ta không xét đến hồ điều tiết nhiều năm. 5.2 TÍNH TOÁN PHỐI HỢP NGUỒN NƯỚC KHI CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TỰ CHẢY TRÊN SÔNG 5.2.1 Các trường hợp tính toán 1. Công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy + Trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống ≤ (15% ÷20%) lưu lượng của sông + Trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống ≥ ≥≥ ≥ (15% ÷20%) lưu lượng của sông 2. Công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy kết hợp đập dâng 5.2.2 Phương pháp tính toán Có hai phương pháp: + Phương pháp giải tích CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi + Phương pháp đồ giải 5.2.3 Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy, lưu lượng lấy vào ≤ ≤≤ ≤ (15% ÷ ÷÷ ÷20%) lưu lượng của sông Q S . 1.Sơ đồ tính toán 2. Phương pháp giải tích Trong trương hợp này việc lấy nước vào kênh không ảnh hưởng đến dòng chảy trên sông. Qúa trình tính toán phối hợp nguồn nước tại cống tự chảy đầu mối có thể tiến hành theo các bước sau: Bước 1: Chọn trường hợp tính toán: Để tính toán hoặc kiểm tra kích thước công trình đầu mối thường phải chọn trường hợp bất lợi, đấy là thời điểm có lưu lượng yêu cầu của hệ thống tương đối lớn và mực nước ngoài sông tương đối thấp, từ đấy có thể xác định được trị số lưu lượng yêu cầu dùng cho tính toán Q yc . Bước 2: Từ giá trị lưu lượng yêu cầu qua cống vào kênh dẫn đầu mối, trên cơ sở mặt cắt kênh đã được xác định, có thể tính toán độ sâu mực nước trong kênh h k . Bước 3: Giả thiết chiều rộng cống b ( Trong trường hợp phải xác định quy mô kích thước công trình cho dự án chuẩn bị đầu tư). Bước 4: Dựa vào công thức tính toán lưu lượng chảy qua cống tính toán độ hênh lệch mực nước yêu cầu (∆Z) giữa thượng lưu và hạ lưu cống đầu mối. ZghbmQ kyc ∆= 2 (5.1) Trên cơ sở giả thiết kích thước của cống đầu mối, quá trình lưu lượng và mực nước của sông, khả năng dẫn nước của kênh; dựa vào quy luật dòng chảy qua cống và quan hệ giữa cao trình mực nước ngoài sông với cao trình mực nước trên kênh dẫn sau cống, có thể tính toán được quá trình lưu lượng yêu cầu của hệ thống để có nhận xét, đánh giá về kích thước công trình đầu mối. Hình 5.1 Sơ đồ tính CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 2 2         =∆⇒ ghbm Q Z k yc rong đó b - là bề rộng cống h k – chiều sâu nước trong kênh phía sau cống m – hệ số lưu lượng ∆Z – tổn thất cột nước qua cống Bước 5: Tính toán cao trình mực nước sông yêu cầu nhằm đảm bảo lưu lượng qua cống Q yc . ZhZZ kdc yc S ∆++= (5.2) Bước 6: So sánh cao trình mực nước sông yêu cầu theo tính toán ( ) yc S Z với cao trình mực nước sông tương ứng tại thời điểm tính toán (Z S ). Nếu Z S – YC S Z ≤ |ε| thì việc giả thiết chiều rộng cống b là hợp lý, nếu chênh lệch giữa mực nước sông yêu cầu theo tính toán và mực nước sông tịa thời điểm tính toán quá lớn ta phải giả thiết lại b khác và tính toán lại từ đầu. Bước 7: Với chiều rộng cống b đã được xác định, tính toán kiểm tra cao trình mực nước sông ở các thời đoạn khác nhau trong năm với điều kiện cần thỏa mãn là: yc SS ZZ ≥ . Trong trường hợp công trình đầu mối đã có, muốn xác định khả năng lấy nước qua cống chúng ta có thể sử dụng công thức tính toán lưu lượng dòng chảy qua cống, quan hệ giữa mực nước sông với mực nước trên kênh và đường quá trình mực nước lưu lượng và lưu lượng trên sông. ZghbmQ kyc ∆= 2 (*) ZhZZ kdc yc S ∆++= (**) Từ các phương trình trên, để tính toán được lưu lượng có thể lấy vào hệ thống trong những điều kiện cụ thể ở một thời điểm nào đấy, có thể dùng phương pháp thử dần. Trước hết giả thiết một giá trị Q k vì mặt cắt kênh đã xác định nên sẽ có một giá trị h k tương ứng dựa vào phương trình (*) tính toán được ∆Z và thông qua phương trình (**) xác đinh được Z S . Từ Z S đã tính toán so sánh với cao trình mực nước sông thực tế ở thời điểm tương ứng, nếu không sai khác