Nghiên cứu đề xuất mức ngập cho phép của một giống lúa mới làm cơ sở so sánh trong tính toán tiêu nước

Mức ngập cho phép của lúa là các chỉ số tổng hợp gồm độ sâu ngập, thời gian ngập và mức đảm bảo năng suất. Mức ngập cho phép hưởng rất lớn đến kết quả tính toán hệ số tiêu thiết kế và quy mô công trình. Các tài liệu chuyên ngành từ trước tới nay mới chỉ đưa ra các kết quả nghiên cứu mang tính đơn lẻ mà chưa thống nhất được phương pháp xác định. Trong bài viết này, từ thí nghiệm hiện trường xác định khả năng chịu ngập ứng với năng suất và tính toán mô hình tiêu nước đối với giống lúa Bắc Thơm, kết hợp với tài liệu đã công bố đề xuất mức ngập cho phép giai đoạn sinh trưởng đầu tiên của lúa là: ngập 12,5cm; 18,75cm; 25cm và 30cm không quá lần lượt là 5-7 ngày, 3 ngày, 2 ngày và 1 ngày để mức đảm bảo năng suất 90%.

1. Đặt vấn đề

Trong tính toán tiêu nước phục vụ thiết kế, nâng cấp, xây mới hoặc quản lý vận hành hệ thống tiêu thì việc xác định mức ngập cho phép của lúa là chỉ số quan trọng, nhằm lợi dụng khả năng chịu ngập của lúa để giảm quy mô công trình đầu mối, đồng thời không gây ảnh hưởng lớn đến năng suất cây trồng. Tiêu chuẩn thiết kế - Hệ số tiêu cho ruộng lúa, 14TCN.60-88 có giới thiệu các phụ lục xác định khả năng chịu ngập của lúa mà chưa có quy định thống nhất mức đảm bảo năng suất để người sử dụng xây dựng mức ngập cho phép trong tính toán hệ số tiêu.

Khái niệm khả năng chịu ngập khác với mức ngập cho phép. Khả năng chịu ngập mới chỉ là kết quả thí nghiệm đưa ra các độ sâu ngập và thời gian ngập ứng với các mức đảm bảo năng suất khác nhau. Mức ngập cho phép là định lượng cụ thể độ sâu ngập và thời gian ngập cho một mức đảm bảo năng suất phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội. Với hai khái niệm như trên thì chưa có hướng dẫn nào để thống nhất xác định mức chịu ngập cho phép.

Tiêu nước có quan hệ chặt chẽ với tưới, nếu ứng với công thức tưới tăng sản [1] giai đoạn đầu giữ lớp nước từ 4-6cm có thể sơ bộ đánh giá được khả năng trữ, điều tiết nước tiêu. Cụ thể là, với mức đảm bảo năng suất 90% thì lợi dụng được khả năng chịu ngập của lúa ngắn ngày là rất lớn, có thể trữ từ 50-150mm (tương đương 13-38% mưa 5 ngày max tần suất 10% bình quân 7 trạm khu vực trung tâm đồng bằng sông Hồng gồm Hải Dương, Hưng Yên, Hà đông, Phủ lý, Nam Định, Ninh Bình và Thái bình). Nhưng, nếu đảm bảo mức năng suất 95% thì hầu như không lợi dụng được khả năng chịu ngập của lúa để điều tiết nước tiêu vì ứng với mức đảm bảo năng suất 95% thì lúa chỉ chịu ngập 5-15cm trong 1-2 ngày. Hơn nữa, tài liệu 14TCN60-88 đã lâu và chỉ có thể phù hợp với các giống lúa cũ mà hiện tại không còn canh tác.

Như vậy, việc nghiên cứu mức chịu ngập cho phép của lúa phải dựa trên hai chỉ số chính đó là khả năng chịu ngập (độ sâu ngập và thời gian ngập) và quy định mức đảm bảo năng suất. Trong bài viết này từ nghiên cứu thí nghiệm chịu ngập đối với giống lúa Bắc Thơm và sử dụng mô hình tính tiêu và một số tài liệu đã công bố (Bảng 4 phụ lục 1 14TCN60-88) để xác định mức ngập cho phép của lúa phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội hiện tại và những năm tới phục vụ tính toán hệ số tiêu thiết kế vùng đồng bằng sông Hồng.

