Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM<br /> TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC CHO LÚA<br /> <br /> ThS. Nguyễn Xuân Đông,<br /> KS. Phạm Tất Thắng,<br /> PGS. TS. Trần Viết Ổn<br /> 1. Mở đầu<br /> Khác với tưới thông thường, quy trình tưới tiết kiệm nước có thời gian phơi<br /> ruộng. Trong thời kỳ này, thành phần hao nước do thấm bằng 0, thành phần hao nước<br /> do bốc hơi tổng số giảm do độ ẩm đất giảm. Do vậy phải bổ sung hệ số đất Ks vào<br /> trong công thức xác định ETc. Phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa<br /> sử dụng phần mềm CROPWAT để tính toán lượng bốc hơi ETo trên cơ sở bổ sung hệ<br /> số đất Ks vào thông số tính toán ETc và thay thế việc xác định lượng mưa hiệu quả<br /> theo công thức hồi quy bằng việc xác định trực tiếp lượng mưa hiệu quả trên cơ sở<br /> lượng mưa thực tế, gắn với lớp nước mặt ruộng tại thời điểm có mưa.<br /> 2. Cơ sở khoa học và thuật toán<br /> Cơ sở khoa học của việc xác định chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa được xác<br /> định dựa vào phương trình cân bằng nước, viết cho một khu vực trong một thời đoạn<br /> nào đó. Bao gồm việc xác định mức tưới, thời gian tưới và số lần tưới.<br /> - Lượng nước đến bao gồm:<br /> + Lượng nước tưới<br /> + Lượng mưa<br /> + Lượng nước mặt chảy từ khu vực khác chảy vào<br /> + Lượng nước ngầm có thể sử dụng được<br /> - Lượng nước đi bao gồm:<br /> + Lượng nước bốc hơi mặt ruộng<br /> + Lượng nước ngấm xuống nước ngầm tầng sâu<br /> + Lượng nước mặt chảy khỏi khu vực (lượng nước tiêu)<br /> Nguyên lý tính toán cơ bản vẫn là chia toàn bộ thời kỳ sinh trưởng của lúa thành<br /> những thời đoạn nhỏ, xác định các thành phần trong phương trình cần bằng nước của<br /> các thời đoạn tính toán. Phương trình có dạng sau:<br /> Wci = Woi + Mi + Pi – (Ki + Ei) – Ci<br /> Hay:<br /> Wci = Woi + Mi + Phq – (Ki + Ei)<br />  Trong đó<br /> - Wci là lớp nước mặt ruộng cuối ngày (mm).<br /> - Woi là lớp nước mặt ruộng đầu ngày (mm).<br /> - Mi là lượng nước cần tưới (mm).<br /> - Pi là lượng nước mưa trong thời đoạn tính toán (mm).<br /> - Ki là lượng nước ngấm (mm).<br /> - Ci là lượng nước tháo (mm).<br /> - Phq là lượng mưa hiệu quả (mm). Phq = Pi – Ci.<br /> - Ei là lượng nước bốc hơi tổng số (mm).<br /> - i là thời đoạn tính toán.<br /> Việc xác định mức tưới Mi trên cơ sở xác định các thành phần của phương trình<br /> cân bằng nước sao cho lớp nước mặt ruộng luôn duy trì theo công thức tưới tăng sản<br /> (nằm trong phạm vi amin  amax), khi lớp nước mặt ruộng ở mức amin hoặc dưới mức<br /> amin thì bắt đầu tưới, tưới đến mức amax thì dừng tưới. Các thành phần Pi, Ki đều được<br /> xác định trên cơ sở lượng mưa và lượng nước ngấm trong thời đoạn tính toán. Trong<br /> điều kiện đủ nước, thành phần Ei được xác định theo công thức:<br /> Ei = ETc = Kc x ETo.