Phương pháp xây dựng công thức thực nghiệm tính thấm trên ruộng lúa trong giai đoạn ngập nước ở đồng bằng Bắc Bộ
11/10/2013Bài viết trình bày phương pháp và kết quả nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính thấm trên ruộng lúa trong giai đoạn ngập nước. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, (i) trong các điều kiện xác định về địa chất, địa chất thủy văn trên hệ thống tưới, tốc độ thấm có quan hệ chặt chẽ với gradient thấm thông qua lớp nước mặt ruộng; (ii) sử dụng phương pháp thí nghiệm bằng thùng để xây dựng công thức thực nghiệm tính toán thấm hoàn toàn phù hợp với yêu cầu quản lý và phát triển hệ thống tưới ở nước ta hiện nay.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước trên ruộng và trong tầng đất canh tác có ảnh hưởng lớn đến các quá trình sinh hoá, phát triển, hình thành và tích luỹ chất hữu cơ của cây trồng. Chế độ nước tại mặt ruộng cũng ảnh hưởng đến các biện pháp kỹ thuật và tổ chức sản xuất của nông dân [4], [6]. Đối với ruộng lúa, việc định lượng chính xác các thành phần nước hao ở mỗi thời điểm sẽ giúp các tổ chức quản lý thuỷ nông xây dựng được kế hoạch và các kịch bản vận hành hệ thống tưới hiệu quả và triển khai các chế độ tưới phù hợp với yêu cầu dùng nước. Hầu hết các tài liệu hướng dẫn tính toán chế độ tưới ở nước ta hiện nay coi nước hao trên ruộng lúa chỉ bao gồm 02 thành phần chính: bốc thoát hơi nước và thấm. Dù vậy, do việc xác định lượng nước thấm biến đổi theo các yếu tố ảnh hưởng khá phức tạp nên lượng nước trên mặt ruộng vận động qua tầng canh tác xuống dưới được xem là hằng số trong suốt mùa vụ tính toán [2], [3]. Từ đó dễ nhận thấy, phương pháp tính toán nước hao do thấm này không phù hợp với diễn biến tại mặt ruộng, dẫn đến kết quả tính toán không sát với thực tế [1]. Để ứng dụng vào bài toán quản lý tưới, bài báo này thảo luận các phương pháp xác định lượng nước thấm trên ruộng lúa trong giai đoạn ngập và đất bão hoà nước, được triển khai ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ở nước ta hiện nay, kỹ thuật tưới cho lúa phổ biến là tưới ngập (nông thường xuyên hoặc nông - lộ - phơi). Khi ruộng lúa ngập nước, hầu như các tầng đất từ tầng đế cày đến tầng tiếp giáp với nước ngầm hay mực nước kênh tiêu đều trong trạng thái bão hoà nước. Khi áp suất của nước đủ lớn, dòng thấm xuất hiện từ mặt ruộng xuống dưới sâu. Như vậy, ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, thấm trên ruộng lúa ngập nước xảy ra phổ biến theo cơ chế thấm bão hoà. Thấm không bão hoà trên ruộng lúa chỉ xảy ra ở vùng trung du hay ruộng bậc thang, những nơi mà tầng dưới lớp đất canh tác là cuội sỏi hoặc cát [5].
Xét trên bình diện lớn của đồng bằng, một số khu vực sẽ có dòng thấm liên hệ trực tiếp với nước ngầm. Một số nơi khác, dòng thấm này có thể tiếp cận với nước trên kênh tiêu. Thông thường, nơi có dòng thấm hướng ra kênh tiêu là những vùng hoặc mực nước ngầm nằm rất sâu hoặc những ô ruộng lân cận kênh tiêu.