2. Phương pháp xác định mức ngập cho phép của lúa

Nghiên cứu kết hợp cả thí nghiệm hiện trường và mô phỏng bài toán tiêu nước áp dụng tại vùng điển hình là hệ thống bơm tiêu Triều Dương, huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên.

2.1 Thí nghiệm xác định khả năng chịu ngập của giống lúa mới (Bắc Thơm)

1) Phương pháp thí nghiệm:

- Mức ngập: 50%; 75%; và 100% chiều cao cây lúa lúc thí nghiệm.

- Ứng với 1 mức ngập (lặp 3 lần các chậu thí nghiệm) với thời gian ngập 1, 2, 3, 5, và 7 ngày.

- Các số liệu khác như mật độ, chế độ tưới (không ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của lúa) được đảm bảo điều kiện như canh tác đại trà trong vùng.

2) Theo dõi quan trắc, đánh giá kết quả

- Hàng ngày đo nhiệt độ nước và nhiệt độ không khí tại các thời điểm quan trắc tương ứng mỗi ngày 2 lần đo.

- Lập bảng theo dõi các chỉ số đánh giá bao gồm quan sát các quá trình bị ảnh hưởng do ngập, các chỉ số đánh giá bằng mắt thường mức độ ảnh hưởng thông qua mô tả hiện trạng cây lúa sau các thời đoạn bị ngập.

- Chụp ảnh quá trình thí nghiệm và quá trình quan trắc thí nghiệm.

- Ghi chép các đánh giá tại mỗi thời điểm quan trắc thí nghiệm. Thời điểm quan trắc thí nghiệm ngoài các mốc ứng với thời gian chịu ngập thí nghiệm, thời gian quan trắc sau thí nghiệm tại các thời điểm gồm: 1, 3, 5, 7, 10 ngày phục hồi sau thôi ngập tới thu hoạch.

+ Số hạt mẩy bình quân trên số bông và so sánh với đối chứng. Đối chứng là 3 chậu thí nghiệm có điều kiện tương tự nhưng không cho ngập.

 Ảnh 1. Toàn cảnh triển khai thí nghiệm

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng do úng ngập bằng chỉ số đánh giá khả năng cho năng suất ứng với các chậu thí nghiệm bao gồm:

+ Số dảnh lúa, số bông thu hoạch trong các chậu thí nghiệm;

+ Tổng số hạt mẩy thu hoạch trong mỗi chậu;

+ Tỷ số bông so với số dảnh;

+ Số hạt mẩy bình quân trên số bông và so sánh với đối chứng.

3) Theo dõi nhiệt độ, mưa, thời tiết và quan sát trong thời gian thí nghiệm

- Thời gian thí nghiệm cho ngập từ ngày 11 đến ngày 18 tháng 8 năm 2010 và tiếp tục quan trắc quá trình phát triển của lúa tới lúc thu hoạch tại cánh đồng xã Hải Triều huyện Tiên lữ tỉnh Hưng Yên.

- Nhiệt độ ngày dao động từ 29-330C; ban đêm từ 24-280C.

- Trong đợt thí nghiệm lượng mưa ngày 16, 18 và 19/8 lần lượt là 35,5; 5,5 và  14,5mm.

Như vậy, điều kiện thời tiết là đại diện: lúa bị ngập, nhiệt độ không cao và có mưa.

4) Nghiên cứu cũng theo dõi quá trình sinh trưởng của lúa trong 2 vụ mùa liên tiếp. Kết quả chiều cao bình quân cây lúa thời kỳ bén rễ (15 ngày đầu) hai vụ mùa năm 2009 và 2010 như sau: 1 tuần đầu sau cấy đạt chiều cao bình quân 25,34cm; 2 tuần sau cấy đạt 30,37cm.