thì lưu lương Q k giả thiết chính là lưu CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi lượng chảy qua cống thỏa mãn các điều kiện đã được xác định trong thời điểm tính toán. Nếu cao trình mực nước sông tính toán ra Z S sai khác với mực nước sông thực tế tại thời điểm chọn tính toán, chứng tỏ Q k không phải nghiệm của bài toán, phải giả thiết lại Q k và tính toán lại từ đầu. Các tính trên được áp dụng tính toán cho nhiều thời điểm khác nhau trong quá trình mực nước sông, chúng ta sẽ được quá trình lưu lượng có thể lấy vào hệ thống. So sánh quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống với quá trình lưu lượng yêu cầu của hệ thống để rút ra những nhận xét, kết luận và những giải pháp thích hợp áp dụng ở hệ thống. 3. Phương pháp đồ thị Trình tự tính toán như sau: Để tính toán phối hợp ta dùng biểu đồ 4 góc như sau: Các tài liệu ban đầu gồm: (Q yc ∼t); (Q s ∼t); (Q s ∼Z s ); vấn đề là phải xác định quan hệ: (Q k ∼Z s ) và (Q k ∼t) Bước 1: Xây dựng quan hệ (Q k ∼ H S ) t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (Q S ∼t) (Q yc ∼t) (Q k ∼t) Q S Z S Q k (Q K ∼Z S ) (Q S ∼Z S ) II III I IV Hình 5.2 Biểu đồ tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước, lưu lượng lấy vào Q k ≤ ≤≤ ≤ (15 ÷ ÷÷ ÷ 20) % Q S CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Dựa vào hai phương trình đã nêu, Chọn b tương ứng với lưu lượng Q k cho trước và với mặt cắt kênh cho trước, ta xác định được h k , sau đó thay vào (*) xác định được ∆Z, thay ∆Z vào (**) xác định được Z S . Tóm lại ứng với 1 giá trị Q k ta một giá trị Z S từ đó xác định được quan hệ (Q k ∼Z S ) và đưa vào góc phần tư thứ II của biểu đồ. Bước 2: Phối hợp nguồn nước Từ đường quan hệ (Q S ∼ t) cứ một giá trị Q S ta có một giá trị Z S dựa vào (Q S ∼ Z S ) và tương ứng với Z S ta có Q k dựa vào (Q k ∼ Z S ). Từ đó suy ra (Q k ∼ t) là đường lưu lượng có khả năng lấy vào kênh. So sánh (Q yc ∼ t) và (Q k ∼ t) *Nếu Q k vừa đủ thoả mãn Q yc thì khẩu độ cống b c đã chọn là hợp lý. *Nếu Q k quá lớn hoặc quá nhỏ so với Q yc thì khẩu độ cống b đã chọn không hợp lý, cần chọn lại b. *Nếu thay đổi b nhiều lần mà (Q k ∼ t) > (Q yc ∼ t) thì xử lý như sau: -Thay đổi hình thức công trình đầu mối bằng cách làm đập dâng. -Thay đổi (Q yc ∼ t) bằng cách giảm diện tích tưới hoặc thay đổi cơ cấu cây trồng. -Tăng hệ số sử dụng nước của hệ thống bằng cách phòng thấm đường kênh. Đối với cống đã xây dựng rồi thì thông qua quá trình phân phối nước để kiểm tra lại diện tích tưới bằng cách thay (Q yc ∼ t) bằng (q ∼ t) khi đó diện tích tưới xác định như sau q Q htK tuoi η ω . = 5.2.4 Tính toán phối hợp nguồn nước khi công trình đầu mối là cống lấy nước tự chảy, lưu lượng lấy vào ≥ ≥≥ ≥ (15% ÷ ÷÷ ÷20%) lưu lượng của sông Q S . 1.Sơ đồ tính toán CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 2. Phương pháp giải tích Do lưu lượng lấy nước vào kênh quá lớn do đó làm hạ thấp mực nước sông trước cống, dẫn đến ảnh hưởng đến điều kiện lấy nước vào kênh. Mực nước sông trước cống được xác định theo hệ thức: Z TC = Z DC – Z n (5.3) Z DC – cao trình mực nước sông phía hạ lưu cống lấy nước; Z n – độ cao mực nước sông hồi phục sau khi lấy nước vào cống, được xác định theo công thức: ( ) g V K K Z dc n 212 3 2 − = (5.4) V dc –lưu tốc dòng chảy trên sông phía hạ lưu cống; K – tỷ số lưu lượng, 1<= s k Q Q K ; Q k – lưu lượng lấy qua cống vao kênh theo yêu cầu; Q S – lưu lượng nước đến của sông theo tần suất thiết kế. Khi kể đến sự hạ thấp, cao trình mực nước sông trước cống Z TC sẽ phụ thuộc vào lưu lượng lấy vào kênh, lưu lượng của sông và có ảnh hưởng tới lưu lượng có thể lấy vào cống. Trong trường hợp này quá trình tính toán phối hợp phải kể đến sự thay đổi này. Trình tự tính toán: Hình 5.3 Sơ đồ tính CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 1. Dựa vào đường quan hệ Q yc ~t và Q S ~t , chọn trường hợp bất lợi để tính toán 2. Giả thiết bề rộng cống b (trong trường hợp phải xác định quy mô kích thước công trình cho dự án chuẩn bị đầu tư). 