Trường hợp dòng thấm tiếp cận trực tiếp với nước ngầm (hình 1a), công thức xác định lượng nước thấm ổn định trên ruộng lúa có dạng [1]:
Wt = 10*KxJtxt (1)
Trong đó: Jt: gradient thấm ổn định, Jt= h+a/h;
a: lớp nước mặt ruộng, h: tầng đất từ mặt ruộng đến mực nước ngầm; t: thời gian thấm; K: hệ số thấm ổn định (mm/ngày-đêm). Khi dòng thầm từ mặt ruộng tiếp cận với nước trên kênh tiêu (hình 1b), công thức được sử dụng để tính toán thấm trên ruộng lúa có dạng [5]: Wt = Kx H/1 *xt (2) Trong đó: H: cột nước thấm (m); l: chiều dài đường thấm (m); t: thời gian thấm; K: hệ số thấm ổn định (mm/ngày-đêm). Với ruộng lúa có nhiều tầng đất khác nhau thì K được xác định như sau: Với d1, d2, d3 (hay l1, l2, l3) và K1, K2, K3 lần lượt là chiều dài đường thấm và hệ số thấm của các tầng đất tương ứng, (hình 1, đơn vị đo là m). Với từng vị trí đặc trưng cho mỗi khu tưới (về địa hình hoặc khoảng cách tương đối với kênh tiêu), hệ số thấm K dường như rất ít biến động. Cũng từ hai công thức (1), (2) cho thấy, lượng nước thấm hay cường độ thấm tại các vị trí đặc trưng đều có quan hệ với cột nước thấm. Với điều kiện tiêu thoát nước khá tốt như hiện nay thì h được xem là tương đối ổn định và Wt phụ thuộc chủ yếu vào lớp nước mặt ruộng (a) trong phần lớn thời gian trữ nước trên mặt ruộng. Vậy, thực tế trên ruộng lúa ngập nước, quan hệ giữa lượng nước thấm (Wt) và lớp nước mặt ruộng (a) tuân theo quy luật nào? Hình 1. Sơ đồ mô tả các dạng mất nước do thấm, rò rỉ trên ruộng lúa Để xác định cường độ thấm trên ruộng lúa ở vùng đồng bằng Bắc Bộ khi ngập nước, nghiên cứu này sử dụng 02 phương pháp thực nghiệm khác nhau để nghiên cứu. III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khái quát đặc điểm khu vực nghiên cứu Bảng 1. Đặc điểm đất khu thí nghiệm TT Vị trí Ký hiệu mẫu Tầng Độ dày (cm) Mô tả γkhô (tấn/m3) 1 Hồng Giang (YD1) YD1-1 canh tác 25 Sét pha màu vàng ghi 1,724 YD1-2 2 65 Sét màu xám ghi 1,374 2 Hồng Giang (YD2) YD2-1 canh tác 25 Sét pha màu vàng ghi 1,747 YD2-2 2 65 Sét màu xám ghi 1,324 3 T.trấn Neo (YD3) YD3-1 canh tác 30 Sét pha màu vàng ghi 1,535 YD3-2 2 50 Sét xám ghi, đốm đỏ 1,506 4 Tư Mại (YD4) YD4-1 canh tác 25 Sét pha màu vàng ghi 1,458 YD4-2 2 70 Sét xám ghi, đốm đỏ 1,711 5 Tư Mại (YD5) YD5-1 canh tác 25 Sét pha màu vàng ghi 1,477 YD5-2 2 70 Sét màu ghi, đốm đỏ 1,692 Nguồn: Số liệu khảo sát năm 2008, 2010 của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Nghiên cứu được thực hiện trên đất canh tác lúa ở huyện Yên Dũng, Bắc Giang, nằm kẹp giữa ngã ba sông Cầu, sông Thương và dãy núi Nham Biền. Vị trí thí nghiệm nằm ở khu vực trung tâm, cách núi Nham Biền và các sông chừng 3 km. Ở đây, mực nước dưới đất thấp hơn mặt đất từ 2,5 đến 6,0 m. Đất đai của khu vực thí nghiệm được hình thành do quá trình rửa trôi, xói mòn bề mặt xảy ra trong tự nhiên và quá trình canh tác nông nghiệp. Đất ruộng: có cao độ trung bình giao động từ +2.0 đến +4.0. Đất chủ yếu là đất sét nhẹ, sét nặng. Có thể nói, điều kiện tiêu nước ở khu vực nghiên cứu rất thuận tiện. Một số đặc trưng của đất được trình bày trong bảng 1 và 2. Hàm lượng mùn, đạm, kali, lân ở tầng đất canh tác rất cao. Đất đai ở vùng này được đánh giá là rất thích hợp với canh tác lúa. Cũng từ kết quả nghiên cứu cho thấy, các tầng đất dưới tầng canh tác rất nghèo dinh dưỡng và các khoáng chất khác. Bảng 2. Tính chất vật lý của đất canh tác khu thí nghiệm Thông số Đơn vị YD1 YD2 YD3 YD4 YD5 βbh % 70,84 70,17 73,38 70,51 72,62 βtđđr % 69,87 69,67 67,12 69,49 69,34 A % 42,7 41,2 40,46 41,08 44,32 Nguồn: Đề tài cấp Nhà nước, mã số 2007G/29 và khảo sát bổ sung năm 2010 Thiết kế thí nghiệm và phương pháp xác định tốc độ thấm - Đo thấm bằng thùng Các thùng đo thấm bằng tôn hình hộp, có