5) Đánh giá và kết quả thí nghiệm

Bảng 1: Mô tả thực trạng lúa trong thí nghiệm với các hệ số ngập khác nhau

 Bảng 2: Đánh giá thí nghiệm bằng chỉ số năng suất

 Bảng 3: Kết quả thí nghiệm xác định mức chịu ngập ứng với mức đảm bảo năng suất

Mức đảm bảo năng suất quyết định độ sâu ngập và thời gian ngập, mức đảm bảo năng suất càng cao thì độ sâu ngập thời gian ngập phải rút xuống. Như vậy, nên lấy mức đảm bảo năng suất là bao nhiêu là phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật? Để làm rõ vấn đề này tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu mô hình dưới đây để có thêm cơ sở đề xuất tiêu chuẩn ngập.

2.2. Dùng mô hình toán để đề xuất tiêu chuẩn ngập của lúa

1) Giới thiệu vùng nghiên cứu điển hình

Vùng tiêu Triều Dương có tổng diện tích 4215ha, trong đó đất nông nghiệp chiếm hơn 70% và đất phi nông nghiệp chiếm gần 30%. Sử dụng Arcview-GIS kết hợp với ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao 0,5m khảo sát chi tiết phân thành 126 ô tiêu và xác định diện tích của các đối tượng tiêu nước ô tiêu. Sử dụng máy thuỷ bình khảo sát xác định cao độ bình quân các đối tượng tiêu nước của 126 ô tiêu để tính toán thuỷ lực và đánh giá hệ thống. Các thông tin của ô tiêu gồm: diện tích và cao độ ruộng lúa, màu, phi canh tác, mặt nước, kênh mương ...

2) Mô phỏng và kiểm định mô hình tính tiêu nước bằng bơm

Mô hình Duflow phù hợp với tính toán tiêu nước bằng bơm [2] có cập nhật bổ sung chi tiết thông tin ô tiêu (diện tích, cao độ và số hóa trên bản đồ bằng phần mềm xử lý Arcview-GIS từng đối tượng tiêu nước trong ô tiêu) được sử dụng trong nghiên cứu này và kiểm định ứng với 3 trận mưa điển hình các năm 2005; 2006 và 2009 với các lượng mưa đại diện khác nhau. Kết quả kiểm định giữa tính toán và thực đo đầu, giữa và cuối hệ thống từ 2-5cm; trung bình cộng sai lệch dưới 2cm (biểu diễn giá trị tính toán và thực đo tại một số điểm có số liệu quan trắc trên biểu đồ 1 và biểu đồ 2).

Tính toán tiêu nước áp dụng cho vùng Triều Dương, kết quả xác định được quá trình mực nước, lưu lượng trên từng ô tiêu. Bằng so sánh đường quá trình mực nước với cao độ ruộng lúa sẽ định lượng  độ sâu ngập, thời gian ngập và diện tích bị ngập.

3) Sử dụng mô hình đã kiểm định tính toán xác định nhu cầu công suất bơm tiêu ứng với điều kiện mưa thiết kế vùng Triều Dương. Kịch bản sử dụng với các điều kiện tính toán sau:

- Mưa thiết kế được xác định trên cơ sở xây dựng đường tần suất mưa ngày trạm Hưng Yên từ năm 1976-2008; với tổng lượng mưa 5 ngày max tần suất 10% là 333,8mm diễn biến như sau: 0,1mm; 16,0mm; 159,6mm; 150,5mm; và 7,6mm.

- Thử dần chuỗi hệ số tiêu xác định chuỗi lưu lượng bơm tiêu từ thấp đến cao.

- Thiết lập quá trình bơm tự động có điều kiện mực nước bắt đầu bơm là 1,625m (ngưỡng mức nước bắt đầu gây ngập úng ở ô tiêu có cao trình diện tích ruộng lúa thấp nhất) và khi mực nước xuống dưới 0,8m (mực nước bể hút min) thì tự động dừng bơm.

