Xác định hệ số tiêu tối ưu cho lúa khi tiêu bằng động lực - TS. Dương Thanh Lượng

T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br /> X¸c ®Þnh hÖ sè tiªu tèi ­u cho lóa<br /> khi tiªu b»ng ®éng lùc<br /> TS. D­¬ng Thanh L­îng<br /> Tr­êng §¹i häc Thuû lîi<br /> Tãm t¾t<br /> ViÖc x¸c ®Þnh hÖ sè tiªu thiÕt kÕ vµ thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng tiªu cho ®Õn nay ®Òu dùa trªn<br /> viÖc chÕ ®é tiªu theo thêi ®o¹n ng¾n, do ®ã cã rÊt nhiÒu tån t¹i. §Ó kh¾c phôc ®iÒu ®ã, t¸c gi¶<br /> ®Ò xuÊt ra mét ph­¬ng ph¸p míi ®Ó x¸c ®Þnh hÖ sè tiªu thiÕt kÕ cho ruéng lóa dùa trªn c¸c c¬<br /> së sau:<br /> - Ph©n tÝch ¶nh h­ëng cña m­a trong mét thêi ®o¹n dµi vµ xÐt nhiÒu ph­¬ng ¸n vÒ trÞ sè<br /> cña hÖ sè tiªu thiÕt kÕ;<br /> - TÝnh ®iÒu tiÕt trªn ruéng lóa theo nh­ m« h×nh cña hå chøa, khi ®ã l­îng n­íc tho¸t ra<br /> khái ruéng vµ ®é s©u líp n­íc mÆt ruéng lµ nh÷ng hµm sè cña thêi gian;<br /> - TrÞ sè hÖ sè tiªu thiÕt kÕ ¶nh h­ëng ®Õn møc ®é ngËp trªn ruéng, n¨ng suÊt lóa, n¨ng<br /> l­îng tiªu n­íc vµ chÕ ®é lµm viÖc cña tr¹m b¬m ®Çu mèi. Dã ®ã cã thÓ t×m ®­îc mét trÞ sè<br /> tèi ­u qua viÖc t×m cùc trÞ cña mét hµm môc tiªu mµ t¸c gi¶ ®· ®Ò cËp trong bµi b¸o nµy.<br /> <br /> 1. ChÕ ®é tiªu cho lóa<br /> ChÕ ®é tiªu cho lóa ®­îc ®Æc tr­ng bëi sù thay ®æi cña hÖ sè tiªu q0 vµ ®é s©u líp<br /> n­íc mÆt ruéng a theo thêi gian t do kÕt qu¶ cña m­a vµ sù ®iÒu tiÕt n­íc m­a trªn<br /> ruéng lóa. ChÕ ®é tiªu phô thuéc vµo c«ng tr×nh ®iÒu tiÕt n­íc mÆt ruéng vµ th«ng<br /> th­êng cã 2 lo¹i chÝnh: lo¹i cè ®Þnh, ch¼ng h¹n trµn cè ®Þnh (h×nh 1); lo¹i di ®éng,<br /> ch¼ng h¹n trµn cã ng­ìng thay ®æi ®­îc (h×nh 2).<br /> Pi<br /> Zi<br /> <br /> Hi<br /> ai q0i<br /> Z0 Hp=A0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh1. Trµn cè ®Þnh (øng víi biÖn ph¸p tiªu thø nhÊt)<br /> <br /> <br /> phao<br /> Pi<br /> Zi ng­ìng di ®éng<br /> Ht=const<br /> ai Hi<br /> Hp=A0 Z0 H 'p q0i<br /> i<br /> <br /> <br /> <br /> ng­ìng cè ®Þnh<br /> 1<br /> <br /> <br /> H×nh 2. Trµn di ®éng (øng víi biÖn ph¸p tiªu thø hai)<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br /> 2. Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chÕ ®é tiªu cho lóa<br /> Gi¶ thiÕt lµ n­íc kh«ng ®­îc ch¶y trµn tõ « ruéng nä sang « ruéng kia vµ chØ ch¶y<br /> qua c«ng tr×nh ®iÒu tiÕt víi tr¹ng th¸i ch¶y kh«ng ngËp. §iÒu nµy cho phÐp coi tõng «<br /> ruéng lµ mét hå chøa ®éc lËp, ®ång thêi toµn hÖ thèng tiªu lµ mét hå chøa chung cã<br /> diÖn tÝch b»ng tæng diÖn tÝch c¸c « ruéng thµnh phÇn.<br /> Theo lo¹i c«ng tr×nh ®iÒu tiÕt mÆt ruéng, cã 2 biÖn ph¸p tiªu nh­ sau:<br /> a. BiÖn ph¸p tiªu thø nhÊt - C«ng tr×nh ®iÒu tiÕt cè ®Þnh (th­êng lµ trµn cè ®Þnh)<br /> §­êng qu¸ tr×nh m­a P~t (h×nh 3, 1) d­íi t¸c dông ®iÒu tiÕt cña « ruéng sÏ chuyÓn<br /> thµnh ®­êng qu¸ tr×nh hÖ sè tiªu q0~t (h×nh 3, 2), thu ®­îc qua viÖc gi¶i hÖ ph­¬ng<br /> tr×nh (1) cho tõng thêi ®o¹n ti.<br />  H  Hi<br /> a )  H i  i 1<br /> 2<br />  3<br /> 36 10<br /> b )  P  h0i  2 H i 1  2 H i  4<br /> t .m .b . 2 g .H i<br /> 2 0<br />  10<br />  (1)<br /> c)  36 10 3<br /> q0i   t .m.b. 2 g .H i 2<br />  10 4<br /> <br /> d ) ai  A0  H i<br /> <br /> <br /> Trong ®ã:<br /> Hi1, Hi lµ cét n­íc trµn t¹i thêi ®iÓm cuèi thêi ®o¹n thø i1 vµ thø i, mm;<br /> t - B­íc thêi gian tÝnh to¸n, giê;<br /> H i - Cét n­íc trµn b×nh qu©n trong thêi ®o¹n thø i, mm;<br /> Pi - L­îng m­a r¬i xuèng mÆt ruéng trong thêi ®o¹n thø i, mm;<br /> h0i - L­îng hao n­íc m­a do ngÊm vµ bèc h¬i trong thêi ®o¹n thø i, mm;<br /> b - ChiÒu réng ng­ìng trµn, m;<br /> ai - ChiÒu s©u líp n­íc mÆt ruéng, mm;<br /> A0 - ChiÒu cao ng­ìng trµn, mm, lÊy A0 b»ng ®é s©u líp n­íc t­íi lín nhÊt.<br /> Cã 2 tr­êng hîp cã thÓ x¶y ra:<br /> - Tr­êng hîp 1: qtk  q0max . BiÓu ®å hÖ sè tiªu cña tr¹m b¬m ®Çu mèi qtb trïng víi<br /> biÓu ®å hÖ sè tiªu cña mÆt ruéng q0 (h×nh 3, 2).<br /> - Tr­êng hîp 2: qtk < q0max . Lóc nµy phÇn diÖn tÝch thÊp Fn trong tæng diÖn tÝch F<br /> cña hÖ thèng (h×nh 5) bÞ ngËp bæ sung bëi m­a vµ l­îng n­íc ch¶y tõ diÖn tÝch FFn<br /> ®Õn. Dung tÝch ®iÒu tiÕt V3 trªn diÖn tÝch Fn phô thuéc vµo trÞ sè qtk. §­êng qu¸ tr×nh hÖ<br /> <br /> <br /> 2<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br /> sè tiªu qtb~t cã d¹ng nh­ ®­êng 3 (h×nh 4). TrÞ sè q0i tho¸t ra tõ diÖn tÝch F Fn ®­îc i<br /> <br /> x¸c ®Þnh th«ng qua gi¶i hÖ (1).<br /> Do kh«ng tiªu hÕt n­íc theo hÖ sè tiªu q0 tõ nh÷ng thêi ®o¹n tr­íc, nªn trong thêi<br /> ®o¹n thø i, tæng l­îng n­íc cÇn tiªu lµ:<br /> Sqi  Sqi 1  q dz   q 0i , mm/ha (2)<br /> <br /> Tõ l­îng n­íc tån ®äng Sqi nµy sÏ x¸c ®Þnh ®­îc diÖn tÝch bÞ ngËp bæ sung Fn i<br /> <br /> theo c¸c quan hÖ ®Æc tr­ng ®i¹ h×nh cña vïng tiªu.<br /> P,q0, P,q0,<br /> 1) P 1) P<br /> mm qtr,<br /> mm qm<br /> 0<br /> ax<br /> qtk<br /> qm<br /> 0<br /> ax<br /> 2) q0 3) qtb<br /> V1 R 2) q0=qtb V1<br /> V3<br /> V2 qtk V2 V4<br /> <br /> T1 t T1 T2 t<br /> tm­a tm­a<br /> ttiªu ttiªu<br /> <br /> H×nh 3. §­êng qu¸ tr×nh: 1) m­a, 2) hÖ sè tiªu H×nh 4. §­êng qu¸ tr×nh 1) m­a, 2) hÖ sè tiªu mÆt<br /> mÆt ruéng øng víi biÖn ph¸p tiªu thø nhÊt vµ ruéng, 3) hÖ sè tiªu TB ®Çu mèi øng víi biÖn ph¸p<br /> kh«ng cã ngËp bæ sung tiªu thø nhÊt vµ cã ngËp bæ sung<br /> <br /> <br /> Pi<br /> <br /> F–Fni Fni<br /> Fni<br /> li–1 li Fn i–1<br /> Hni Hni<br /> qi Zi<br /> Hi –Hi–1<br /> Zi–1<br /> Hp ai–1 ai qtbi<br /> Hi–1 Hi<br /> Zmin<br /> ai ai–1<br /> Hp<br /> H×nh 5. S¬ ®å c©n b»ng n­íc khi cã ngËp bæ sung<br /> Qua tÝnh to¸n c©n b»ng n­íc phèi hîp víi ®Æc tr­ng cña ®Þa h×nh, mùc n­íc trªn<br /> ruéng Zi sÏ ®­îc x¸c ®Þnh (h×nh 5). GÝa trÞ Fn vµ qtb ®­îc tÝnh th«ng qua gi¶i hÖ (3):<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br />  Sqi 1  qtk   q0 i if Sqi 1  qtk<br /> a) Sqi  <br />  q 0 i if Sqi 1  qtk<br />  qtk if Sqi  qtk<br /> b) qtbi  <br />  Sqi if Sqi q tk<br /> c)     <br /> q0i 1  f ni  Pi  h0i  H i  H i 1 f ni<br /> (3)<br />  H ni  Z i 1  H i 1  Z min  H p <br />  f ni<br /> d)<br />  i<br />  <br />  fn  f H n<br /> i<br /> <br /> <br /> e)  f  f ni 1  f ni<br />  ni 2<br /> f) <br /> Z i  H ni  H p  Z min<br /> Trong ®ã:<br /> f ni - diÖn tÝch ngËp t­¬ng ®èi Fni / F t¹i cuèi thêi ®o¹n thø i (h×nh 5).<br /> <br /> f ni - TrÞ sè trung b×nh cña diÖn tÝch ngËp t­¬ng ®èi trong thêi ®o¹n thø i;<br /> <br /> H n i - Møc ngËp bæ sung t¹i chç s©u nhÊt tÝnh ®Õn cuèi thêi ®o¹n thø i, (mm);<br /> Hi - Cét n­íc trªn ®Ønh trµn cuèi thêi ®o¹n thø i, mm;<br /> Zmin - Cao tr×nh mÆt ruéng thÊp nhÊt cña hÖ thèng, (mm).<br /> b. BiÖn ph¸p tiªu thø hai - C«ng tr×nh ®iÒu tiÕt cã ®iÒu khiÓn (th­êng lµ trµn di ®éng)<br /> Khi q0 nhá, ng­ìng trµn di ®éng sÏ h¹ xuèng vÞ trÝ thÊp vµ n­íc ch¶y qua trµn phô<br /> cè ®Þnh cã chiÒu cao ng­ìng Hp vµ bÒ réng trµn b2, khi nhiÒu n­íc th× ng­ìng trµn di<br /> ®éng sÏ n©ng lªn. Do thay ®æi ®é cao H 'p , hÖ sè tiªu mÆt ruéng gi÷ trÞ sè nhá h¬n hoÆc<br /> b»ng qtk (h×nh 6), nghÜa lµ:<br /> q0  qtb  qtk (4)<br /> X¸c ®Þnh q0i, ai vµ Hi theo hÖ ph­¬ng tr×nh (1), nh­ng tÝnh cho trµn phô vµ kÕt hîp<br /> ®iÒu kiÖn (4).<br /> Víi ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chÕ ®é tiªu cho lóa nµy cã thÓ tÝnh ®­îc q0i vµ ai cho<br /> thêi ®o¹n dµi c¶ n¨m hoÆc nhiÒu n¨m.<br /> 4. ChØ tiªu ®Ó x¸c ®Þnh hÖ sè tiªu tèi ­u<br /> Cã v« sè trÞ sè cña hÖ sè tiªu thiÕt kÕ, trÞ sè tèi ­u cÇn ®­îc x¸c ®Þnh theo mét chØ<br /> tiªu nµo ®ã. ë ®©y ®Ò nghÞ dïng chØ tiªu tèi ­u theo gi¸ trÞ lín nhÊt cña NPV:<br />  1  R T  1<br />   <br /> NPVe  m a x  K j  M A j  M B j   , ® (5)<br /> j <br />  R1  R T <br /> Trong ®ã:<br /> <br /> 4<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br /> Kj - Vèn ®Çu t­ ban ®Çu cho toµn hÖ thèng tiªu theo ph­¬ng ¸n ®Çu t­ j; ®;<br /> R - tØ sè chiÕt khÊu;<br /> M[Aj] - B×nh qu©n gia quyÒn cña thu nhËp hµng n¨m theo ph­¬ng ¸n ®Çu t­ j; ®;<br /> M[Bj] - B×nh qu©n gia quyÒn cña chi phÝ qu¶n lý hµng n¨m theo ph­¬ng ¸n j; ®;<br /> T - Thêi gian ho¹t ®éng cña dù ¸n, n¨m;<br /> X¸c ®Þnh M[Aj] theo quan hÖ sau:<br /> F .Ymax.r0 F .Ymax.r0 n<br />  <br /> M Aj <br /> 100<br />  <br /> M Dy j <br /> 100 i1<br />  <br />  yi, j  yi,0 .pYi , ® (6)<br /> <br /> Trong ®ã:<br /> n - sè n¨m tÝnh to¸n;<br /> M[Dj] - B×nh qu©n gia quyÒn cña n¨ng suÊt t­¬ng ®èi (%) t¨ng thªm hµng n¨m do<br /> cã sù ho¹t ®éng cña dù ¸n tiªu theo ph­¬ng ¸n ®Çu t­ víi trÞ sè hÖ sè tiªu thiÕt kÕ qtk j ;<br /> <br /> Ymax - N¨ng suÊt cña lóa khi kh«ng bÞ ngËp (n¨ng suÊt ®èi chøng), kg/ha;<br /> yi, j - N¨ng suÊt t­¬ng ®èi (%) so víi Ymax) trong n¨m thø i theo ph­¬ng ¸n qtk j ;<br /> <br /> yi, 0 - N¨ng suÊt t­¬ng ®èi cña lóa trong n¨m thø i nÕu kh«ng cã hÖ thèng tiªu, còng<br /> cã nghÜa lµ øng víi ph­¬ng ¸n qtk= q dz0 =0;<br /> pYi - X¸c suÊt xuÊt hiÖn n¨ng suÊt lóa yi, j cña n¨m thø i;<br /> r0 - Gi¸ lóa, ®/kg;<br /> F - DiÖn tÝch lóa ®­îc tiªu, ha.<br /> Sè h¹ng M[Bj] bao gåm:<br />  B×nh qu©n gia quyÒn M[Lej] cña tiÒn ®iÖn tiªu thô hµng n¨m:<br /> n<br />  <br /> M Le j  e0  Wi , j . pWi , ® (7)<br /> i 1<br /> <br /> Trong ®ã:<br /> Wi,j - N¨ng l­îng tiªu thô trong n¨m thø i theo ph­¬ng ¸n qtk j , kWh;<br /> <br /> pWi - X¸c suÊt xuÊt hiÖn Wi,j;<br /> e0 - §¬n gi¸ ®iÖn, ®/KWh.<br />  Chi phÝ hµng n¨m Brj cho b¶o qu¶n vµ söa ch÷a th­êng xuyªn vµ Bkj cho c«ng<br /> t¸c qu¶n lý.<br /> Gi¸ trÞ cña hµm môc tiªu NPV phô thuéc vµo c¸c biÕn sè ®­îc chia ra 2 nhãm:<br /> <br /> 5<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> <br /> - Nhãm biÕn sè kh«ng ®iÒu khiÓn ®­îc, nh­: m­a, mùc n­íc ngoµi s«ng, ®Þa h×nh,<br /> bèc h¬i, ngÊm... Trong tÝnh to¸n coi c¸c biÕn sè nµy nh­ tham sè cho mçi vïng tiªu.<br /> - Nhãm biÕn sè ®iÒu khiÓn ®­îc, gåm: qtk, b (hoÆc b2), vµ trong tr­êng hîp tiªu<br /> b»ng ®éng lùc cßn bao gåm c¶ sè m¸y b¬m N vµ lo¹i m¸y b¬m cña tr¹m b¬m tiªu.<br /> V× lo¹i m¸y b¬m l¹i phô thuéc vµo N vµ qtk, nªn sè l­îng biÕn ®iÒu khiÓn ®­îc<br /> gi¶m tõ 4 xuèng cßn 3. Nh­ vËy ë gi¶i ph¸p thiªu thø nhÊt NPV lµ hµm cña 3 biÕn sè<br /> qtk, b, N vµ ë biÖn ph¸p tiªu thø hai NPV lµ hµm cña qtk, b2 , N.<br /> 5.ThuËt to¸n x¸c ®Þnh hÖ sè tiªu tèi ­u<br /> ThuËt to¸n x¸c ®Þnh hÖ sè tiªu thiÕt kÕ tèi ­u qtk ®­îc dùa trªn viÖc quÐt hµm môc<br /> tiªu NPV ë trªn víi c¸c kho¶ng biÕn ®æi ®Þnh tr­íc cña c¸c biÕn sè qtk, b (b2) vµ N.<br /> X©y dùng ch­¬ng tr×nh ®Ó quÐt hµm NPV ®Ó t×m trÞ sè lín nhÊt theo tr×nh tù nh­ s¬<br /> ®å khèi h×nh 7 cho biÖn ph¸p tiªu thø nhÊt. Còng dïng thuËt to¸n nµy cho biÖn ph¸p<br /> tiªu thø hai, nh­ng kh«ng cã mÆt ch­¬ng tr×nh con “FH”.<br /> 6. ¸p dông ph­¬ng ph¸p cho mét ®èi t­îng nghiªn cøu<br /> ¸p dông ®Ó t×m trÞ sè tèi ­u qtk, b (hoÆc b2) cho hÖ thèng tiªu tr¹m b¬m Nh©m<br /> Trµng, Hµ Nam, sö dông tµ liÖu m­a vµ mùc n­íc s«ng trong giai ®o¹n 1974-1992, thu<br /> ®­îc quan hÖ biÓu ®å NPV theo qtk vµ b ë biÖn ph¸p tiªu thø nhÊt vµ theo qtk vµ b2 ë<br /> biÖn ph¸p tiªu thø hai (h×nh 8). Mçi ®iÓm trªn c¸c ®­êng cong ®­îc x¸c ®Þnh qua viÖc<br /> quÐt hµm NPV theo hai biÕn N vµ qtk khi cè ®Þnh tõng trÞ sè cña b (hoÆcb2). KÕt qu¶<br /> cuèi cïng vÒ c¸c trÞ sè tèi ­u cña qtk, b (hoÆc b2) vµ N cho gi¸ trÞ (NPVmax)max thÓ hiÖn<br /> ë b¶ng 1.<br /> NPV<br /> 400000<br /> 6<br /> 10 ®<br /> 8 9 b)<br /> 360000<br /> 7<br /> 6<br /> 320000<br /> 1<br /> 2<br /> 280000 3<br /> 4<br /> 5<br /> a)<br /> 240000<br /> <br /> <br /> 200000<br /> <br /> <br /> 160000<br /> <br /> <br /> 120000<br /> <br /> <br /> 80000<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15<br /> qtk, l/s/ha<br /> H×nh 8. §­êng quan hÖ gi÷a NPVmax vµ hÖ sè tiªu thiÕt kÕ qtk:<br /> <br /> 6<br /> T¹p chÝ KHKT Thuû lîi vµ m«i tr­êng<br /> <br /> <br /> a) BiÖn ph¸p tiªu thø nhÊt, víi 1)b=0,1 2)b=0,15; 3)b=0,2 4)b=0,25 5)b=0,3 m<br /> b) BiÖn ph¸p tiªu thø hai, víi 6)b2=0,5; 7)b2=1,0; 8)b2=2,0; 9)b2=3,0 m<br /> <br /> <br /> <br /> B¶ng 1. KÕt qu¶ cuèi cïng vÒ ph­¬ng ¸n tèi ­u cho hÖ thèng tiªu TB Nh©m Trµng<br /> BiÖn ph¸p tiªu BiÖn ph¸p tiªu<br /> ChØ tiªu<br /> thø nhÊt thø hai<br /> Gi¸ trÞ lín nhÊt cña NPV, (106 ®) 368.976,03 392.968,60<br /> TrÞ sè qtk tèi ­u (l/s/ha) 5,5 4,8<br /> Sè m¸y b¬m tèi ­u cña TB 8 7<br /> Lo¹i m¸y b¬m tèi ­u O6-110 O6-110<br /> BÒ réng trµn mÆt ruéng tèi ­u (m) b=0,2 b2=2,0<br /> BEGIN Nhập số liệu đầu vào:<br /> mưa, mực nước sông, địa hình, loại<br /> Nhập b (b2)<br /> máy bơm, đặc tính của máy bơm, quan<br /> qtk:=A hệ về mức giảm năng suất lúa...<br /> <br /> k:=1974 {năm}<br /> <br /> <br /> Gọi ch/trình con “HST_A” (hoặc “HST_B”) để tính:<br /> 1) Đường quá trình Hệ số tiêu của hệ thống q0[i],<br /> 2) Đường quá trình Độ sâu ngập trên ruông lúa a[i].<br /> <br /> <br /> Gọi chương trình con “FH” để tính:<br /> 1) Đường quá trình Hệ số tiêu của trạm bơm qtb[i],<br /> 2) Đường quá trình Diện tích ngập bổ sung fn [i],<br /> 3) Đường quá trình Độ sâu ngập an[i] trên diện tích fn [i].<br /> <br /> Gọi ch/trình con “YY” để tính năng suất Y[k] trong năm thứ k<br /> <br /> j:=1{j:=1..J:số máy bơm trong TB}<br /> <br /> <br /> Loại máy bơm Type[j]<br /> <br /> Gọi ch/trình con “AA” để tính nămg lượng tiêu thụ W[k,j]<br /> <br /> đ<br /> j:=j+1 j