kích thước bằng nhau (1,0x1,0x0,4m) được đặt tại ruộng lúa ở khu vực thí nghiệm (hình 2a). Đáy của các thùng được hạ sâu 0,3 m dưới bề mặt tầng đất canh tác (qua tầng đất sét màu xám ghi 0,05 m). Ba thùng có đáy (ký hiệu là CĐ1, CĐ2, CĐ3) và ba thùng không đáy (ký hiệu là KĐ1, KĐ2, KĐ3) được sử dụng để thí nghiệm. Nước được cấp vào thùng đến khi đất tầng canh tác ở trong đạt độ ẩm bão hoà. Sau đó tiếp tục cấp nước cho đến khi lớp nước trong thùng tương đương với lớp nước phổ biến ngoài đồng ruộng (từ 10 đến 100mm). Diễn biến mực nước được theo dõi và ghi chép theo tần suất từ 1 đến 3 ngày một lần, tuỳ theo cường độ hao nước xảy ra tại các thùng. Tốc độ thấm đo bằng thùng được xác định theo công thức: Trong đó: P(t) là tốc độ thấm đo bằng thùng (mm/ngày); hcđ là mực nước trung bình ở các thùng có đáy tại thời điểm đọc số liệu sau t2; hkđ là mực nước trung bình ở các thùng không đáy tại thời điểm đọc số liệu sau t2; t1 là thời điểm đọc số liệu trước. - Đo thấm bằng ống Đo thấm bằng ống được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp khoa học công nghệ phòng chống hạn hán phục vụ phát triển nông nghiệp bền vững ở các tỉnh miền núi phía bắc”, mã số 2007G/29. Ba cơ cấu đo được thiết kế và lắp đặt tại mặt ruộng như mô tả như hình 2b. Ống lớn hay còn gọi là bộ phận O1, O2, O3 (đường kính D = 110mm) được chôn sâu xuống tầng đất sét 0,05m, nối với bình tiếp nước ống đo (đường kính d = 10mm). Mực nước ở ống nhỏ (ống đo) được điều tiết bởi van K. Bên cạnh ống đo nước được bố trí một thước đo có chia thang đo đến milimet (chôn thẳng đứng). Diễn biến mực nước trong ống nhỏ sẽ được ghi chép theo định kỳ, ngày hai lần. Ở đây, h1 tương ứng với số đọc lần trước và h2 tương ứng với số đọc lần tiếp theo. Số liệu quan trắc sẽ được tính toán chuyển đổi sang tốc độ thấm (công thức (5)): Trong đó: P(ô) là tốc độ thấm (mm/ngày); s là diện tích ống nhỏ gắn dọc thước đo nước (cm2); S là diện tích ống lớn (cm2); L là độ sâu ống lớn chôn trong đất (cm); h1 là chênh lệch cột nước trung bình trong các ống nhỏ so với lớp nước trên ruộng tại thời điểm t1; h2 là chênh lệch cột nước trung bình trong các ống nhỏ so với lớp nước trên ruộng tại thời điểm t2; t1 và t2 giống công thức (4). Hình 2. Bố trí thí nghiệm đo thấm trên ruộng lúa Thời gian thí nghiệm: Việc theo dõi động thái của nước được bố trí ở cùng một vị trí, vào các vụ chiêm xuân 2008 và 2010. IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nghiên cứu đã triển khai đo đạc ngoài hiện trường tương ứng với 5 đợt tưới khác nhau. Qua kết quả phân tích cho thấy, cường độ thấm tăng với tốc độ chậm dần khi gradient tăng. Tốc độ thấm lớn nhất trong điều kiện thí nghiệm là 1,50 mm/ngày-đêm (đối với phương pháp thí nghiệm bằng thùng, lớp nước mặt ruộng < 10mm) và 2,15 mm/ngày-đêm (đối với phương pháp thí nghiệm bằng ống, cột nước trong ống > 400mm). Quan hệ giữa tốc độ thấm và cột nước thấm quan trắc (tính phần trên tầng đất canh tác) được thể hiện trong các hình 3 và 4. Nguồn: Đề tài cấp Nhà nước, mã số 2007G/29 Quan hệ giữa tốc độ thấm và cột nước được biểu diễn bằng các phương trình: - Phương pháp thí nghiệm bằng thùng: P(t-tn) = 0,4330xln(a+3,45) - 0,536 (6) với R2 = 0,8141 - Phương pháp thí nghiệm bằng ống: P(ô-tn) = 0,3845xln(a) - 0,537 (7) với R2 = 0,6029 Trong đó: - P(t-tn): Lượng nước thải theo ngày, thí nghiệm từng tháng - P(ô-tn): Lượng nước thấm theo ngày, thí nghiệm bằng ống - R: Hệ số xác định Trong công thức (6) và (7), a là cột nước thấm hay lớp nước trung bình tại mặt ruộng trong thời đoạn tính toán. Phương pháp thí nghiệm bằng ống thường có gradient lớn hơn nhiều so với lớp nước thực tế trên mặt ruộng cũng như trong điều kiện thí nghiệm theo phương pháp thùng. Kết quả trên