- Ứng với một cấp hệ số tiêu, tính toán mô hình với đầu vào là lượng mưa thiết kế. Kiểm tra đường quá trình mực nước của từng ô tiêu để xác định độ sâu ngập và thời gian ngập của lúa ứng với giai đoạn sinh trưởng đầu tiên của lúa. Nếu tính toán so sánh mực nước trên ruộng lúa có một trong 3 độ sâu ngập lâu hơn thời gian chịu ngập như bảng 3 thì diện tích lúa thuộc ô tiêu đó được đánh giá là bị ngập. Kết quả tính toán tổng hợp trong bảng 4 và xây dựng được tương quan giữa diện tích úng ngập và hệ số tiêu (hình 1).

Bảng 4: Kết quả tính toán mô hình và xác định tỷ lệ ngập úng

Hình 1: Tương quan tỷ lệ ngập úng và hệ số tiêu vùng Triều Dương

3. Đánh giá và đề xuất tiêu chuẩn ngập cho giống lúa mới

Đối với mức ngập đảm bảo 85%, 90%, 95% và 100% năng suất thì về lý thuyết, hệ số tiêu lớn nhất sẽ lần lượt là 7,13; 7,21; 8,49 và 9,03l/s-ha. Chênh lệch hệ số tiêu đối với mức đảm bảo năng suất sau so trước đó lần lượt là 0,08; 1,28; và 0,54l/s-ha.

Từ mức đảm bảo năng suất 85% lên 90% hệ số tiêu chênh lệch không đáng kể, điều đó cho thấy lựa chọn mức đảm bảo năng suất 90% có lợi hơn.

Từ mức đảm bảo năng suất 90% lên 95% hệ số tiêu chênh lệch là rất lớn 1,28l/s-ha (17,8%) nghĩa là nếu chọn mức 95% so với 90% thì có thể phải đầu tư thêm 17,8% công suất.

Từ mức đảm bảo năng suất 95% lên 100% hệ số tiêu chênh lệch cũng đáng kể 0,54l/s-ha (6,3%), đồng thời mưa ngày nào tiêu ngày đó và ruộng lúa không còn khả năng điều tiết nước tiêu, chắc hiệu quả sử dụng tài nguyên nước mưa là không cao.

Mặt khác, từ thông tin thực trạng ô tiêu cho thấy chỉ có phần diện tích vùng thấp dưới 1,6m (chiếm 22% diện tích lúa) mới có khả năng bị ảnh hưởng chênh lệch 5% năng suất giữa các mức ngập. Trong khi đó, tính toán thiết kế ứng với mưa tần suất 10% thì, có nghĩa là 10 năm mới có 1 lần mưa vượt hoặc băng tần suất. Như vậy, về lý thuyết trong 10 năm có 9 năm mưa dưới tần suất thiết kế tức là 90% số năm sẽ không bị ảnh hưởng chênh lệch năng suất.

Hơn nữa, trong điều kiện thực tế, khó có thể duy trì hệ thống dẫn nước luôn đảm bảo mức thiết kế bởi vì chi phí cho việc duy trì đó là quá lớn. Hiện nay, ở hầu hết các trạm bơm đều cho thấy, sự ngập úng nếu mưa lớn xảy ra không phải là do công suất đầu mối mà đều do hệ thống chuyển tải nước không đáp ứng được yêu cầu bơm tiêu [3].

Nếu tổ hợp các yếu tố mưa thiết kế 10%; diện tích trũng nhất có khả năng ảnh hưởng năng suất chỉ có 22%; mức giảm năng suất 10% thì xác xuất xảy ra đồng thời chỉ = 0,1 x 0,22 x 0,1 = 0,22%.

Từ các phân tích trên, đề xuất mức ngập cho phép đối với giống lúa mới (lúa Bắc Thơm) bảo đảm 90% năng suất là phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật và xã hội vùng đồng bằng.