<br /> Trong đó: ETc: lượng bốc hơi tổng số thực tế (mm),<br /> Kc: Hệ số cây trồng,<br /> ETo: Lượng bốc hơi tổng số tiềm năng,<br /> Tuy nhiên, trong tưới tiết kiệm nước, có quá trình phơi ruộng, Ei được xác định<br /> theo công thức:<br /> Ei = ETc = Ks x Kc x ETo.<br /> Trong đó: Ks là hệ số đất, phụ thuộc vào độ ẩm đất. Ks = 1 khi độ ẩm đất lớn hơn<br /> một giá trị nào đó (khoảng 80-90% độ ẩm bão hòa), Ks < 1 khi độ ẩm đất nhỏ hơn độ<br /> ẩm bão hòa (Quan hệ giữa hệ số đất và độ ẩm đất được xác định thông qua thực<br /> nghiệm). Việc đưa hệ số đất Ks vào công thức xác định lượng nước hao do bốc hơi<br /> trong tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa là điểm cải tiến của phần mềm này<br /> nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình hao nước xảy ra trên ruộng .<br /> Một vấn đề nữa là thành phần amin trong tưới tiết kiệm nước. Do mặt ruộng được<br /> phơi, một phần lượng nước chứa trong đất bị bốc hơi nên độ ẩm đất trong giai đoạn<br /> này nhỏ hơn độ ẩm bão hòa. Do vậy để đưa độ ẩm ban đầu βi về độ ẩm bão hòa βbh,<br /> cần thiết phải bổ sung một lượng nước là<br />  mi = (βbh - βi) x hi x ω.<br /> Trong đó: - hi: là chiều sâu tầng đất nằm trong chiều sâu bộ rễ hữu hiệu của lúa.<br /> - ω là diện tích tính toán.<br /> Nếu βbh, βi tính theo % thể tích đất, hi tính theo mm, ω tính theo 1 ha, mi sẽ trở<br /> thành:<br /> mi = 10 x (βbh - βi) x hi (mm).<br /> Ở đây khi độ ẩm đất nhỏ hơn giá trị độ ẩm bão hòa, để bắt đầu tạo thành lớp<br /> nước mặt ruộng khi tưới cần thiết phải có một lượng nước là mi để làm cho đất từ độ<br /> ẩm ban đầu đạt đến trị số độ ẩm bão hòa. Khi tưới nhỏ hơn trị số này, trên ruộng<br /> không tạo thành lớp nước mặt ruộng. Do vậy để phù hợp, trong tính toán chế độ tưới<br /> lấy trị số âm để biểu thị giá trị amin. Như vậy trong tưới tiết kiệm nước, amin chính là giá<br /> trị mi. Xét trên 1 ha canh tác, giá trị amin trở thành:<br /> amin = - mi = - 10 x (βbh - βi) x hi<br /> Trong đó: mi: là lượng nước cần thiết để độ ẩm đất từ giá trị ban đầu về giá trị<br /> độ ẩm bão hòa. Trị số này phụ thuộc vào βi là giới hạn độ ẩm nhỏ nhất mà lúa có thể<br /> chịu được trong thời kỳ sinh trưởng nào đó.<br /> Đối với các giống lúa thông thường, khả năng chịu hạn kém và rất mẫn cảm với<br /> sự thiếu nước. Thực tế cho thấy khi độ ẩm đất giảm xuống dưới 70% giá trị độ ẩm toàn<br /> phần, lúa bắt đầu giảm năng suất. Tuy nhiên giá trị này còn tùy thuộc vào thời kỳ sinh<br /> trưởng của lúa. Với các loại hình đất lúa hiện nay, giá trị độ rỗng đất dao động từ 0,4<br /> đến 0,5, chiều sâu bộ rễ lúa khoảng 15 cm. Nếu chọn độ ẩm đất tối thiểu là 70% độ ẩm<br /> toàn phần (độ ẩm tương ứng với giá trị sức chứa ẩm toàn phần). Như vậy:<br /> mi = - (18  23) mm.<br /> Giá trị mi trên đây tương ứng với giá trị lượng bốc hơi tổng số trên ruộng lúa từ<br /> 3-4 ngày về vụ mùa và 5 đến 7 ngày về vụ chiêm xuân.<br /> Việc xác định chính xác lượng mưa hiệu quả là một vấn đề rất quan trọng vì nó<br /> quyết định đến độ tin cậy của mức tưới tính toán. Lượng mưa hiệu quả được xác định<br /> căn cứ trên cơ sở lượng mưa thời đoạn ngắn và lớp nước mặt ruộng tại thời điểm có<br /> mưa. Công thức có dạng:<br /> Phq = Pi nếu amax - Woi >= Pi,<br /> Phq = amax - Woi nếu amax - Woi < Pi,<br /> Phq = 0 nếu Woi >= amax.<br />  Hình 1. Sơ đồ diễn biến lớp nước mặt ruộng<br /> Trên cơ sở thuật toán và cơ sở khoa học nêu trên, việc xây dựng phần mềm tính<br /> toán chế độ tưới tiết kiện nước cho lúa được thực hiện trên cơ sở các tham số về ETo<br /> được lấy theo kết quả tính toán của CROPWAT, (Phần mềm thiết kế được kết nối với<br /> CROPWAT để lấy trị số ETo). Thuật toán và trình tự tính toán được thực hiện theo sơ<br /> đồ khối. Sơ đồ khối có dạng như ở hình 2.<br />  START<br /> <br /> <br /> <br /> Nhập số liệu:<br /> Giai đoạn sinh trưởng, Công thức tưới,<br /> ETo, Kc, K1, , Ks-W, K, N, a0, tg, mi<br /> <br /> <br /> <br /> i=1<br /> <br /> <br /> <br /> Tính: Ki Ki = Kb khi 0 < ti  tb<br /> Ki = Kôđ khi tb < ti  tn + tst - tb<br /> ehi = tiei, Psdi = iPi, h0i = a0t + a’0t’t, Ci = ai(1 - t/tg)<br /> ti, i, ’t theo 3 thời kỳ: Đầu, giữa và cuối vụ<br /> <br /> <br /> <br /> Giả thiết mi<br /> <br /> <br /> hci = h0i + mi + Psdi - (ehi + Ki) - Ci<br /> <br /> <br /> S<br /> amimi  hci  amaxi<br /> <br /> <br /> Đ<br /> i=i+1 i>N<br /> S<br /> <br /> <br /> <br /> In kết quả<br /> mi ~ ti<br /> <br /> <br /> <br /> STOP<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối xác định mức tưới Mi<br /> 3. Chọn ngôn ngữ lập trình và thiết kế phần mềm<br />  Hiện nay tại Việt Nam, phần lớn các máy tính cá nhân đang được cài đặt hệ<br /> điều hành Microsoft Windows. Để xây dựng và phát triển các phần mềm ứng dụng,<br /> như phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm, mà có thể hoạt động tốt trên hệ điều<br /> hành Windows, nền tảng hệ thống .NET (đọc là “dot net”) mà hãng Microsoft cung<br /> cấp tỏ ra được ưa chuộng trong cộng đồng phát triển phần mềm. Hệ thống .NET cung<br /> cấp một thư viện lập trình phong phú cho phép phát triển các ứng dụng một cách<br /> nhanh chóng, dễ dàng và hiệu quả với giao diện đồ họa Windows hiện đại và thân<br /> thiện người sử dụng. Mô hình ứng dụng .NET có thể được nhìn một cách giản đơn như<br /> trong hình 3. Thay vì chạy trực tiếp trên hệ điều hành Windows, phần mềm ứng dụng<br /> bây giờ được thực thi và quản lý bởi môi trường .NET. Điều này mang lại một số lợi<br /> ích như cho phép thực hiện hiệu quả các cơ chế về an ninh, quản lý bộ nhớ tự động,<br /> tương tác với các hệ thống khác, v.v…<br /> <br /> <br /> Phần mềm ứng dụng .NET<br /> <br /> <br /> Môi trường .NET<br /> <br /> <br /> Hệ điều hành Windows<br /> <br /> Hình 3. Mô hình ứng dụng .NET<br /> Để phát triển các phần mềm ứng dụng .NET, có nhiều lựa chọn ngôn ngữ lập<br /> trình khác nhau như C# (đọc là “C sharp”), Visual Basic .NET hoặc Visual C++ .NET.<br /> C# là một ngôn ngữ lập trình mới, được thiết kế chuyên cho nền .NET, cho phép lập<br /> trình viên khai thác hiệu quả các tính năng của môi trường .NET. Đây cũng chính là<br /> ngôn ngữ lập trình được chọn cho việc phát triển phần mềm tính toán chế độ tưới tiết<br /> kiệm.<br /> Trên cơ sở cải tiến thuật toán, phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước<br /> cho lúa được thiết kế với giao diện đồ họa nhằm làm thuận tiện cho việc nhập số liệu<br /> cũng như dễ dàng quan sát các kết quả (dưới dạng bảng hoặc biểu đồ cột). Các mô-đun<br /> chính của phần mềm bao gồm:<br />  Mô-đun đọc ghi file (tệp tin):<br /> - Đọc ghi các file lượng mưa.<br /> - Đọc các file lượng nước bốc hơi ETo.<br /> - Đọc ghi các file chế độ tưới.<br />  Mô-đun thiết lập các thông số tính toán<br />  Mô-đun tính toán chế độ tưới tiết kiệm<br />  Các giai đoạn tính và Lượng bốc<br /> Lượng mưa các thông số tính toán hơi ETo<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tính toán chế độ tưới tiết kiệm<br /> <br /> <br /> <br /> Chế độ tưới<br /> <br /> Hình 4. Mô hình tính toán của phần mềm<br /> Trên cơ sở kết nối phần mềm CROPWAT để nhận file kết quả ETo, các thông<br /> số khác như lượng mưa, cây trồng, quan hệ Ks và độ ẩm đất, công thức tưới tiết kiệm<br /> nước.v.v.. được lấy từ file dữ liệu hay nhập trực tiếp từ bàn phím, chế độ tưới tiết kiệm<br /> nước cho lúa được xác định.<br /> 4. Kết luận<br /> Phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa có những ưu điểm nổi<br /> bật như sau:<br /> + Lượng mưa được lấy trực tiếp từ lượng mưa thực tế, không phải quy đổi ra lượng<br /> mưa hiệu quả như trong phần mềm CROPWAT. (Trong phần mềm CROPWAT lượng<br /> mưa hiệu quả được quy đổi từ lượng mưa thực tế theo công thức hồi quy phụ thuộc<br /> chặt chẽ vào vùng nghiên cứu, không tính đến lớp nước mặt ruộng tại thời điểm tính<br /> toán). Do vậy sự cải tiến này sẽ làm tăng độ chính xác của phương pháp tính và làm<br /> cho người sử dụng dễ dàng hơn trong tính toán.<br /> + Do tưới tiết kiệm nước, trên ruộng có thời gian khô nước, độ ẩm nhỏ hơn độ ẩm<br /> đồng ruộng nên trong thời kỳ này lượng bốc hơi tổng số thực tế sẽ phụ thuộc vào độ<br /> ẩm đất. Do vậy cần phải đưa hệ số đất Ks vào trong công thức tính toán ETc. Phần<br /> mềm mới có cải tiến này phù hợp với quy luật bốc hơi và làm tăng độ chính xác trong<br /> tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Batta R.K On-farm water managerment in major irrigation comands of India. Paper<br /> presented at the workshop on “People Participation in irrigation system management<br /> to enhance agricultural production”, 1998.<br /> 2. Hatta, S. Water comsumption in paddy field and water saving rice culture in<br /> tropical zone; Jpn. Trop. Agric. 11, 1967.<br /> 3. GS.TS. Bùi Hiếu; Hướng dẫn tính toán nhu cầu nước và quản lý tưới cho cây trồng<br /> cạn theo chương trình CROPWAT FOR WINDOWS 4.3 của tổ chức FAO trong điều<br /> kiện Việt Nam; Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ; 2004.<br /> 4. 3. Thái Đình Hòe, Phương pháp luận và phương pháp tính toán tưới và tiêu nước<br /> mặt ruộng vùng trồng lúa đồng bằng Việt Nam, Luận án PTSKHKT, 1991.<br />