Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 2

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

166
lượt xem 74
download

Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 2

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quan hệ đất ư nước và cây trồng, nguyên lý điều tiết nước ruộng 2.1. ảnh hưởng của nước đối với sự phát triển của cây trồng và tác dụng cải tạo đất Nhờ có nước, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, ánh sáng và không khí mà cây trồng phát triển bình thường. Các yếu tố ảnh hưởng lẫn nhau và có tác dụng quan trọng ngang nhau không thể thay thế nhau được. Phối hợp tốt các yếu tố này thì cây trồng phát triển thuận lợi, cũng như làm thay đổi quá trình hình thành đất, không ngừng tăng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 2

20 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi Ch−¬ng 2 Quan hÖ ®Êt - n−íc vμ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng 2.1. ¶nh h−ëng cña n−íc ®èi víi sù ph¸t triÓn cña c©y trång vµ t¸c dông c¶i t¹o ®Êt Nhê cã n−íc, chÊt dinh d−ìng, nhiÖt ®é, ¸nh s¸ng vµ kh«ng khÝ mµ c©y trång ph¸t triÓn b×nh th−êng. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng lÉn nhau vµ cã t¸c dông quan träng ngang nhau kh«ng thÓ thay thÕ nhau ®−îc. Phèi hîp tèt c¸c yÕu tè nµy th× c©y trång ph¸t triÓn thuËn lîi, còng nh− lµm thay ®æi qu¸ tr×nh h×nh thµnh ®Êt, kh«ng ngõng t¨ng ®é ph× cho ®Êt. Trong c¸c yÕu tè trªn, n−íc vµ chÊt dinh d−ìng lµ hai yÕu tè quan träng vµ ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh. Mçi qu¸ tr×nh t¹o thµnh vµ ph©n hñy cña thùc vËt ®Òu lÊy n−íc lµm m«i giíi. N−íc chiÕm ®Õn 80% trong nguyªn sinh chÊt cña thùc vËt. N−íc gióp qu¸ tr×nh ph©n gi¶i chÊt h÷u c¬ trong ®Êt hoÆc c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi kh¸c. Nhê cã n−íc hßa tan c¸c chÊt kho¸ng trong ®Êt trång mµ rÔ c©y míi cã thÓ hót vµ vËn chuyÓn c¸c chÊt ®ã tõ rÔ lªn th©n vµ l¸ ®Ó nu«i c©y. Nhê cã ®Çy ®ñ n−íc trong c¸c tÕ bµo mµ c©y cã thÓ duy tr× ®−îc ¸p lùc b×nh th−êng. 99,8% l−îng n−íc ®· bèc h¬i qua c¸c khÝ khæng ë mÆt l¸ ®Ó ®iÒu tiÕt nhiÖt ®é cho c©y, b¶o ®¶m sù sinh ho¹t b×nh th−êng cña c©y, chØ cã 0,2% l−îng n−íc lµ tham gia vµo viÖc t¹o thµnh th©n vµ l¸ c©y, l−îng n−íc nµy tuy Ýt nh−ng kh«ng thÓ thiÕu ®−îc. V× vËy ph¶i b¶o ®¶m ®Çy ®ñ l−îng n−íc cho c©y. Kh¶ n¨ng hót n−íc cña rÔ c©y trong ®Êt phô thuéc vµo l−îng ngËm n−íc trong ®Êt vµ nång ®é dung dÞch cña c¸c chÊt trong ®Êt. 2.1.1. ¶nh h−ëng cña n−íc ®Õn kh¶ n¨ng hót n−íc cña c©y trång 1. N¨ng lùc hót n−íc cña rÔ c©y cã thÓ biÓu thÞ b»ng hÖ thøc Ψ Pi − gZ i − ϕXi n U=∑ (2.1) R Pi + R ri i =1 trong ®ã: U - n¨ng lùc hót n−íc cña rÔ, th−êng biÓu thÞ b»ng ¸p lùc hoÆc ®é cao cét n−íc; ΨPi - thÕ n¨ng dÉn cña líp i (bao gåm c¶ kh¶ n¨ng thÈm thÊu);
21 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng ϕXi - thÕ n¨ng cña n−íc trong rÔ; RPi - søc c¶n cña ®Êt ë líp i; Rri - søc c¶n cña rÔ, søc c¶n nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo hÖ thøc: R R ri = n ∑ L i n Rn - ®é s©u rÔ; Li - mËt ®é rÔ ë líp i; n - sè líp tÝnh to¸n mËt ®é rÔ c©y. N¨ng lùc hót n−íc cña rÔ c©y cã quan hÖ víi søc gi÷ n−íc cña ®Êt (¸p lùc gi÷ n−íc cña ®Êt), mµ ¸p lùc gi÷ n−íc cña ®Êt l¹i cã quan hÖ víi ®é Èm cña ®Êt. ¸p lùc gi÷ n−íc cña ®Êt tû lÖ nghÞch víi ®é Èm cña ®Êt, ®é Èm cµng bÐ th× lùc gi÷ n−íc cña ®Êt cµng lín vµ ng−îc l¹i. §Ó c©y trång cã thÓ hót ®−îc n−íc tõ trong ®Êt th× ¸p lùc hót cña rÔ c©y ph¶i th¾ng ®−îc ¸p lùc gi÷ n−íc cña ®Êt. Ta cã thÓ biÓu diÔn ph−¬ng tr×nh ®¹i sè vÒ lùc gi÷ n−íc trong ®Êt ®−îc biÓu thÞ b»ng thÕ n¨ng: φ = Ha − Ψ + gZ + Pγ (2.2) φ - tæng thÕ n¨ng gi÷ n−íc cña ®Êt, cã thÓ biÓu thÞ b»ng bar hoÆc cm cét n−íc; Ha - lùc hót, khi ®Êt ë tr¹ng th¸i kh« th× xuÊt hiÖn lùc nµy. ¸p suÊt gi÷ n−íc cã thÓ ®¹t hµng chôc, hµng tr¨m bar tïy thuéc vµo tr¹ng th¸i kh« cña ®Êt; Ψ - lùc mao qu¶n, xuÊt hiÖn ë tr¹ng th¸i n−íc mao qu¶n. Lùc nµy bÐ h¬n lùc hót (lùc dÝnh kÕt); gZ - lùc träng tr−êng, lùc nµy xuÊt hiÖn ë tr¹ng th¸i n−íc tù do, biÕn ®æi theo søc hót cña tr¸i ®Êt vµ vÞ trÝ thÕ; Pγ - lùc thñy tÜnh, lùc nµy xuÊt hiÖn khi n−íc trong ®Êt ®· b·o hßa. Tæng thÕ n¨ng gi÷ n−íc cña ®Êt φ thay ®æi theo tr¹ng th¸i Èm cña ®Êt, ®Êt cµng kh« kiÖt, gi¸ trÞ φ cµng lín vµ ng−îc l¹i. ë mét tr¹ng th¸i Èm cña ®Êt, chØ tån t¹i mét thµnh phÇn chiÕm −u thÕ cña c¸c thÕ thµnh phÇn, vÝ dô ë tr¹ng th¸i n−íc liªn kÕt (®Êt rÊt kh«) th× gi¸ trÞ Ha chiÕm −u thÕ, cßn c¸c thµnh phÇn kh¸c bá qua. Trong 4 thµnh phÇn trªn, lùc hót vµ lùc mao qu¶n lµ quan träng nhÊt. Lùc hót lµ do t¸c dông hÊp dÉn ®−îc thùc hiÖn ®èi víi n−íc cña bÒ mÆt ph©n tö ®Êt. Lùc hót cã gi¸ trÞ ®Õn hµng ngµn kg/cm2 mµ t¸c dông trªn kho¶ng c¸ch v« cïng bÐ, chØ 1/10 angstrom (1 angstrom = 10-7mm). Nhê lùc hót n−íc ®−îc gi÷ chÆt trong ph©n tö ®Êt vµ nhê lùc dÝnh c¸c phÇn tö n−íc sÏ liªn kÕt víi nhau vµ t¹o thµnh mµng ë xung quanh phÇn tö ®Êt. Mµng cµng dµy th× ph©n tö n−íc ë bªn ngoµi cña mµng gi÷ l¹i víi lùc rÊt nhá ®Õn khi lùc hót triÖt tiªu. Cã nghÜa lµ lùc hót tû lÖ nghÞch víi ®é dµy cña mµng n−íc phÝa ngoµi ph©n tö ®Êt.