4. Thảo luận kết quả và kết luận kiến nghị

Vì điều kiện thí nghiệm chưa được nhiều vụ, nếu đưa về giai đoạn đầu (tháng 7) chiều cao cây lúa từ 25,34-30,37cm áp vào kết quả nghiên cứu trong bài viết này thì ngập 12,5cm (1/2 chiều cao cây) không quá 5-7 ngày; 18,75cm (3/4 chiều cao cây) không quá 3 ngày và 25cm (100% chiều cao cây) không quá 1-2 ngày. So với kết quả nghiên cứu chịu ngập của lúa ở Nhật Bản cách đây khoảng hơn 20 năm (nền nông nghiệp của Nhật phát triển trước chúng ta nhiều chục năm) thì giai đoạn đầu (từ 0-40 ngày) ngập 17,5cm; 20cm; 22,5cm; 27,5cm; và 30cm không quá lần lượt 5; 3; 2; 1 ngày vẫn đảm bảo 90% năng suất [5]. Hơn nữa, khi tiêu nước đảm bảo giai đoạn sinh trưởng đầu tiên (lúa thấp cây nhất) sẽ đảm bảo tiêu cho các giai đoạn tiếp theo. Do vậy, mức ngập cho phép đề xuất sẽ là ngập 12,5cm; 18,75cm; 25cm; và 30cm không quá 5; 3; 2; và 1 ngày.

Vùng đồng bằng sông Hồng rất rộng lớn, bài viết này mới chỉ thể hiện được cho 1 giống lúa mới cũng như chỉ thực hiện mô phỏng cho 1 khu vực nên khó có thể trở thành những thông tin đại diện cho cả vùng. Tuy nhiên kết quả cũng có giá trị tham khảo nhất định nếu chưa có nghiên cứu chi tiết và phạm vi rộng. Từ nghiên cứu này, kiến nghị đơn vị nghiên cứu tưới, tiêu nước đề xuất với Bộ chủ quản để tiến hành nghiên cứu mở rộng cho các giống lúa khác trên phạm vi rộng hơn để đảm bảo đại diện cho cả vùng đồng bằng sông Hồng.

Trong bài viết này cái mới là đề xuất được một phương pháp kết hợp cả thí nghiệm thực địa, lập mô hình toán và số liệu đã công bố trước đây để xác định mức ngập cho phép của một giống lúa mới. Mặt khác, sử dụng Duflow để mô phỏng hệ thông tiêu động lực không chỉ để phục vụ quy hoạch và thiết kế mà có thể sử dụng vào công tác quản lý vận hành, lập kế hoạch phương án phòng chống úng trong các hệ thống thuỷ nông vùng đồng bằng sông Hồng. Mô hình Duflow không quá phức tạp nên có thể dễ dàng chuyển giao cho các đơn vị trực tiếp quản lý công trình thuỷ lợi để hiện đại hoá quản lý vận hành các hệ thống bơm tiêu hiện nay.

Các tài liệu tham khảo

[1]. Tiêu chuẩn ngành - quy trình tưới tiêu nước cho cây lương thực và thực phẩm 14TCN 174-2006

[2] H. P. Ritzema, Lê Đình Thỉnh, NGK, 2007: Participatory research on the effectiveness of drainage in the Red River Delta, Vietnam; Irrig Drainage Syst DOI 10.1007/s10795-007-9028-0; Springer Science + Business Media B.V. 2007

[3]. Lê Đình Thỉnh, NGK: Báo cáo Nghiên cứu hiệu quả tiêu, phần B dự án Thuỷ lợi đồng bằng sông Hồng 2, khoản vay 1855-Vie(Sf) & CVN106101C, tháng 3 năm 2006.

[4]. Lê Quang Vinh, NGK, Nghiên cứu chỉnh sửa tiêu chuẩn thiết kế công trình Thuỷ lợi trong khu vực Đồng bằng Sông Hồng - Dự án Thuỷ lợi lưu vực Sông Hồng giai đoạn II, 2009

[5]. Tiêu chuẩn thiết kế hệ số tiêu cho ruộng lúa 14 TCN.60-88.

Tác giả: ThS. Đặng Ngọc Hạnh; PGS.TS. Nguyễn Thế Quảng
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi