Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:213

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc" được thực hiện với mục đích xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc; ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng cạn vùng Trung du, miền núi phía Bắc.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ DOAN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU, MIỀN NÚI PHÍA BẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ DOAN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN SƠ ĐỒ BỐ TRÍ VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM TƯỚI CHO VÙNG ĐẤT DỐC KHU VỰC TRUNG DU, MIỀN NÚI PHÍA BẮC Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9580212 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TUẤN ANH HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Vũ Thị Doan i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh đã tận tình, tận tâm hướng dẫn, đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thành luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Quy hoạch Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hòa Bình, Cục Thống kê tỉnh Hòa Bình, Công ty cổ phần chế tạo bơm Hải Dương, Công ty trách nhiệm hữu hạn Grundfos Việt Nam,...đã cung cấp số liệu, giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong buổi hội thảo mở rộng đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả chỉnh sửa và hoàn thiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong buổi bảo vệ luận án tiến sĩ kỹ thuật cấp cơ sở đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả chỉnh sửa và hoàn thiện luận án. Tác giả xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tin tưởng, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. ii
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận án .......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 3.1 Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................2 3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................3 6.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................3 6.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................4 7. Cấu trúc luận án.......................................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 5 1.1 Khái niệm về đất dốc.............................................................................................5 1.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB .....................................................6 1.2.1 Vị trí địa lý................................................................................................... 6 1.2.2 Đặc điểm địa hình........................................................................................ 7 1.2.3 Đặc điểm khí hậu ....................................................................................... 10 1.2.4 Đất đai, đặc điểm thổ nhưỡng ................................................................... 10 1.2.5 Mạng lưới sông ngòi.................................................................................. 11 1.2.6 Quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồng cạn của vùng ............................... 11 1.2.7 Các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn ........................................... 13 1.3 Đánh giá về hiệu quả sử dụng nước tưới cho cây trồng cạn ...............................16 1.3.1 Về nguồn nước .......................................................................................... 16 1.3.2 Về công trình ............................................................................................. 16 1.3.3 Về mô hình tưới, hình thức tưới ................................................................ 16 1.3.4 Về công nghệ tưới ..................................................................................... 17 1.3.5 Về phía người dân, những người trực tiếp sản xuất .................................. 17 iii
1.3.6 Về cơ cấu cây trồng ................................................................................... 17 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến luận án ..........................17 1.4.1 Các nghiên cứu nước ngoài ....................................................................... 17 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước ....................................................................... 20 Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 24 2.1 Xây dựng bài toán ...............................................................................................24 2.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán ...................................................................25 2.2.1 Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống ứng dụng trong nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới ..................................... 25 2.2.2 Hệ thống các quan điểm và nguyên lý tiếp cận hệ thống .......................... 26 2.2.3 Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống ................................................................................................................. 