22 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi Cã thÓ nãi r»ng: - §Êt b·o hßa n−íc, ®Ó t¸ch n−íc khái ®Êt th× cÇn n¨ng l−îng bÐ, v× n−íc ®−îc gi÷ víi ¸p lùc nhá; - §Êt cµng kh« th× yªu cÇu ng−îc l¹i; - ë mÆt n−íc tù do (møc n−íc tÜnh) th× ¸p lùc vµ søc c¨ng b»ng 0; - ë mÆt n−íc thñy tÜnh (vïng viÒn mao qu¶n) ¸p lùc lµ ©m, bÐ h¬n ¸p lùc atmosfer (¸p lùc khÝ quyÓn); - ë d−íi mÆt n−íc tù do ¸p lùc lµ d−¬ng, tøc lµ lín h¬n ¸p lùc atmosfer (¸p lùc khÝ quyÓn). C¶ hai lo¹i ¸p lùc ©m vµ d−¬ng ta gäi lµ kho¶ng thÕ ¸p lùc. Theo Schofield ®Ò nghÞ lo¹i ®¬n vÞ x¸c ®Þnh thÕ cña ®é Èm lµ pF (logarit cña thÕ Èm) biÓu thÞ b»ng cm cét n−íc. pF = 0 : Lo¹i ®Êt b·o hßa n−íc; pF = 3 : §Êt Èm ë søc tr÷ n−íc ®ång ruéng; pF = 3,7 : §Êt Èm ë hÖ sè hÐo t¹m thêi; pF = 4,2 : §Êt Èm ë hÖ sè hÐo vÜnh viÔn; pF = 6,5 : §Êt Èm ë hÖ sè hót n−íc; pF = 7 : §Êt gÇn kh« hoµn toµn. §iÒu nµy cã ý nghÜa quan träng vÒ lý thuyÕt vµ thùc tÕ cña søc gi÷ n−íc ®èi víi c¸c lo¹i ®Êt kh¸c nhau. §Êt c¸t cã søc gi÷ n−íc bÐ h¬n søc gi÷ n−íc ë ®Êt sÐt nÕu cïng mét ®é Èm. Do ®ã cã thÓ kÕt luËn: Sù hÊp thô n−íc ®èi víi c©y trång kh«ng chØ quan hÖ víi l−îng % Èm trong ®Êt mµ cßn cã quan hÖ víi søc gi÷ n−íc cña ®Êt. ¸p lùc Èm trong ®Êt b»ng 2atm th× n−íc trong ®Êt ®−îc c©y hÊp thô dÔ dµng. ¸p lùc cÇn thiÕt ®Ó t¸ch n−íc trong ®Êt: - B»ng kh«ng ®èi víi ®Êt b·o hoµ n−íc; ⎛ 1 1⎞ - B»ng ⎜ ÷ ⎟ atm ®èi víi ®Êt cã ®é Èm lµ søc tr÷ n−íc tèi ®a ®ång ruéng; ⎝ 10 3 ⎠ - B»ng (15 ÷ 16) atm ®é Èm t−¬ng ®−¬ng víi hÖ sè c©y hÐo. Quan hÖ gi÷a ®é Èm cña ®Êt vµ ¸p lùc gi÷ Èm cã thÓ biÓu thÞ b»ng biÓu ®å h×nh 2.1. 2. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh søc gi÷ n−íc cña ®Êt Cã thÓ thùc hiÖn b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p: - Ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch träng l−îng. §©y lµ ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn, nh−ng mÊt nhiÒu thêi gian. - Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh b»ng ¸p lùc kÕ (Tensiometer).
23 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng - Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh b»ng Ohm kÕ. H×nh 2.1: Quan hÖ gi÷a ®é Èm vµ søc gi÷ Èm cña ®Êt a) Ph−¬ng ph¸p ®o b»ng ¸p lùc kÕ (Tensiometer Richards) CÊu t¹o: Gåm ba bé phËn lµ b×nh xèp, èng chøa n−íc, ¸p lùc kÕ
24 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi H×nh 2.2: Tensiometer ®o ®é Èm cña ®Êt 1- B×nh xèp; 2- èng chøa n−íc; 3- ¸p lùc kÕ Nguyªn lý ®o: Dùa trªn c¬ së c©n b»ng lùc gi÷ Èm trong ®Êt vµ thiÕt bÞ ®o (b×nh xèp hót Èm). C¸ch ®o: + §−a ®Çu cã b×nh xèp vµo trong ®Êt ë vÞ trÝ cÇn ®o (®é s©u nµo ®Êy cña tÇng ®Êt); + N−íc gi÷ trong ®Êt sÏ c©n b»ng víi n−íc tr÷ trong b×nh xèp vµ trong hÖ thèng kÝn; + ¸p lùc t¨ng lªn vµ truyÒn vµo cét n−íc trong èng vµ thiÕt bÞ ®o ¸p lùc (Tensiometer). §ång hå ®o ph©n chia tõ 0 ÷ 100 centibar (1 bar = 1 atm). Theo Marsh ph©n tÝch gi¸ trÞ sè ®äc ®−îc trªn Tensiometer nh− sau: - Sè ®äc n»m gi÷a 10 vµ 25 lµ ®iÒu kiÖn lý t−ëng, thÝch hîp gi÷a tû lÖ n−íc vµ kh«ng khÝ ®èi víi c©y trång c¹n. - Sè ®äc tõ 40 ÷ 50: NhiÒu lo¹i c©y trång rÔ s©u tõ 50cm b¾t ®Çu thiÕu n−íc. - Sè ®äc 70: §Êt cã kÕt cÊu trung b×nh vµ c©y trång cã rÔ ph¸t triÓn ®Õn 75cm cÇn t−íi. - Sè ®äc 70: T−íi cã thÓ b¾t ®Çu (2 ÷ 3 ngµy) sau khi ®äc sè nµy. - Sè ®äc 80: CÇn t−íi ®èi víi hÇu hÕt c¸c lo¹i c©y trång. Nh÷ng tiÖn lîi cña lo¹i thiÕt bÞ nµy: - Cã thÓ ®o liªn tôc; - Gi¸ thµnh thiÕt bÞ kh«ng ®¾t, dÔ chÕ t¹o; - X¸c ®Þnh ®é Èm nhanh ë thêi ®iÓm Èm cña ®Êt; - Sai sè chØ kho¶ng ± 2%. Nh−îc ®iÓm: - ChØ ®o ®−îc tõ 0 ÷ 0,85 atm, víi ®Êt cã ¸p lùc gi÷ n−íc cao h¬n th× kh«ng khÝ sÏ chui vµo b×nh xèp vµ thiÕt bÞ ngõng ho¹t ®éng - Kh«ng sö dông ®−îc ë ®é s©u lín. b) §o b»ng Ohm kÕ ThiÕt bÞ sÏ kh¾c phôc ®−îc nh−îc ®iÓm cña thiÕt bÞ trªn. Bouyoucos ®· nghiªn cøu chÕ t¹o lo¹i thiÕt bÞ nµy. CÊu t¹o: gåm ba bé phËn chÝnh 1. Ohm kÕ; 2. Mét hép xèp; 3. Hai d©y nèi víi hai ®iÖn cùc.
25 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng Nguyªn lý: Dùa trªn quan hÖ gi÷a ®iÖn trë vµ ¸p lùc gi÷ Èm trong ®Êt, mµ ®é Èm cña ®Êt l¹i quan hÖ víi ¸p lùc gi÷ Èm. Quan hÖ nµy ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 2.1. 1 1 : Ohmetre 2 : D©y c¸ch ®iÖn 3 : Hép xèp 2 D©y c¸ch ®iÖn phÝa ngoµi 3 H×nh 2.3: ThiÕt bÞ ®o ®é Èm cña ®Êt b»ng Ohmetre B¶ng 2.1 - Quan hÖ gi÷a lùc gi÷ Èm vµ ®iÖn trë Lùc gi÷ Èm (atm) §iÖn trë (Ohm) 0 300 0,5 1100 1,0 2500 2,0 8500 4,0 29000 8,0 80000 TiÖn lîi cña thiÕt bÞ: - Lµm viÖc rÊt nhÑ nhµng; - §o ®−îc nhiÒu ®iÓm cïng mét lóc; - Sai sè chØ ®¹t ±1%; - §o ®−îc ¸p lùc lín (®èi víi ®Êt kh«). 3. C¸c chØ sè vËt lý cña ®Êt cã quan hÖ ®Õn kh¶ n¨ng hót n−íc cña c©y a) HÖ sè hót n−íc βh
26 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi HÖ sè nµy biÓu hiÖn l−îng n−íc mµ ®Êt kh« ë 105°C cã thÓ hót n−íc trong kh«ng khÝ gÇn b·o hoµ h¬i n−íc. HÖ sè nµy sÏ ®−îc biÓu thÞ b»ng % cña träng l−îng ®Êt kh« sÊy ë 105°C. Gi¸ trÞ nµy thay ®æi theo lo¹i ®Êt, cÊu t¹o ®Êt, ®Æc biÖt lµ l−îng sÐt chøa trong ®Êt víi l−îng mïn. b) HÖ sè hÐo βch HÖ sè hÐo ®−îc biÓu thÞ b»ng l−îng chøa Èm cã trong ®Êt mµ ë ®ã c©y trång sÏ bÞ hÐo vµ chÕt. - HÖ sè hÐo còng biÓu thÞ b»ng % träng l−îng ®Êt kh« sÊy ë 1050C. - Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chñ yÕu b»ng thùc nghiÖm. - Víi ph−¬ng ph¸p gi¸n tiÕp cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng hÖ thøc kinh nghiÖm. βch = 1,5βh βch = 0,05 + 0,35A HoÆc: A: L−îng chøa sÐt trong ®Êt (%). c) §é Èm tèi ®a ®ång ruéng β®r §é Èm tèi ®a ®ång ruéng β®r lµ ®é Èm cã trÞ sè mµ khi ®é Èm cña ®Êt v−ît qu¸ trÞ sè nµy th× sinh ra n−íc träng lùc. §é Èm tèi ®a ®ång ruéng cßn ®−îc gäi lµ ®é Èm lín nhÊt cña ®Êt, nã thÓ hiÖn kh¶ n¨ng gi÷ n−íc tèi ®a cña ®Êt. Gi¸ trÞ nµy th−êng thay ®æi theo cÊu tróc vµ kÕt cÊu cña tõng lo¹i ®Êt. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh β®r theo cÊu tróc ®Êt tù nhiªn, chän diÖn tÝch 1/1 hoÆc 4/4m, xung quanh ®ãng v¸n cõ ë ®é s©u 0,5m. T−íi n−íc ®Õn khi b·o hoµ råi ®Ó n−íc tho¸t ®i. §Êt kh« hoµn toµn ThÝch hîp cho Kh«ng thÝch hîp ThÝch hîp cho kÐo dµi sù sèng víi c©y trång N−íc hót (liªn kÕt) HÖ sè hót n−íc ë kh«ng khÝ b·o hßa N−íc mao qu¶n HÖ sè hÐo sù t¨ng tr−ëng §é Èm tèi ®a ®ång ruéng N−íc träng lùc D− n−íc ph¶i tiªu víi c©y trång c¹n §é Èm b·o hßa
27 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng H×nh 2.4: S¬ ®å quan hÖ vÒ c¸c ®Æc tr−ng vËt lý víi tr¹ng th¸i n−íc Sau 1 ÷ 3 ngµy ®èi víi ®Êt nhÑ, 4 ÷ 6 ngµy ®èi víi ®Êt nÆng th× lÊy mÉu ph©n tÝch x¸c ®Þnh ®é Èm β®r mçi ngµy 2 lÇn; x¸c ®Þnh 2 ÷ 3 lÇn liªn tôc ë cïng ®é s©u, sÏ nhËn ®−îc ®é Èm xÊp xØ nhau, ®ã chÝnh lµ ®é Èm tèi ®a ®ång ruéng. 4. VÒ ®é Èm thÝch hîp vµ ®é Èm thÝch hîp bÐ nhÊt ®èi víi c©y trång c¹n §é Èm thÝch hîp bÐ nhÊt trong ®Êt lµ ®é Èm cÇn duy tr× tèi thiÓu, kh«ng ®−îc phÐp gi¶m d−íi gi¸ trÞ ®ã trªn chiÒu s©u ph¸t triÓn cña bé rÔ c©y chÝnh ®Ó ®¶m b¶o c©y ph¸t triÓn tèi −u vµ cho n¨ng suÊt lín nhÊt trªn 1ha. Cã ba quan ®iÓm x¸c ®Þnh ®é Èm nµy: a) Quan ®iÓm thø nhÊt: Theo quan ®iÓm cña Veihmeyer vµ Hendrickson C¸c t¸c gi¶ nµy cho r»ng ®é Èm thÝch hîp ®èi víi c©y trång lµ b»ng hiÖu sè gi÷a ®é Èm tèi ®a ®ång ruéng β®r vµ hÖ sè hÐo βch: (β®r - βch) theo quan hÖ ®−êng th¼ng n»m ngang. B»ng mét lo¹t thùc nghiÖm trªn c¸c v−ên c©y ¨n qu¶, ng−êi ta ®· ph¶n ®èi quan ®iÓm nµy. H×nh 2.5: Quan hÖ gi÷a ®é Èm vµ n¨ng suÊt c©y trång b) Quan ®iÓm thø hai: Theo Dolgov, Rode vµ Richards cho r»ng l−îng n−íc thÝch hîp trong ®Êt ®èi víi c©y lµ gi¶m dÇn tõ ®é Èm tèi ®a ®ång ruéng ®Õn hÖ sè hÐo mét c¸ch ®ång nhÊt theo ®−êng th¼ng. 100% 75 N¨ng suÊt ®¹t ®−îc 50 25 0 100 (β®r) 75 50 25 0 B B HÖ sè hÐo (βch) L−îng n−íc thÝch hîp B B
28 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi H×nh 2.6: Quan hÖ gi÷a n¨ng suÊt vµ l−îng n−íc thÝch hîp Theo quan ®iÓm nµy ®Ó b¶o ®¶m ®é Èm trong ®Êt lu«n lu«n ®¹t ®−îc gi¸ trÞ cao th× ph¶i t−íi rÊt dµy vµ víi l−îng n−íc nhá. Lý thuyÕt nµy kh«ng ®óng ®¾n hoµn toµn. c) Quan ®iÓm thø ba: §a sè nhµ nghiªn cøu ®Òu cho r»ng l−îng n−íc thÝch hîp cã quan hÖ víi ¸p lùc gi÷ n−íc trong ®Êt (cÊu tróc lo¹i) vµ thay ®æi theo d¹ng ®−êng cong. 100% §Êt nhÑ §Êt trung b×nh 75 N¨ng suÊt ®¹t ®−îc §Êt nÆng 50 25 0 100 (β®r) 75 50 25 0 HÖ sè hÐo βch L−îng n−íc thÝch hîp H×nh 2.7: Quan hÖ gi÷a n¨ng suÊt ®¹t ®−îc vµ l−îng n−íc thÝch hîp [35] Tõ nh÷ng lý do trªn ®i ®Õn x¸c ®Þnh ®é Èm thÝch hîp bÐ nhÊt trong ®Êt cÇn duy tr× kh«ng chØ cã quan hÖ víi ®é Èm tèi ®a ®ång ruéng (β®r) mµ cßn cã quan hÖ víi tÝnh chÊt cña ®Êt. §é Èm tèi ®a ®ång ruéng 100 90 80 75% thÝch hîp §é Èm thÝch hîp % §Êt sÐt 70 60 50% thÝch hîp 50 HÖ sè hÐo 40 §Êt thÞt 30 25% thÝch hîp 20 §Êt c¸t 10 (βch) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ¸p lùc gi÷ Èm thÝch hîp (atm) H×nh 2.8: Quan hÖ gi÷a ®é Èm thÝch hîp vµ ¸p lùc gi÷ Èm cña ®Êt [35] Tõ biÓu ®å trªn ta thÊy:
29 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng ë ®é Èm thÝch hîp 75% th×: - §Êt sÐt lµ 2 atm - §Êt thÞt lµ 1 atm - §Êt c¸t lµ 0,5 atm ë ®é Èm thÝch hîp 50% th×: - §Êt sÐt lµ 4,5 atm - §Êt thÞt lµ 2 atm - §Êt c¸t lµ 1,0 atm ë ®é Èm thÝch hîp 25% th×: - §Êt sÐt lµ 9 atm - §Êt thÞt lµ 6 atm - §Êt c¸t lµ 2 atm Tõ ®ã ng−êi ta x¸c ®Þnh ®é Èm thÝch hîp ®èi víi c©y trång lµ t−¬ng øng víi ¸p lùc gi÷ n−íc cña ®Êt lµ 2 atm. Do ®ã ®i ®Õn x¸c ®Þnh ®é Èm bÐ nhÊt thÝch hîp cã thÓ x¸c ®Þnh theo c¸c hÖ thøc sau: 3 (βdr − βch ) βmin = βch + - §Êt sÐt: 4 3 = βch + ( βdr − βch ) βmin - §Êt thÞt: 2 3 = βch + ( βdr − βch ) βmin - §Êt c¸t: 1 Trong ®Êt mÆn th× βmin cßn cã quan hÖ víi nång ®é muèi trong ®Êt. Mét sè tµi liÖu còng ®Ò nghÞ vÒ ®é Èm giíi h¹n (®é Èm giíi h¹n d−íi cÇn duy tr×). βcr = (0,55 ÷ 0,65)β®r - §Êt c¸t vµ c¸t pha: βcr = (0,65 ÷ 0,75)β®r - §Êt sÐt trung b×nh vµ sÐt nhÑ: βcr = (0,75 ÷ 0,85)β®r - §Êt sÐt pha vµ sÐt: Ng−êi ta ®· x©y dùng s¬ ®å tæng hîp quan hÖ gi÷a d¹ng n−íc, ®Æc tr−ng vËt lý vµ ®é Èm thÝch øng. Kh¶ n¨ng b·o hßa N−íc d−, thiÕu kh«ng khÝ N−íc rÊt dÔ hÊp thô Kh¶ n¨ng mao qu¶n N−íc tù do Kh¶ n¨ng tr÷ n−íc tèi ®a ®ång ruéng N−íc dÔ hÊp thô N−íc §é Èm gi¸n ®o¹n cña sù liªn tôc mao qu¶n liªn kÕt hãa häc N−íc chËm vµ khã hÊp thô HÖ sè hÐo HÖ sè hót n−íc lín nhÊt Kh¶ n¨ng lín nhÊt cña sù hót n−íc N−íc kh«ng hÊp thô N−íc ®−îc ®èi víi thùc vËt liªn kÕt chÆt Kh« hoµn toµn
30 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi H×nh 2.9: S¬ ®å tæng hîp vÒ quan hÖ gi÷a d¹ng n−íc ®Æc tr−ng vËt lý vµ ®é Èm thÝch hîp ®èi víi c©y trång 2.1.2. ¶nh h−ëng cña n−íc trong ®Êt ®èi víi chÕ ®é tho¸ng khÝ cña ®Êt trång Trong khe rçng cña ®Êt cã n−íc vµ kh«ng khÝ, n−íc nhiÒu th× kh«ng khÝ Ýt vµ ng−îc l¹i. §Ó b¶o ®¶m c©y cã thÓ h« hÊp thuËn lîi, ë ruéng trång c©y trång c¹n, thÓ tÝch kh«ng khÝ ph¶i b¶o ®¶m lín h¬n 10% thÓ tÝch khe rçng. NÕu n−íc qu¸ nhiÒu th× rÔ c©y sÏ h« hÊp khã kh¨n vµ khi ®ã rÔ c©y tiÕt ra chÊt ®éc. NÕu t×nh tr¹ng thiÕu kh«ng khÝ kÐo dµi th× sù h« hÊp sÏ kÐm ®i vµ cuèi cïng sÏ ngõng h¼n. V× vËy ®èi víi c©y trång c¹n mµ ®Ó n−íc ngËp qu¸ 1 ÷ 2 ngµy th× ¶nh h−ëng ®Õn sù sinh tr−ëng b×nh th−êng cña c©y trång. NÕu ngËp l©u th× c©y trång sÏ chÕt. §èi víi c©y lóa do cÊu t¹o th©n c©y cã thÓ sèng d−íi n−íc ®−îc, v× c©y lóa cã thÓ lÊy kh«ng khÝ tõ trªn th«ng qua èng rçng cña l¸ vµ th©n ®Ó cung cÊp cho bé rÔ h« hÊp. Tuy vËy nÕu ngËp qu¸ s©u, thiÕu ¸nh s¸ng lóa kh«ng hót ®−îc thøc ¨n sÏ ®Î kÐm lµm ®ßng muén vµ chÝn chËm, s¶n l−îng sÏ gi¶m thÊp. NÕu ®Ó ngËp qu¸ s©u, ®Ó b¶o ®¶m sù h« hÊp, c©y sÏ v−¬n cao, èng th«ng h¬i sÏ më réng, èng c©y lín lªn vµ tÕ bµo máng, th©n c©y mÒm yÕu sÏ dÔ bÞ ®æ. MÆt kh¸c, do thiÕu kh«ng khÝ, bé rÔ sÏ kÐm ph¸t triÓn vµ sÏ kh«ng c¾m s©u vµo ®Êt vµ kh«ng gi÷ ®−îc c©y v÷ng ch¾c. §é ngËp cña lóa theo giai ®o¹n sinh tr−ëng, ®é ngËp th−êng t¨ng theo giai ®o¹n ph¸t triÓn cña lóa. 2.1.3. ¶nh h−ëng cña n−íc