3. Dựa vào công thức tính lưu lượng chảy qua cống, các quan hệ giữa mực nước sông trước cống với chiều sâu hạ lưu cống và tổn thất khi chảy qua cống có thể tính toán cao trình mực nước sông trước khi lấy nước vào hệ thống. ZghbmQ kyc ∆= 2 (5.5) ZhZZ kdcTC ∆++= (5.6) Với công thức (5.5) và (5.6) khi đã xác định được trường hợp tính toán, có nghĩa là với trị số Q k có thể tìm được giá trị Z TC tương ứng. 4. Xác định trị số cao trình mực nước sông trước cống ∗ TC Z theo sự thay đổi do sự ảnh hưởng của việc lấy nước vào cống. Độ cao phục hồi của mực nước sông phía dưới vị trí cống lấy nước được tính bằng công thức: ( ) g V K K Z dc n 212 3 2 − = Mặt khác, khi chọn được trường hợp tính toán chúng ta có các trị số Q k và Q S xác định, và tính được các giá trị: s k Q Q K = ; Q dc = Q S – Q k và tính được các trị số Z DC , V dc theo tài liệu thủy văn và mặt cắt sông. Như vậy có thể tính toán được Z n tương ứng. Cao trình mực nước sông trước cống ∗ TC Z = Z TC – Z n . 5. So sánh giá trị Z TC và ∗ TC Z , nếu sai khác không đáng kể thì chứng tỏ việc giả thiết trị số b là hợp lý và lấy kết quả đó là kích thước công trình đầu mối, nếu sai khác phải giả thiết lại b và tính toán lại từ đầu. 6. Tính toán kiểm tra với các thời điểm khác nhau của quá trình mực nước sông với điều kiện phải thỏa mãn ∗ TC Z ≥ Z TC . Trong trường hợp công trình đầu mối đã có, việc tính toán cũng như trên nhằm xác định quá trình lưu lượng có khả năng lấy vào hệ thống để so sánh với quá trình lưu lượng yêu cầu của hệ thống nhằm đưa ra các giải pháp xử lý thích hợp. 3. Phương pháp đồ thị CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Trường hợp Q k ≥ (15÷20)%Q S là trường hợp lưu lượng lấy vào hệ thống làm ảnh hưởng tới mực nước sông tại nơi xây dựng công trình đầu mối. Vì vậy chúng ta phải xác lập được quan hệ giữa lưu lượng sông, lưu lượng qua cống và cao trình mực nước sông bị thay đổi do ảnh hưởng của việc lấy nước vào hệ thống. (Q S ~ Q k ~ Z S ). Muốn vậy ta tính toán qua các bước trung gian sau đây. Bước 1: Xây dựng quan hệ Q k ~ Z TC Với công thức chảy qua cống và hệ thức liên hệ giữa chiều sâu nước chảy qua cống, tổn thất qua cống và cao trình mực nước trước cống Z TC chỉ có thể xác định được đường quan hệ lưu lượng chảy qua cống và cao trình mực nước trước cống Q k ~ Z TC thông qua các phương trình cụ thể sau: ZghbmQ kyc ∆= 2 (5.7) ZhZZ kdcTC ∆++= (5.8) Kích thước kênh dẫn sau cống đã được xác định, với mỗi giá trị lưu lượng chảy qua cống vào kênh Q k ta có ngay giá trị h k tương ứng. Khi có h k và Q k dựa vào phương trình (5.7) có thể xác định được ∆Z, có ∆Z và h k dựa vào phương trình (5.8) tính toán được Z TC . Với cách tính như trên, giả thiết nhiều giá trị Q k khác nhau sẽ tìm được nhiều giá trị Z TC tương ứng. Nói một cách khác dựa vào phương trình (5.7) và (5.8) có thể xây dựng được đường quan hệ Q k ~ Z TC . Bước 2: Xác định quan hệ Q k ~ Q S ~ Z TC Khi lưu lượng chảy qua cống vào hệ thống tương đối lớn so với lưu lượng của sông, mực nước sông tại vị trí cửa cống bị hạ thấp sau đó hồi phục một trị số Z n tại mặt cắt của sông phía dưới cống như hình (5.3) Độ cao hồi phục của mực nước sông Z n được tính theo công thức ( ) g V K K Z dc n 212 3 2 − = (5.9) Từ sơ đồ (ình 5.3) quan hệ giữa cao trình mực nước sông phía dưới cống, độ cao phục hồi và cao trình mực nước cống được biểu diễn bằng hệ thức: Z TC = Z DC - Z n (5.10) . trước khi lấy nước vào hệ thống. ZghbmQ kyc ∆= 2 (5. 5) ZhZZ kdcTC ∆++= (5. 6) Với công thức (5. 5) và (5. 6) khi đã xác định được trường hợp tính toán, có. Z DC - Z n (5. 10) CHƯƠNG 5- QUY HOẠCH HỆ THỐNG THỦY LỢI Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Như vậy dựa vào hai phương trình (5. 9) và (5. 10) chúng