27 2.3 Phương pháp giải bài toán ...................................................................................35 2.3.1 Thiết lập các phương án bố trí trạm bơm .................................................. 37 2.3.2 Đề xuất và thiết kế các phương án ............................................................ 38 2.3.3 Lựa chọn hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc ........................................... 53 2.3.4 Giải bài toán tối ưu .................................................................................... 58 Kết luận chương 2 .........................................................................................................64 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................... 65 3.1 Lựa chọn khu vực điển hình để áp dụng phương pháp đã xây dựng ..................65 3.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên xã hội tỉnh Hòa Bình ...........................................65 3.2.1 Vị trí địa lý................................................................................................. 65 3.2.2 Đặc điểm khí hậu ....................................................................................... 66 3.2.3 Đặc điểm địa hình...................................................................................... 67 3.2.4 Hiện trạng sử dụng đất .............................................................................. 69 3.2.5 Hiện trạng canh tác cây trồng .................................................................... 70 3.2.6 Mạng lưới trạm thủy văn ........................................................................... 73 3.2.7 Mạng lưới sông suối .................................................................................. 73 3.2.8 Hiện trạng công trình tưới ......................................................................... 75 3.3 Hiện trạng cấp nước tưới cho cây trồng cạn tỉnh Hòa Bình................................77 iv
3.3.1 Tưới tự chảy .............................................................................................. 78 3.3.2 Tưới bằng động lực ................................................................................... 79 3.4 Lựa chọn vùng tưới điển hình ở tỉnh Hòa Bình ..................................................80 3.5 Xác định quy mô của trạm bơm, chi phí thiết bị và chi phí xây dựng theo loại máy bơm ...................................................................................................... 82 3.5.1 Xác định cột nước bơm tưới ...................................................................... 82 3.5.2 Xác định lưu lượng thiết kế và lưu lượng yêu cầu tưới hàng năm ............ 82 3.5.3 Các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu ....................... 86 3.6 Xác định quan hệ giữa đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị............................................................................................................90 3.7 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định các phương án tối ưu ......................90 3.7.1 Ứng dụng phần mềm PVBTU để xác định phương án tối ưu cho 3 vùng điển hình của huyện Cao Phong ......................................................................... 90 3.7.2 Kiểm tra chương trình tính toán ................................................................ 97 3.7.3 Thiết lập các thông số để phân vùng tưới hợp lý cho vùng đất dốc .......... 98 3.7.4 Xây dựng bảng tra thông số thiết kế trạm bơm. ...................................... 104 Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................107 1. Những kết quả đạt được ......................................................................................107 2. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................108 3. Tồn tại và hướng phát triển .................................................................................109 4. Kiến nghị .............................................................................................................109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................111 PHỤ LỤC ....................................................................................................................117 v
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Lược đồ tự nhiên vùng TDMNPB [3] .............................................................. 7 Hình 1.2 Bản đồ nền vùng TDMNPB [4] ....................................................................... 9 Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạn vùng TDMNPB .................................. 13 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí trạm bơm một cấp ....................................................................... 24 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí một trạm bơm lên nhiều bể tháo ............................................... 24 Hình 2.3 Bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt .................................................................... 25 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí trạm bơm nhiều cấp .................................................................... 25 Hình 2.5 Sơ đồ khối của phương pháp quét [55] .......................................................... 32 Hình 2.6 Quét với bước quét trở lại thay đổi [55] ......................................................... 33 Hình 2.7 Quét trong không gian hai chiều với bước không đổi [55] ............................ 34 Hình 2.8 Quét trong không gian hai chiều với bước thay đổi [55] ............................... 35 Hình 2.9 Sơ đồ khối các bước giải bài toán .................................................................. 36 Hình 2.10 Bố trí trạm bơm một cấp .............................................................................. 37 Hình 2.11 Một trạm bơm bơm lên 02 bể tháo - Hình 2.12 Một trạm bơm bơm lên 03 bể tháo ...................................................................................................................... 38 Hình 2.13 Trạm bơm hai cấp nối tiếp - Hình 2.14 Trạm bơm ba cấp nối tiếp .............. 38 Hình 2.15 TB lấy nước từ sông, suối - Hình 2.16 TB lấy nước từ hồ chứa ................. 39 Hình 2.17 Sơ họa hệ thống ghép ống nối đường ống đẩy làm việc chung ................... 41 Hình 2.18 Một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo có cao trình mực nước yêu cầu khác nhau ......................................................................................................................44 Hình 2.19 Hình minh họa các phương án khác nhau ứng với các cao trình bể tháo khác nhau trường hợp một trạm bơm bơm lên nhiều bể tháo ................................................ 48 Hình 2.20 Sơ họa hai trạm bơm nối tiếp ....................................................................... 50 Hình 2.21 Hình minh họa các phương án khác nhau ứng với các cao trình bể tháo khác nhau trường hợp trạm bơm nhiều cấp ........................................................................... 50 Hình 2.22 Sơ đồ khối tổng quát trình tự giải bài toán tối ưu ........................................ 59 Hình 2.23 Sơ đồ khối chọn máy bơm cho một trạm bơm trong phương án j ............... 61 Hình 3.1 Bản đồ hành chính tỉnh Hòa Bình [60]. ........................................................ 66 Hình 3.2 Bản đồ nền địa hình tỉnh Hòa Bình [61]. ...................................................... 68 vi
Hình 3.3 Bản đồ đất tỉnh Hòa Bình [60]. ..................................................................... 70 Hình 3.4 Vùng trồng cam Cao Phong ........................................................................... 72 Hình 3.5 Bản đồ mạng lưới trạm thủy văn tỉnh Hòa Bình [64]. .................................. 73 Hình 3.6 Bình đồ khu tưới 1 (Nguồn: Sở NN&PTNT tỉnh Hòa Bình) ......................... 91 Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án ......................................... 92 Hình 3.8 Bản đồ hiện trạng vùng tưới 2 [60] ................................................................ 93 Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án ......................................... 94 Hình 3.10 Bản đồ hiện trạng khu tưới vùng 3 [60] ....................................................... 95 Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ tổng chi phí theo các phương án ....................................... 96 Hình 3.12 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=10% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m ................................................102 Hình 3.13 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=20% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m ................................................103 Hình 3.14 Quan hệ giữa chi phí xây dựng trạm bơm và diện tích vùng tưới với độ dốc i=30% và các cột nước địa hình dao động từ 25-65 m ................................................103 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Quan hệ đường kính ống với lưu lượng giới hạn ......................................... 42 Bảng 3.1 Bảng hiện trạng sử dụng đất ..........................................................................69 Bảng 3.2 Diện tích và tỷ lệ phân bố diện tích cây trồng cạn .........................................71 Bảng 3.3 Các trạm bơm điện trên địa bàn tỉnh Hòa Bình .............................................75 Bảng 3.4 Mức tưới và hệ số tưới theo thời đoạn tưới ...................................................83 Bảng 3.5 Hệ số tưới theo thời đoạn tưới 30 năm từ năm 2024 ÷2053 ..........................84 Bảng 3.6 Các loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu ............................86 Bảng 3.7 Loại máy bơm được sử dụng để tìm phương án tối ưu ..................................87 Bảng 3.8 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án sử dụng máy bơm trong nước (máy bơm Hải Dương) ............................................................................................................88 Bảng 3.9 Chi phí xây dựng và thiết bị phương án sử dụng máy bơm nước ngoài (máy bơm Grundfos)...............................................................................................................89 Bảng 3.10 Quan hệ đường kính ống, lưu lượng, chi phí đường ống và hệ số sức cản đơn vị .............................................................................................................................90 Bảng 3.11 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 1 .............91 Bảng 3.12 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 2 .............93 Bảng 3.13 Quan hệ cao độ mực nước bể tháo và diện tích tương ứng vùng 3 .............95 Bảng 3.14 Kết quả phương án tối ưu cho 3 vùng tưới điển hình ..................................96 Bảng 3.15 Bảng kết quả thiết kế phương án tối ưu chạy bằng phần mềm PVBTU và tính toán bằng excel tính cho 3 vùng tưới huyện Cao Phong ........................................97 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BT - Bể tháo MB - Máy bơm PA - Phương án PL - Phụ lục SL - Số liệu TB - Trạm bơm TK - Thiết kế TSTK - Thông số thiết kế TDMNPB - Trung du, miền núi phía Bắc PVBTU - Chương trình phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Việt Nam 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 Tổng cục thống kê, diện tích gieo trồng cây trồng cạn năm 2020 ở một số khu vực như sau: Trung du, miền núi phía Bắc (TDMNPB): 1.241.400 ha; Bắc Trung Bộ và duyên hải miền Trung: 1.213.400 ha; Đông Nam Bộ: 1.179.600 ha; Tây Nguyên: 1.640.600 ha [1]. 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 thủy luân, bơm cánh quạt ly tâm, lấy nước ngầm, nước từ hồ và sông suối… Trong đó phổ biến là hình thức dùng trạm bơm lấy nước từ sông, suối, hồ chứa cho các dải đất, vùng đồi 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 nên hầu hết sử dụng loại máy bơm ly tâm. Trong công tác thiết kế, quy hoạch, vận hành các hệ thống tưới nói chung và các trạm bơm tưới, cấp nước nói riêng, đặt ra bài toán cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu sao cho chi phí đầu tư xây dựng ban đầu và chi phí năng lượng bơm là nhỏ nhất. Với công trình cấp nước cho các khu tưới có dạng trên là cần xác định phương án bố trí và thông số thiết kế cho các trạm bơm trong tổ hợp các phương án thiết kế khác nhau sao cho đảm bảo yêu cầu tưới với chi phí đầu tư xây dựng và chi phí quản lý vận hành là nhỏ nhất. Do đó, vấn đề cấp thiết hiện nay đang cần là cấp nước tưới cho các loại cây trồng cạn có giá trị kinh tế cao ở vùng đất dốc khu vực TDMNPB, là vùng đất chưa được khai thác hiệu quả, còn nhiều tiềm năng phát triển kinh tế của nước ta. Yêu cầu cụ thể của bài toán thực tế hiện nay là cần xác định phương án thiết kế, vận hành tối ưu của trạm bơm tưới phù hợp với điều kiện nguồn nước, địa hình, loại cây trồng,... phục vụ tưới cho cây trồng, vừa đảm bảo kỹ thuật mà kinh phí đầu tư xây dựng và chi phí điện năng, chi phí hàng năm trong quản lý, khai thác là nhỏ nhất. 1
Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc khu vực Trung du, miền núi phía Bắc” là đề tài có ý nghĩa lớn về khoa học, học thuật và có tính thực tiễn cao, giúp các cơ quan quản lý định hướng và lựa chọn sơ đồ bố trí, loại máy bơm phù hợp, có hiệu quả kinh tế cao đối với các dự án đầu tư xây dựng phục vụ tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc ở nước ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng phương pháp giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc. - Ứng dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho vùng đất dốc để xác định phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng cạn vùng TDMNPB. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới bao gồm sơ đồ bố trí trạm bơm, các thông số về quy mô diện tích phụ trách, lưu lượng thiết kế trạm bơm, cột nước bơm thiết kế, số máy bơm trong một trạm, loại máy bơm và loại hình nhà máy bơm. 3.2 Phạm vi nghiên cứu + Lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB, nghiên cứu điển hình cho tỉnh Hòa Bình. + Vùng tưới trồng cây tập trung, địa hình liên tục dạng bát úp, mặt đất dốc đều có độ dốc i  30% và vùng tưới dạng hình chữ nhật có tỷ lệ giữa cạnh dài và cạnh ngắn  1,5; diện tích khu tưới  150 ha. + Trong luận án chỉ tập trung nghiên cứu trạm bơm đầu mối và đường ống dẫn tới bể xả. 2
4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, luận án tập trung giải quyết những vấn đề chính như sau: - Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên, quy mô, hiện trạng sản xuất cây trồng cạn và các mô hình hệ thống tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc khu vực TDMNPB. Tổng quan các nghiên cứu liên quan cả trong và ngoài nước. - Phân tích cơ sở lý thuyết, đề xuất cơ sở khoa học, phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc; - Áp dụng phương pháp lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc và ứng dụng phần mềm phân vùng bơm tối ưu vùng đất dốc để xác định các phương án tối ưu cho một số vùng điển hình và thiết lập các thông số để lựa chọn phương án tối ưu công trình cấp nước bằng động lực cho cây trồng vùng đất dốc. 5. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trên, luận án sử dụng tổng hợp một số phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp thống kê: tổng hợp và phân tích các tài liệu đã có nhằm tổng kết và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. - Phương pháp phân tích hệ thống: ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống, phân tích các yếu tố liên quan đến kết quả của bài toán, từ đó có cơ sở thiết lập mô hình toán: + Phương pháp mô phỏng và phương pháp tối ưu hóa. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển phương pháp luận giải bài toán lựa chọn sơ đồ bố trí và thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm tưới cho cây trồng cạn vùng đất dốc. 3
6.2 Ý nghĩa thực tiễn Dựa trên kết quả nghiên cứu của luận án này, người thiết kế có thể xác định phương án thiết kế khác nhau và nhanh chóng tìm ra được phương án tối ưu khi quy hoạch, thiết kế trạm bơm tưới cho vùng đất dốc. 7. Cấu trúc luận án Với những nội dung, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu như trên, cấu trúc của luận án bao gồm những phần sau: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận và kiến nghị. Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo Phụ lục 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về đất dốc Đất dốc là đất có bề mặt nghiêng, thường gồ ghề không bằng phẳng hay nhấp nhô, lượn sóng. Mặt nghiêng đó gọi là sườn dốc hay mặt dốc, góc được tạo thành giữa mặt dốc và mặt bằng (mặt phẳng nằm ngang) gọi là độ dốc của mặt đất hay độ dốc của địa hình [2]. Trong sản xuất nông lâm nghiệp người ta thường phân chia đất đai theo 5 cấp độ dốc như sau [2]: Bảng Cấp độ dốc Cấp Đất dốc Độ dốc I Dốc nhẹ Dưới 7o II Dốc vừa 8o - 15o III Dốc hơi mạnh 16o - 25o IV Dốc mạnh 26o - 35o V Dốc rất mạnh Trên 35o -
có mưa lớn. - 26o - 35o: Việc trồng cây nông nghiệp rất hạn chế, nếu trồng chỉ trồng trong các bồn đất kín kiểu như trồng ngô trên hốc đá vôi. Đất khu vực này chủ yếu cho việc khoanh nuôi và gây rừng. - >35o: Ở độ dốc này thì không trồng cây nông nghiệp, mà tái sinh và bảo vệ rừng. Dựa vào cấp độ dốc của đất để định hướng sử dụng và chọn biện pháp canh tác thích hợp. Ở vùng núi nước ta hầu hết đất đai là đất dốc. Một vài nơi cũng gọi là đất bằng có bề mặt tương đối bằng phẳng hoặc dốc nhẹ nhưng với diện tích rất nhỏ bé và phân tán. Cho nên thực chất của việc phát triển kinh tế xã hội vùng núi phải dựa trên cơ sở phát triển nông hộ cùng với việc sử dụng đất nông nghiệp cũng như canh tác trên đất đồi núi một cách bền vững. Canh tác trên đất có độ dốc từ trung bình đến rất dốc gặp rất nhiều những khó khăn, trở ngại về việc đi lại, công tác làm đất, thiếu nguồn nước, nạn xói mòn đất xảy ra nghiêm trọng trong mùa mưa,...[2]. Thực tế cho thấy vùng trồng cây tập trung, cây có giá trị kinh tế cao chủ yếu ở vùng trung du, vùng đồi có đất dốc nhẹ, dốc vừa được phân theo cấp độ dốc như sau: - Vùng có đất dốc từ cấp I là dốc nhẹ có độ dốc dưới 7o tương đương với độ dốc i 12,5% . - Vùng đất dốc cấp II có độ dốc vừa với độ dốc 8o  15o tương đương 14%  i  27% . Vì vậy, trong luận án này tác giả nghiên cứu cây trồng cạn tập trung vùng TDMNPB vùng đất dốc có độ dốc nhẹ và dốc vừa có độ dốc i  27%, để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu, tác giả chọn độ dốc i trong khoảng từ 10%  30%. 1.2 Sơ lược về điều kiện tự nhiên vùng TDMNPB 1.2.1 Vị trí địa lý Vùng TDMNPB bao gồm 14 tỉnh: Hà Giang, Cao Bằng, Lào Cai, Bắc Kạn, Lạng Sơn, Tuyên Quang, Yên Bái, Thái Nguyên, Phú Thọ, Bắc Giang, Lai Châu, Điện Biên, Sơn 6
La và Hòa Bình cùng 21 huyện, một thị xã phía Tây của hai tỉnh Thanh Hóa và Nghệ An. Hình 1.1 Lược đồ tự nhiên vùng TDMNPB [3] 1.2.2 Đặc điểm địa hình Địa hình vùng TDMNPB khá phức tạp và phân hóa mạnh với nhiều dãy núi cao, hệ thống sông suối dày đặc xen với các thung lũng và cao nguyên. Địa hình vùng TDMNPB có thể chia thành ba tiểu vùng: - Vùng cao núi đá gồm các tỉnh: Lai Châu (huyện Tam Đường và Phong Thổ), Điện Biên (huyện Tủa Chùa, Tuần Giáo và Thành phố Điện Biên), Sơn La (dọc theo quốc lộ 6 rộng khoảng 20km kéo dài từ Mộc Châu - Yên Sơn - Sơn La – Thuận Châu đến Quỳnh Nhai), Hà Giang (huyện Đồng Văn, Mèo Vạc, Quản Bạ và Yên Minh), Cao Bằng dọc biên giới Việt Trung). Vùng này chủ yếu là núi đá vôi có độ cao trung bình so với mực 7
nước biển trên 600m, địa hình phức tạp có độ dốc lớn, có nhiều hang, hốc đá và các khe nứt, khả năng giữ nước kém. - Vùng núi thấp tập trung ở các tỉnh như: Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn (dọc theo quốc lộ 3 và dọc theo quốc lộ 4B), Tuyên Quang (phân bố ở phía Bắc của tỉnh), Bắc Kạn (dọc theo quốc lộ 3). Vùng này chủ yếu có độ cao trung bình so với mực nước biển từ 200- 600m, có độ dốc trung bình 20-350. - Vùng trung du tập trung ở các tỉnh như: Thái Nguyên, Bắc Giang, Phú Thọ và Hòa Bình [4], [5]. Như vậy với điều kiện địa hình vùng TDMNPB thì việc cung cấp nước tưới cho vùng yêu cầu cột nước địa hình cao, lưu lượng bơm tưới nhỏ và mất nhiều chi phí trong quá trình quản lý vận hành các hệ thống tưới đặc biệt với những khu tưới cao cục bộ, nhỏ lẻ và có độ dốc lớn thì việc đáp ứng nhu cầu cấp nước tưới lại càng phức tạp và không hiệu quả về mặt kinh tế. 8
Hình 1.2 Bản đồ nền vùng TDMNPB [4] 9