trong ®Êt ®Õn chÕ ®é nhiÖt cña ®Êt Ta dïng kh¸i niÖm tû nhiÖt ®Ó gi¶i thÝch vÊn ®Ò nµy. Theo ®Þnh nghÜa tû nhiÖt lµ nhiÖt l−îng s¶n sinh trong m«i tr−êng ®Êt ë ®é Èm nhÊt ®Þnh. NÕu ta dïng tû nhiÖt cña n−íc lµm 1 chuÈn, xem lµ 1 th× tû nhiÖt cña kh«ng khÝ chØ b»ng lÇn tû nhiÖt cña n−íc mµ tû nhiÖt 3300 11 cña ®Êt kh« b»ng ÷ tû nhiÖt cña n−íc. VÝ dô, tû nhiÖt cña c¸t lµ 0,19, tû nhiÖt cña ®Êt 45 sÐt lµ 0,22 vµ tû nhiÖt cña ®Êt bïn lµ 0,25 tû nhiÖt cña n−íc. Khi ®é Èm trong ®Êt bÐ sÏ dÉn ®Õn nhiÖt l−îng trong ®Êt sÏ bÐ vµ ng−îc l¹i. Lîi dông tÝnh chÊt ®ã cã thÓ rót bít n−íc trong ®Êt ®Ó gi¶m nhiÖt ®é trong ®Êt hoÆc ng−îc l¹i ®Ó t¹o ®−îc nhiÖt ®é phï hîp víi yªu cÇu cña c©y. NhiÖt l−îng cña m«i tr−êng ®Êt cã quan hÖ víi ®é Èm cña ®Êt theo tû lÖ thuËn, ®é Èm lín, nhiÖt l−îng sÏ t¨ng vµ ng−îc l¹i. B¶ng 2.2 - Quan hÖ gi÷a ®é Èm vµ nhiÖt l−îng trong ®Êt §é Èm 0 20 50 70 100 3 NhiÖt l−îng (%) Calo/m )
31 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng Lo¹i ®Êt §Êt c¸t 302 385 510 592 717 §Êt sÐt 240 357 532 648 823 §Êt mïn 148 223 525 676 902 2.1.4. ¶nh h−ëng cña n−íc trong ®Êt ®Õn chÕ ®é thøc ¨n cña c©y trång Vi sinh vËt cÇn mét l−îng kh«ng khÝ vµ nhiÖt ®é ®Ó ph©n gi¶i chÊt h÷u c¬ thµnh kho¸ng chÊt mµ c©y trång cã thÓ hót ®−îc. N−íc Ýt, kh«ng khÝ nhiÒu, sù ho¹t ®éng cña vi sinh vËt h¸o khÝ sÏ m¹nh, kho¸ng chÊt ®−îc ph©n gi¶i tõ chÊt h÷u c¬ sÏ nhiÒu. Nh−ng nÕu n−íc Ýt, c©y kh«ng thÓ lîi dông ®−îc thøc ¨n ®ã, khi gÆp m−a sÏ bÞ tr«i ®i. NÕu n−íc trong ®Êt nhiÒu, sù ho¹t ®éng cña vi sinh vËt yÕm khÝ sÏ m¹nh vµ sù ho¹t ®éng cña vi sinh vËt h¸o khÝ bÞ h¹n chÕ. V× vËy, c¸c chÊt h÷u c¬ kh«ng ®−îc ph©n gi¶i vµ sÏ tiÕt ra chÊt a xÝt lµm cho ®Êt bÞ chua. V× vËy, ph¶i b¶o ®¶m mét ®é Èm thÝch hîp trong ®Êt ®Ó t¹o ®−îc chÕ ®é thøc ¨n thÝch hîp. VÝ dô ®èi víi c©y l−¬ng thùc, thÓ tÝch kh«ng khÝ cÇn b¶o ®¶m kho¶ng 20 ÷ 30% ®é rçng, v× thÕ ®é Èm trong ®Êt sÏ lµ 70 ÷ 80% ®é rçng cña ®Êt. Khi n−íc ngÇm cao, n−íc mao qu¶n sÏ leo lªn lµm ®é Èm cña ®Êt v−ît qu¸ ®é Èm giíi h¹n, do ®ã ph¶i khèng chÕ mùc n−íc ngÇm ë mét ®é s©u nhÊt ®Þnh ®èi víi c©y trång c¹n. §é cao khèng chÕ cña mùc n−íc ngÇm phô thuéc vµo lo¹i ®Êt vµ giai ®o¹n sinh tr−ëng cña c©y trång. 2.1.5. ¶nh h−ëng cña n−íc trong ®Êt ®Õn ®é ph× nhiªu cña ®Êt N−íc lµm thay ®æi tÝnh chÊt vËt lý cña ®Êt vµ ®iÒu hßa nhiÖt ®é trong ®Êt. NhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng ®Õn chÕ ®é tho¸ng khÝ vµ tho¸ng khÝ l¹i ¶nh h−ëng ®Õn sù ho¹t ®éng cña vi sinh vËt. MÆt kh¸c n−íc sÏ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu t−îng ®Êt. NÕu n−íc trong ®Êt cã ®é Èm thÝch hîp th× ®Êt sÏ t¹o thµnh cÊu t−îng viªn tèt vµ æn ®Þnh. C¸c chÊt mïn do n−íc sÏ lµm thµnh keo dÝnh c¸c h¹t ®Êt l¹i víi nhau. N−íc qu¸ nhiÒu lµm hßa tan c¸c chÊt muèi vµ c¸c chÊt dÔ hßa tan (N, P, K) ë c¸c tÇng trªn ®−a xuèng tÇng d−íi vµ kÐo theo h¹t mÞn lµm tÇng d−íi thªm chÆt vµ Ýt ngÊm n−íc sÏ h¹n chÕ sù ho¹t ®éng cña bé rÔ mµ tÇng trªn th× nghÌo chÊt dinh d−ìng. Cã thÓ xem vÝ dô ¶nh h−ëng cña t−íi ®Õn thay ®æi cÊp h¹t cña ®Êt (theo tµi liÖu cña Tr−êng §¹i häc Cuban - Liªn X« cò). B¶ng 2.3 - ¶nh h−ëng cña t−íi ®Õn cÊp h¹t cña ®Êt §Êt trång C¸c cÊp h¹t (%)
32 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi 3 ÷ 1mm 1 ÷ 0,25mm < 0,25 mm Kh«ng t−íi 31,43 41,05 27,52 Sau 3 n¨m t−íi 23,18 46,61 30,22 Sau 15 n¨m t−íi 14,78 50,32 34,90 B¶ng 2.4 - ¶nh h−ëng cña t−íi ®Õn dung träng vµ ®é rçng (theo Ghienko) Kh«ng t−íi Cã t−íi §é s©u líp ®Êt §Êt trång (cm) Dung träng §é rçng (%) Dung träng §é rçng (%) 2÷7 1,17 59,7 1,18 55,5 T−íi 4 lÇn 10 ÷ 15 1,20 55,5 1,30 51,3 (cµ chua) 20 ÷ 25 1,27 52,4 1,33 50,1 ¶nh h−ëng cña t−íi lµm cho hÖ sè thÊm cña ®Êt còng bÞ gi¶m ®i. 2.2. C¸c d¹ng n−íc trong ®Êt Theo sù ph©n lo¹i ®¬n gi¶n vµ phæ biÕn (theo Briggs) th× n−íc trong ®Êt ®−îc ph©n lµm ba lo¹i: N−íc träng lùc, n−íc mao qu¶n vµ n−íc liªn kÕt. 2.2.1. N−íc träng lùc N−íc träng lùc lµ n−íc ë gi÷a ®é Èm tèi ®a (®é Èm giíi h¹n lín nhÊt) vµ ®é Èm b·o hßa cña ®Êt. N−íc träng lùc chiÕm ®é rçng lín cña ®Êt vµ vËn chuyÓn trªn h−íng th¼ng ®øng vÒ phÝa d−íi, d−íi ¶nh h−ëng cña träng lùc. N−íc träng lùc cßn cã tªn gäi lµ n−íc tù do v× nã kh«ng liªn kÕt víi ®Êt. 2.2.2. N−íc mao qu¶n N−íc mao qu¶n biÓu thÞ phÇn n−íc gi÷a ®é Èm tèi ®a vµ hÖ sè hót n−íc. Nã chiÕm nh÷ng chç rçng nhá h¬n cña ®Êt vµ chuyÓn ®éng ®−îc lµ nhê lùc mao qu¶n, do ®ã mang tªn lµ n−íc mao qu¶n. N−íc mao qu¶n vËn chuyÓn theo tÊt c¶ c¸c h−íng nh−ng chËm h¬n nhiÒu so víi n−íc träng lùc. Th−êng vËn chuyÓn theo h−íng ¸p lùc lín nhÊt tøc lµ nh÷ng phÇn tö Èm h¬n vÒ nh÷ng phÇn tö kh« h¬n cña ®Êt. N−íc mao qu¶n lµ d¹ng n−íc quan träng nhÊt v× nã l−u ®éng vµ nh¹y c¶m ®èi víi thùc vËt, thùc vËt sÏ hót ®−îc dÔ dµng. 2.2.3. N−íc liªn kÕt N−íc liªn kÕt lµ d¹ng n−íc g¾n chÆt víi nh÷ng phÇn tö ®Êt d−íi d¹ng mét mµng máng, kh«ng chuyÓn ®éng d−íi ¶nh h−ëng cña träng lùc vµ lùc mao qu¶n. N−íc liªn kÕt sÏ ®−îc chuyÓn ®éng trong ®Êt sau khi nã chuyÓn sang tr¹ng th¸i h¬i. Nã kh«ng nh¹y c¶m ®èi víi thùc vËt. Tû lÖ gi÷a ba d¹ng n−íc nµy lµ phô thuéc vµo cÊu t¹o ®Êt, cÊu tróc, hµm l−îng mïn vµ nhiÖt ®é cña n−íc trong ®Êt.
33 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng VÒ quan ®iÓm nh¹y c¶m ®èi víi thùc vËt, ng−êi ta chia lµm n−íc nh¹y c¶m vµ kh«ng nh¹y c¶m. N−íc nh¹y c¶m biÓu thÞ sù chªnh lÖch gi÷a ®é Èm tèi ®a vµ hÖ sè hÐo. N−íc kh«ng nh¹y c¶m bao gåm gi÷a n−íc liªn kÕt vµ mét phÇn nhá n−íc mao qu¶n, t−¬ng øng gi÷a hÖ sè hÐo vµ hÖ sè hót n−íc. Ngoµi nh÷ng kh¸i niÖm nµy, Lebedev cã xÐt lo¹i n−íc mµng lµ phÇn n−íc gi÷ ®−îc do lùc ph©n tö, nã chiÕm vÞ trÝ trung gian gi÷a n−íc liªn kÕt vµ n−íc mao qu¶n vÒ mÆt nh¹y c¶m vµ l−u ®éng. 2.3. ChuyÓn ®éng cña n−íc trong ®Êt Sù chuyÓn ®éng cña n−íc trong ®Êt lµ mét hiÖn t−îng phøc t¹p, nã cã thÓ theo c¸c h−íng kh¸c nhau vµ cã thÓ do nhiÒu nguyªn nh©n kh¸c nhau. Ng−êi ta th−êng chia ba d¹ng chuyÓn ®éng chÝnh cña n−íc trong ®Êt: - Sù chuyÓn ®éng cña n−íc d−íi d¹ng h¬i; - Sù chuyÓn ®éng ë d¹ng mao qu¶n; - Sù chuyÓn ®éng träng lùc. 2.3.1. Sù chuyÓn ®éng cña n−íc d−íi d¹ng h¬i N−íc ë d¹ng nµy chuyÓn ®éng ®−îc lµ nhê chªnh lÖch ¸p lùc h¬i gi÷a hai vïng. N−íc sÏ bèc h¬i qua sù lµm nãng, cßn h¬i sÏ khuyÕch t¸n trong lç ®Êt ®Çy kh«ng khÝ s¸t bÒ mÆt cña nã. Mét phÇn h¬i sÏ ®−îc ng−ng tô, cßn mét phÇn sÏ bay vµo khÝ quyÓn. H¬i sÏ chuyÓn ®éng theo quy luËt cña khÝ ®éng lùc häc. 2.3.2. ChuyÓn ®éng cña n−íc mao qu¶n ChuyÓn ®éng cña n−íc mao qu¶n trong ®Êt lµ nhê t¸c dông cña lùc hót vµ lùc dÝnh tøc lµ d−íi t¸c dông cña thÕ mao qu¶n. ChuyÓn ®éng mao qu¶n cña n−íc trong ®Êt lµ nhê chuyÓn ®éng ®Æc tr−ng cña ®Êt kh«ng b·o hßa. D−íi d¹ng mao qu¶n, n−íc nh¹y c¶m ®èi víi thùc vËt. Do ®ã sù t¨ng n−íc mao qu¶n trong ®Êt tõ mùc n−íc ngÇm lµ rÊt cÇn thiÕt ®èi víi ®Êt trång trät. §èi víi vïng t−íi cã n−íc ngÇm cao vµ mÆn cÇn ph¶i l−u ý ®Õn hiÖn t−îng mÆn t¸i sinh. Sù chuyÓn ®éng mao qu¶n lµ ¶nh h−ëng m¹nh bëi cÊu tróc ®Êt. Sù chuyÓn ®éng mao qu¶n trong lç cã kÝch th−íc bÐ lµ do chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a nh÷ng mµng n−íc cã ®é dµy kh¸c nhau ë xung quanh phÇn tö ®Êt. Sù chuyÓn ®éng sÏ x¶y ra tõ mµng dµy h¬n vÒ c¸c mµng máng h¬n, nãi mét c¸ch kh¸c lµ n−íc chuyÓn tõ vïng ¸p suÊt gi÷ n−íc thÊp sang vïng cã ¸p suÊt gi÷ n−íc cao. ë ®Êt ch−a b·o hßa n−íc, sù chuyÓn ®éng mao qu¶n cña n−íc lµ chËm h¬n ë ®Êt c¸t vµ nhanh h¬n ë ®Êt sÐt. ë ®Êt ®· b·o hßa n−íc th× ng−îc l¹i. §é d©ng lªn cña n−íc trong ®Êt lµ do lùc mao qu¶n:
34 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi dS p=σ (2.3) dV §é cao d©ng lªn do mao qu¶n x¸c ®Þnh theo hÖ thøc: σ Hc = 2 , (m) (2.4) r.γ a trong ®ã: σ - søc c¨ng bÒ mÆt n−íc; r - b¸n kÝnh cña èng mao qu¶n; γa - träng l−îng riªng cña n−íc; dS - biÕn ®æi diÖn tÝch xung quanh cña èng mao qu¶n; dV - biÕn ®æi thÓ tÝch èng mao qu¶n. HÖ thøc (2.4) cã thÓ chøng minh nh− sau: Theo nguyªn lý thñy tÜnh th×: dS p = Hc.ρ.g (2.5) p → Hc = Hc ρ.g d dS 1 Thay (2.3) vµo (2.5) th×: H c = σ . dV ρ.g 2 πrH c 1 σ Hc = σ =2 HoÆc: . (2.6) πr H c ρ.g rγ a 2 Nh− vËy hÖ thøc (2.4) ®· ®−îc chøng minh. B¶ng 2.5 - Quan hÖ gi÷a lo¹i ®Êt vµ ®é d©ng mao qu¶n Lo¹i ®Êt §é d©ng cao mao qu¶n Hc (m) 0,5 ÷ 1,0 §Êt c¸t 1,0 ÷ 1,5 ThÞt pha c¸t 1,5 ÷ 2,0 ThÞt nhÑ 2,0 ÷ 3,0 ThÞt trung b×nh 3,0 ÷ 4,0 ThÞt nÆng vµ hoµng thæ 4,0 ÷ 5,0 §Êt sÐt 2.3.3. Sù chuyÓn ®éng cña n−íc träng lùc
35 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng ChuyÓn ®éng cña n−íc träng lùc lµ ®Æc tr−ng phæ biÕn cña n−íc trong ®Êt sau khi t−íi ë m«i tr−êng ®Êt víi ®é Èm d−íi b·o hßa hoÆc b·o hßa n−íc. D−íi t¸c dông cña träng lùc, n−íc sÏ l−u chuyÓn tõ cao xuèng thÊp, tõ ®iÓm cã thÕ träng lùc cao xuèng ®iÓm cã thÕ träng lùc thÊp. Cã thÓ chia ra hai tr−êng hîp nghiªn cøu qu¸ tr×nh thÊm trªn ®Êt t−íi: - ThÊm trong tr−êng hîp ®Êt ch−a b·o hßa n−íc. - ThÊm ë tr−êng hîp ®Êt ®· b·o hßa n−íc hoÆc gÇn b·o hßa n−íc. 1. Tr−êng hîp thÊm khi ®Êt ch−a b∙o hßa n−íc Tr−êng hîp nµy ®−îc gäi lµ thÊm hót, th−êng xuÊt hiÖn trªn ®Êt t−íi cho c©y trång c¹n hoÆc trªn ®Êt lóa giai ®o¹n lµm ®Êt mïa kh«. ViÖc tÝnh to¸n trong tr−êng hîp nµy cã thÓ tÝnh theo mét sè hÖ thøc hoÆc m« h×nh to¸n. a) HÖ thøc C«tchiac«p HÖ thøc ®−îc x©y dùng trªn c¬ së thÝ nghiÖm t−íi n−íc vµ n−íc ®−îc thÊm tõ trªn mÆt ®Êt xuèng líp ®Êt bªn d−íi theo h−íng th¼ng ®øng. K1 Kt = HÖ thøc cã d¹ng: (2.7) tα Kt - tèc ®é thÊm ë thêi gian t, cã thÓ dïng ®¬n vÞ (cm/h) hoÆc (m/h), tïy ®Æc tr−ng thÊm cña lo¹i ®Êt, ®Êt c¸t thÊm nhanh h¬n ®Êt sÐt th× tèc ®é thÊm lín h¬n; t - thêi gian thÊm hót (h); K1 - c−êng ®é thÊm b×nh qu©n ë ®¬n vÞ thêi gian thø nhÊt, ®¬n vÞ lµ (m/h) hoÆc (cm/h); α - chØ sè ngÊm cña ®Êt, phô thuéc vµo lo¹i ®Êt, ®Êt nhÑ α t−¬ng ®èi bÐ, cßn ®Êt nÆng α t−¬ng ®èi lín. §é Èm ban ®Çu cña ®Êt cµng lín th× α cµng nhá, tøc lµ sù biÕn ®æi cña tèc ®é thÊm cµng chËm. Theo Zarov α = 0,2 ÷ 0,8 khi Kt vµ K1 víi thø nguyªn lµ cm/h, t lµ giê (h). Cßn theo §¹i häc Vò H¸n - Trung Quèc α = 0,3 ÷ 0,8 víi thø nguyªn cña Kt vµ K1 lµ m/h, t lµ giê (h). Tõ hÖ thøc (2.7) ta sÏ tÝnh ®−îc l−îng n−íc thÊm sau thêi gian t t K1 K dt = 1 t1−α Wt = ∫ (2.8) α 1− α 0t K1 − α Kt = vµ: (2.9) t 1− α b) HÖ thøc Horton Trong tr−êng hîp nµy còng cã thÓ tÝnh to¸n theo hÖ thøc Horton:
36 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi K t = K + ( K 0 − K ) e− St (2.10) K0 - tèc ®é thÊm ë thêi ®iÓm ban ®Çu; St - chØ sè ngÊm cã ý nghÜa nh− chØ sè α trong hÖ thøc (2.7); K - hÖ sè ngÊm æn ®Þnh cña ®Êt. VÒ mÆt to¸n häc, hÖ thøc nµy biÓu thÞ ý nghÜa vËt lý râ h¬n. Tõ (2.8) ta còng x¸c ®Þnh ®−îc l−îng n−íc thÊm: K0 − K ( ) t Wt = ∫ ⎡ K + ( K 0 − K ) e − St ⎤ dt = K.t + 1 − e − St (2.11) ⎣ ⎦ St 0 Vµ c−êng ®é thÊm trung b×nh sÏ lµ: K0 − K ( ) 1 − e − St Kt = K + (2.12) St c) Nghiªn cøu m« h×nh thÊm trong giai ®o¹n ngÊm hót Sù vËn ®éng cña n−íc thÊm trong giai ®o¹n nµy cã thÓ biÓu thÞ b»ng ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n: ∂θ ⎞ ∂K ( θ ) ∂θ ∂θ ∂ ⎛ = ⎜ D ( θ) ⎟ − (2.13) . ∂t ∂z ⎝ ∂z ⎠ ∂θ ∂z trong ®ã: θ - ®é Èm cña ®Êt ë thêi ®iÓm nghiªn cøu D(θ) - hÖ sè khuyÕch t¸n Èm, biÓu thÞ l−u l−îng n−íc khuyÕch t¸n trong ®Êt qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch, nã cã quan hÖ víi ®é Èm cña ®Êt: ∂h D ( θ) = K ( θ) . (2.14) ∂θ K(θ) - hÖ sè thÊm, cã quan hÖ víi ®é Èm; h - ¸p lùc n−íc trong ®Êt; z - biÓu thÞ ®é s©u líp ®Êt nghiªn cøu; t - biÓu thÞ thêi gian. Ph−¬ng tr×nh (2.13) nãi râ sù thay ®æi theo chiÒu s©u vµ thêi gian cña ®é Èm trong ®Êt trong qu¸ tr×nh ngÊm cña n−íc t−íi tõ trªn mÆt ®Êt. §Ó gi¶i ph−¬ng tr×nh (2.13) ta cÇn x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn ban ®Çu vµ ®iÒu kiÖn biªn. 1. §iÒu kiÖn ban ®Çu: Tr−íc khi m−a hoÆc t−íi, ®é Èm ban ®Çu cña ®Êt t−íi lµ θ0. Do vËy: θ(z, 0) = θ0
37 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng 2. §iÒu kiÖn biªn: Khi líp ®Êt cã líp n−íc máng trªn mÆt ®Êt, ®é Èm cña líp ®Êt gÇn mÆt ®Êt ®¹t ®é Èm b·o hßa, ®é s©u t−¬ng ®èi lín (z → ∞) b»ng ®é Èm ban ®Çu θ0, do vËy ta cã: θ ( 0, t ) = θS ⎫ ⎪ ⎬ θ ( ∞, t ) = θ0 ⎪ ⎭ θS - ®é Èm b·o hßa cña ®Êt. Ph−¬ng tr×nh (2.13) lµ ph−¬ng tr×nh ®¹o hµm riªng phi tuyÕn chØ cã thÓ gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p gÇn ®óng (ph−¬ng ph¸p sè). Ngoµi ra ®Ó ®¬n gi¶n tÝnh to¸n, ta sÏ biÕn ®æi ®−a ph−¬ng tr×nh (2.13) vÒ d¹ng tuyÕn tÝnh vµ cã thÓ gi¶i trùc tiÕp b»ng gi¶i tÝch. K ( θS ) − K ( θ 0 ) dK N= = §Æt: (2.15) θS − θ 0 dθ Vµ thay D(θ) b»ng gi¸ trÞ trung b×nh D ( θ ) th× ph−¬ng tr×nh (2.13) sÏ trë thµnh: ∂θ ∂2θ ∂θ =D 2 −N (2.16) ∂t ∂z ∂z Dïng ph−¬ng ph¸p biÕn ®æi Laplace, nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh (2.16) sÏ lµ: ⎡ ⎛ z + Nt ⎞ ⎤ ⎛ z − Nt ⎞ Nz θ − θ0 θ ( z, t ) = θ0 − S ⎟ + e D erfc ⎜ ⎢ erfc ⎜ ⎟⎥ (2.17) ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ 2 Dt ⎠ ⎥ 2 ⎝ 2 D. ⎠ ⎣ ⎦ ∞ 2 ∫e −u trong ®ã: erfc = du ; π z θ0 5 ∫ D ( θ )( θS − θ0 ) 2 3 D= dθ . 3 (2.18) ( θS − θ 0 ) 5 3θ S Quan hÖ gi÷a D ( θ ) víi c−êng ®é thÊm hót (i): 1 π −2 i = ( θS − θ 0 ) t D Víi hÖ thøc (2.17) ta sÏ t×m ®−îc sù ph©n bè cña ®é Èm trong ®Êt sau khi t−íi theo thêi gian vµ theo chiÒu s©u. θ0 θS θ 0 t1 t2 B B §é s©u z t3 B B t4 B B t5 B B
38 Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ hÖ thèng thñy lîi H×nh 2.10: Sù ph©n bè cña ®é Èm theo phÉu diÖn ®Êt t−íi sau khi t−íi [35] d) VËn ®éng cña n−íc trong ®iÒu kiÖn khèng chÕ mùc n−íc ngÇm Khi mùc n−íc ngÇm n»m n«ng do ¶nh h−ëng cña ®iÒu kiÖn tù nhiªn vµ con ng−êi lµm cho mùc n−íc ngÇm lu«n biÕn ®éng. Sù biÕn ®éng cña mùc n−íc ngÇm sÏ ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn sù vËn ®éng cña n−íc trong ®Êt. §éng th¸i cña n−íc ngÇm ë ®Êt trång trät cã thÓ gÆp mét sè t×nh huèng: 1. Mùc n−íc ngÇm t¨ng lªn d−íi ¶nh h−ëng cña m−a hoÆc t−íi; 2. Mùc n−íc h¹ d−íi ¶nh h−ëng cña bèc tho¸t h¬i; 3. Mùc n−íc ngÇm h¹ do ¶nh h−ëng cña biÖn ph¸p thñy lîi (tiªu n−íc mÆt hoÆc tiªu n−íc ngÇm); 4. Mùc n−íc ngÇm ®−îc khèng chÕ ë ®é s©u nhÊt ®Þnh sau khi m−a hoÆc t−íi. NÕu nh− ta lÊy h lµ biÕn l−îng cña d¶i biÕn ®éng cña mùc n−íc ngÇm, viÖc nghiªn cøu ph©n tÝch sù vËn ®éng cña n−íc ngÇm t−¬ng ®èi thuËn tiÖn. Sau khi m−a hoÆc t−íi mùc n−íc ngÇm sÏ tiÖm cËn gÇn mÆt ®Êt, th«ng qua gi¶i ph¸p tiªu tho¸t khiÕn cho mùc n−íc ngÇm h¹ thÊp xuèng ®é s©u nhÊt ®Þnh, gi¶ thiÕt lµ L. Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n vÒ sù vËn ®éng cña n−íc ngÇm ®−îc viÕt d−íi d¹ng: ∂h ⎤ ⎡ ∂ ⎢K ( h ) ⎥ ∂z ⎦ ∂K ( h ) ∂h C (h) = ⎣ − (2.19) ∂t ∂z ∂z dθ Víi C ( h ) = biÓu thÞ biÕn ®éng cña ®é Èm theo ¸p lùc, tøc lµ thÓ tÝch n−íc tho¸t ra dh trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch ®Êt khi ¸p lùc gi¶m mét ®¬n vÞ. ThÓ tÝch n−íc tho¸t ra trong ®¬n vÞ thÓ tÝch ®Êt: §iÒu kiÖn ban ®Çu: h(z, 0) = h0(z) §iÒu kiÖn biªn trªn: z=0
39 Ch−¬ng 2 - Quan hÖ ®Êt - n−íc vµ c©y trång, nguyªn lý ®iÒu tiÕt n−íc ruéng ⎛ ∂h ⎞ −ε = −K ( h ) ⎜ − 1 ⎟ = C ( h ) + d Khi cã bèc h¬i: ⎝ ∂z ⎠ ∂h =1 Kh«ng bèc h¬i: ∂z §iÒu kiÖn biªn d−íi: z = L (tÝnh tõ mÆt ®Êt, L: ®é s©u n−íc ngÇm cÇn khèng chÕ): h(L, t) = 0 Ph−¬ng tr×nh (2.19) sÏ gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sè (ph−¬ng ph¸p sai ph©n h÷u h¹n). Ph©n chia tÇng ®Êt thµnh n líp (Δz) vµ thêi gian thµnh i b−íc (Δt). Thùc hiÖn sai ph©n: j (t) j+1 j j-1 i-1 i i+1 z H×nh 2.11: S¬ ®å sai ph©n j+ h j +1 − h j 1 ∂h C ( h ) ≈ Ci 2 i i ∂t Δt j +1 j +1 j +1 j +1 1 1 ∂h ⎤ K j+ 2 h i +1 − h i − K j+ 2 h i − h i−1 ⎡ ∂ ⎢K ( h ) ⎥ Δz Δz 1 1 ∂z ⎦ i+ i− ⎣ ≈ 2 2 ∂z Δz 1 1 j+ j+ −K 1 2 2 K1 ∂K i+ i− ≈ 2 2 ∂z Δz Thay c¸c gi¸ trÞ trªn vµo ph−¬ng tr×nh (2.19) ta sÏ cã: 1 1 j+ j+ −K 2 2 K h ij+1 − h ij j+ h j +1 − h j +1 j + h j+1 − h j +1 1 1 1 1 1 i+ i− j+ = K 1 i +1 2 i − K 1 i i −1 − 2 2 2 2 2 Ci (2.20) Δt Δz Δz Δz 2 i+ i− 2 2