đây liên hệ với thực tế rằng, thí nghiệm bằng ống chịu tác động từ các yếu tố bên ngoài (nhiệt độ ngoài ống; mức độ kín nước của van điều tiết, khớp nối...) nên độ tin cậy thấp hơn so với phương pháp thí nghiệm bằng thùng. Tuy nhiên, so sánh tương quan giữa kết quả phân tích từ hai phương pháp thí nghiệm lại cho thấy quy luật thấm trên ruộng lúa khá đồng nhất khi có cùng gradient thấm. Kết quả phân tích này được thể hiện trong hình 5. Hệ số tương quan về tốc độ thấm trên ruộng lúa được xác định bằng hai phương pháp thí nghiệm có giá trị là 0,8274 và hệ số xác định bội R2 = 0,9941. Từ phân tích trên đây cho thấy, để tính toán cân bằng nước tại mặt ruộng, sử dụng công thức xác định tốc độ thấm theo phương pháp thí nghiệm bằng thùng được lựa chọn sẽ thích hợp hơn. V. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Thấm trên ruộng lúa trong điều kiện ngập và đất bão hoà nước là một thành phần hao nước quan trọng, cần được xem xét cẩn thận khi xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống và xây dựng phương án vận hành hợp lý các công trình thuỷ lợi. Mặc dù vậy, nước thấm rất khó xác định vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong khi đó, các yếu tố này tương đối biến động theo cả không gian và thời gian. Điều đó dẫn đến các công thức kinh điển tính toán thấm trên ruộng lúa thường khó áp dụng trong thực tế khi không đủ các nguồn lực để xác định các yếu tố biến động đã đề cập. Vì vậy, phương pháp thực nghiệm rất phù hợp đối với nhiều trường hợp nghiên cứu phát triển và quản lý hệ thống tưới. Với hai phương pháp thí nghiệm thấm trên mặt ruộng trong điều kiện ngập và đất bão hoà nước đã được triển khai ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ cho thấy, sử dụng thùng đo thấm có độ chính xác cao hơn. Công thức thực nghiệm tính toán thấm theo lớp nước ngập được xác định là P(t-tn) = 0,4330xln(x+3,45) - 0,536 (công thức (6)) cho kết quả tính toán đáng tin cậy, hệ số xác định bội của tương ứng là R2 = 0,8141. Phương pháp thí nghiệm thấm bằng thùng có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nên hoàn toàn có thể triển khai ở nhiều vị trí khác nhau để đánh giá lượng nước thấm cho từng khu vực điển hình của hệ thống. Lời cảm ơn: Tác giả chân thành cảm ơn PGS.TS Đoàn Doãn Tuấn, chủ nhiệm và nhóm cán bộ khoa học thực hiện đề tài độc lập cấp nhà nước, mã số 2007G/29, đã tạo cơ hội để tác giả được hợp tác và chia sẽ số liệu nghiên cứu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tống Đức Khang, 1995. Bài Tập Thuỷ Nông. Tài liệu giảng dạy đại học. Nhà Xuất bản Nông nghiệp. 115 trang. [2] Trường Đại học Thuỷ lợi, 1972. Giáo Trình Thuỷ Nông. Tập I. Nhà Xuất bản Nông thôn. 513 trang. [3] Vương Đình Đước và cộng sự, 1985. Kết Quả Thí Nghiệm Chế Độ Tưới Của Một Số Giống Lúa Mới Trên Đất Phù Sa Sông Hồng. Một số kết quả nghiên cứu về khoa học thuỷ nông. Nhà Xuất bản Nông nghiệp. tr.16-26. [4] Bouman B.A.M and To Phuoc Tuong, 2000. Field Water Management to Save Water and Increase Its Productivity in Irrigated Lowland Rice. Agricultural Water Management No.1615 (2000). pp 1-20. [5] Fujiob Yamazaki, 1998. Paddy Field Engineering. ISBN 974-8209-148. Second Edition, Printed in Thailand. 425 pages. [6] Uphoff N., 2007. Reducing The Vulnerability of Rural Households Through Agroecological Practices: Considering the System of Rice Intensification (SRI). Mondes en Développement, 35: 4. Tác giả: ThS. Trần Văn Đạt Tạp chí KH&CN Thủy lợi
(3)
Hình 3. Đường đặc tính thấm trên ruộng lúa (thí nghiệm bằng thùng) Hình 4. Đường đặc tính thấm trên ruộng lúa (thí nghiệm bằng ống) 
Hình 5. Tương quan giữa tốc độ thấm được xác định bằng hai phương pháp thí nghiệm
Viện Kinh tế và Quản lý Thủy lợi
Ý kiến góp ý:
