Nghiên cứu mối quan hệ giữa mưa thực tế và mưa hiệu quả của vùng Hà Nam và thành phố Hà Nội

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MƯA THỰC TẾ VÀ MƯA HIỆU QUẢ CỦA VÙNG HÀ NAM VÀ TP HÀ NỘI PGS. TS. Trần Viết Ổn(1) ThS. Nguyễn Xuân Đông(2) (1) Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy Lợi, (2) NCS Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy Lợi Tóm tắt B»ng ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch t­¬ng quan mèi quan hÖ gi÷a l­îng m­a thùc tÕ vµ l­îng m­a hiÖu qu¶ trªn c¬ së m« pháng ®­êng qu¸ tr×nh líp n­íc mÆt ruéng. Vïng nghiªn cøu thuéc c¸c TP Hµ Néi vµ Hµ Nam. KÕt qu¶ cho thÊy: 1) §èi víi m­a trËn, t­¬ng quan gi÷a l­îng m­a hiÖu qu¶ vµ l­îng m­a thùc tÕ chØ cã ý nghÜa ®èi víi c¸c trËn m­a cã l­îng m­a nhá h¬n 20 mm. HÖ sè t­¬ng quan cña nhãm nµy ®¹t kh¸ cao (R2 > 0,9). C¸c trËn m­a cã l­îng m­a > 20 mm, t­¬ng quan gi÷a m­a hiÖu qu¶ vµ thùc tÕ lµ kh«ng chÆt (R2 < 0,5). 2) §èi víi quan hÖ gi÷a m­a thùc tÕ vµ m­a trËn theo th¸ng, t­¬ng quan gi÷a chóng theo c¸c th¸ng còng biÕn ®éng rÊt nhiÒu (R2 biÕn ®éng tõ 0,15 ®Õn 0,6). V× vËy còng rÊt khã ®Ó x©y dùng quan hÖ gi÷a m­a thùc tÕ vµ m­a hiÖu qu¶ dùa trªn c¬ së m­a th¸ng ®¶m b¶o sù tin cËy cÇn thiÕt. 3) §èi víi m­a vô, c¸c chØ tiªu thèng kª cho thÊy cã mèi quan hÖ trung b×nh gi÷a m­a hiÖu qu¶ vµ m­a thùc tÕ (hÖ sè t­¬ng quan R2 ®¹t tõ 0,5-0,6). Các từ khóa: Mưa hiệu quả; tương quan mưa; mưa tưới Abstract Using regression method for analyzing the relationship between amount of efficient and real rainfall of each duration were founded. It was shown that, the correlation between the efficient and real rainfalls of all duration were not significant. 1. Đặt vấn đề Khã kh¨n trong c¸c kh©u quy ho¹ch, thiÕt kÕ vµ vËn hµnh qu¶n lý c¸c hÖ thèng t­íi lµ viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c chÕ ®é t­íi. Cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n chÕ ®é t­íi kh¸c nhau nh­ ph­¬ng ph¸p ®å gi¶i truyÒn thèng, ph­¬ng ph¸p lËp b¶ng vµ gÇn ®©y lµ sö dông c¸c phÇn mÒm nh­ CROWAT, IRR, WBR, vv tá ra rÊt cã hiÖu qu¶. Nh­îc ®iÓm c¬ b¶n cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ c«ng thøc x¸c ®Þnh l­îng m­a hiÖu qu¶ ®­îc x©y dùng tõ thùc nghiÖm, phô thuéc chÆt chÏ vµo chÕ ®é m­a vµ chÕ ®é qu¶n lý n­íc mÆt ruéng cña vïng nghiªn cøu. Do vËy khi ¸p dông c¸c c«ng thøc nµy vµo thùc tiÔn c¸c vïng ë ViÖt Nam sÏ rÊt khã ®¹t ®­îc ®é chÝnh x¸c cÇn thiÕt, ¶nh h­ëng nhiÒu ®Õn kÕt qu¶ tÝnh to¸n nãi chung. V× vËy viÖc nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a m­a hiÖu qu¶ vµ m­a thùc tÕ trªn c¬ së chÕ ®é t­íi vµ chÕ ®é m­a cña tõng vïng phôc vô cho viÖc tÝnh to¸n chÕ ®é t­íi lóa, sö dông c¸c phÇn mÒm chuyªn dông ch­ CROPWAT, IRR vv rÊt cã ý nghÜa thùc tiÔn trong c«ng t¸c quy ho¹ch thiÕt kÕ vµ qu¶n lý vËn hµnh c¸c hÖ thèng thuû n«ng. 2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trên phạm vi 2 tỉnh Hà Nam và Hà Tây cũ. Đối với tỉnh Hà Nam, chọn đại diện là vùng tưới thuộc hệ thống thủy nông Nam Hà Nam. Đối với tỉnh Hà Tây cũ, lấy vùng tưới thuộc hệ thống thủy nông La Khê làm trường hợp nghiên cứu. Nghiên cứu được tiến hành trong 22 năm (1985-2006). 3. Cơ sở khoa học về mối quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và lượng mưa thực tế Như đã nêu ở các phần trước đó, việc tính toán chế độ tưới cho lúa dưới bất kỳ phương pháp nào cũng đều dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước có dạng: Wj= Wj-1+ RFj – ETJ - Sj + IRj – DRj (1a) Trong ®ã: Wj: Mùc n­íc ruéng cuèi thêi ®o¹n thø j Wj-1: Mùc n­íc ruéng ®Çu thêi ®o¹n thø j hay cuèi thêi ®o¹n thø j-1 RFj: M­a trong thêi ®o¹n thø j ETj: Bèc h¬i trong thêi ®o¹n thø j Sj: L­îng thÊm thêi ®o¹n thø j IRj: L­îng n­íc t­íi trong thêi ®o¹n thø j DRj: L­îng n­íc tiªu trong thêi ®o¹n thø j HiÖu cña RFj vµ DRj gäi lµ l­îng m­a hiÖu qu¶ RFhq: RFhq = RFj - DRj. (1b) L­îng m­a hiÖu qu¶ phô thuéc chÆt chÏ vµo l­îng m­a trËn vµ líp n­íc mÆt ruéng t¹i thêi ®iÓm cã m­a. Phương trình (1a) cũng có thể biến đổi thành: DRj = RFj - (Wj - Wj-1) - ETj - Sj + IRj (1c) Trong phương trình (1c), lượng mưa rơi xuống đạt hiệu quả khi lượng nước tiêu DRj là nhỏ hoặc không có. Điều này có thể đạt được khi lượng mưa rơi xuống trong thời điểm tính toán được trữ lại tối đa trên ruộng lúa. Do vậy lượng mưa hiệu quả phụ thuộc vào khả năng trữ của ruộng lúa tại thời điểm có mưa và lượng mưa (Wj) không vượt quá khả năng trữ (Wj - Wj-1) của ruộng lúa. Ở đây Wj là lớp nước mặt ruộng tối đa là yếu tố không đổi (thường từ 50 mm -:-90mm). Như vậy khả năng trữ của ruộng lúa phụ thuộc chặt chẽ vào lớp nước đầu thời đoạn tính toán. Nếu trong ruộng lúa luôn luôn duy trì một lớp nước nhỏ, khả năng trữ của ruộng lúa sẽ tăng. Điều này phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ quản lý lớp nước mặt ruộng (hay công thức tưới tăng sản khu tưới áp dụng). Nói cách khác lượng mưa hiệu quả của một khu tưới phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ tưới của hệ thống tưới. Đây là yếu tố phụ thuộc vào hệ thống tưới của lượng mưa hiệu quả. Nếu các hệ thống tưới có cùng một chế độ tưới, khả năng trữ của ruộng lúa sẽ như nhau. Từ phương trình (1b) và (1c) cho thấy, rõ ràng có thể xác định lượng mưa hiệu quả thông qua việc xác định các tham số còn lại trong các phương trình này. Phương trình 1b và 1c có thể viết lại như sau: RFhq = RFj - DRj = Wj - Wj-1 + ETj + Sj - IRj (2) - Các đại lượng Wj, Wj-1 là lớp nước mặt ruộng tại đầu và cuối thời đoạn tính toán, - Đại lượng ETj là lượng bốc hơi thực tế tại mặt ruộng trong thời đoạn tính toán j-:-(j-1). Có nhiều công thức xác định lượng bốc hơi mặt ruộng. Trong bài báo này này lượng bốc hơi được xác định theo công thức Penman trên cơ sở tài liệu nhiệt độ, giờ nắng thực tế của vùng trong năm tính toán. Cụ thể như sau: ETj = Kc . ETo (mm) (3) Trong đó: ETj: lượng bốc hơi thực tế tại mặt ruộng (mm), ETo: Lượng bốc thoát hơi tiềm năng. ETo được tính theo công thức Penman như sau: ETo = C. (W.Rn + (1-W).Fu). (ea-ed) (mm/ngày), Kc: là hệ số cây trồng. Trên cơ sở loại cây trồng là lúa, các yếu tố khí hậu như tốc độ gió, nhiệt độ, giờ nắng, vĩ độ của khu vực nghiên cứu, ETo của các khu vực nghiên cứu được xác định. - Đại lượng Sj là lượng tổn thất do ngấm. Đại lượng này được xác định trên cơ sở chất đất của vùng nghiên cứu. Khu vực nghiên cứu thuộc hệ thống La Khê lấy đại diện làn chất đất thịt trung bình. Khu vực Nam Hà Nam lấy chất đất là thịt pha sét. - Đại lượng IRj là lượng nước tưới trong thời đoạn tính toán. Đại lượng này được xác định trên cơ sở lưu lượng lấy vào đầu hệ thống La Khê và Nam Hà Nam, diện tích tưới ở các vụ trong các năm tính toán. Trong trường hợp này, tài liệu lưu lượng tưới của các vụ trong vòng 22 năm của 2 hệ thống La Khê và Nam Hà Nam được sử dụng cho việc xác định thành phần IRj . Trên cơ sở nguyên lý tính toán như đã nêu ở trên, với thực tế tưới nông thường xuyên hay nông lộ liên tiếp (Wj =50mm), lượng mưa hiệu quả (RFhq) theo mưa trận với thời đoạn là 1 ngày được xác định theo (2). Việc tính toán được lập trình dưới dạng phần mềm cải tiến phần mềm CROPWAT. 4. Nghiên cứu mối quan hệ giữa mưa thực tế và mưa hiệu quả Trên cơ sở kết quả tính toán xác định lượng mưa hiệu quả vụ Đông Xuân và vụ Hè Thu trong vòng 22 năm (1985-2008) của 2 hệ thống La Khê (đại diện cho khu vực Hà Tây cũ) và hệ thống Nam Hà Nam (đại diện cho Hà Nam), các quan hệ giữa lượng mưa thực tế và lượng mưa hiệu quả theo các thời đoạn và độ lớn của lượng mưa thực tế được phân tích. Chi tiết về các kết quả phân tích như sau: 4.1 Mối quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và lượng mưa thực tế theo trận mưa Để phân tích mối quan hệ giữa lượng mưa thực tế và lượng mưa hiệu quả, độ lớn của một trận mưa được xem xét. Việc xem xét phân nhóm độ lớn của trận mưa căn cứ vào chế độ quản lý nước mặt ruộng. Do các hệ thống tưới trên địa bàn tỉnh Hà Nam và Hà Tây cũ nói chung và hai hệ thống La Khê và Nam Hà Nam nói riêng đều sử dụng công thức tưới nông thường xuyên hay tưới nông lộ liên tiếp. Điều này có thể giải thích như sau: Tưới nông thường xuyên là thường xuyên duy trì một lớp nước trên mặt ruộng không vượt quá một giá trị amax = 50 mm và lớp nước không thấp hơn một giá trị amin = 30 mm. Vì vậy, nếu lớp nước trên mặt ruộng thường xuyên được duy trì theo công thức tưới này, lượng mưa hiệu quả sẽ không vượt quá giới hạn của lớp nước mặt ruộng amax - amin = 50 mm - 30 mm = 20 mm. Đây là giá trị phân chia ngưỡng độ lớn của một trận mưa thực tế. Đối với các hệ thống áp dụng công thức tưới nông lộ liên tiếp, giá trị của lớp nước mặt ruộng sẽ không vượt quá amax = 50 mm, và không thấp hơn giá trị amin = 0 mm. Như vậy, giá trị lượng mưa hiệu quả của một trận mưa sẽ không vượt quá giá trị amax - a min = 50 mm. Đây là cơ sở để xác định ngưỡng phân chia lượng mưa thực tế nhằm xác định mối quan hệ giữa lượng mưa thực tế và lượng mưa hiệu quả theo trận mưa. Kết quả phân tích trên đây cho thấy có thể phân chia độ lớn của lượng mưa thực tế trong việc xây dựng quan hệ giữa mưa thực tế và mưa hiệu quả theo trận mưa như sau: + Nhóm 1: nhóm có lượng mưa trận không lớn hơn RF <= 20mm, + Nhóm 2: nhóm có lượng mưa trận nằm trong khoảng 20 mm < RF <= 50 mm, + Nhóm 3: nhóm có lượng mưa trận RF > 50 mm. 4.1.1 Quan hệ giữa mưa trận RF và mưa hiệu quả RFhq của nhóm 1 (RF <= 20 mm) Việc xác định lương mưa hiệu quả cho các khu tưới La Khê (đại diện cho Hà Tây) và hệ thống Nam Hà Nam được thực hiện theo trình tự như đã trình bày ở mục 3. Quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả nhóm 1 (RF < 20 mm) của hệ thống La Khê (bao gồm 1912 trận mưa trong vòng 22 năm đã được phân tích tương quan, kết quả cho thấy hệ số tương quan giữa mưa hiệu quả và mưa trận tương đối chặt. Hệ số tương quan của nhóm mưa này đạt trị số R2 = 0,72. Các chỉ tiêu về tham số thống kê quan hệ giữa mưa thực tế và mưa hiệu quả của nhóm RF < 20 mm như ở bảng 1. Bảng 1: Tham số thống kê hồi quy RF và RFhq nhóm mưa < 20 mm hệ thống La Khê TT Phương trình hồi quy Số mẫu Hệ số tương Sai số quan R2 chuẩn 1 RFhq = 0,677 RF + 0,244 1912 0,72 28,4% Đường quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và mưa thực tế tương ứng với nhóm mưa có RF < 20 mm của trạm La Khê như ở hình 1. 25 20 15 y = 0.6772x + 0.2443 R2 = 0.72 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Mưathực tế (RF) 1 ngày< 20 (mm) Hình 1: Đường quan hệ giữa mưa hiệu quả và mưa thực tế tương ứng với nhóm mưa có RF < 20 mm của trạm La Khê. Đối với hệ thống Nam Hà Nam đại diện cho Hà Nam, việc phân tích tương quan giữa lượng mưa thực tế và lượng mưa hiệu quả của nhóm 1 (RF < 20 mm) đã được thực hiện với 2061 trận mưa trong vòng 22 năm. Kết quả cho thấy sự tương quan giữa lượng mưa trận thực tế và lượng mưa hiệu quả của nhóm mưa 1 (RF < 20 mm) của hệ thống Nam Nam Hà Nam ở mức chặt chẽ. Hệ số tương quan giữa chúng R2 = 0,97. Các chỉ tiêu thống kê về quan hệ giữa mưa hiệu quả và mưa thực tế nhóm mưa 1 hệ thống Nam Hà Nam như ở bảng 2. Bảng 2: Tham số thống kê hồi quy RF và RFhq nhóm mưa RF < 20 mm, hệ thống Nam Hà Nam TT Phương trình hồi quy Số mẫu Hệ số tương Sai số quan R2 chuẩn 1 RFhq = 0,665 RF + 0,24 1875 0,97 5,6% Đường quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và mưa thực tế tương ứng với nhóm mưa có RF < 20 mm của hệ thống Nam Hà Nam như ở hình 2. 25 20 15 y = 0.665x + 0.2443 R2 = 0.97 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Mưathực tế RF< 20 (mm) Hình 2. Đường quan hệ giữa mưa hiệu quả và mưa thực tế tương ứng với nhóm mưa có RF < 20 mm của hệ thống Nam Hà Nam 4.1.2 Quan hệ giữa mưa trận RF và mưa hiệu quả RFhq của nhóm 2 (20 mm < RF <= 50 mm) Quan hê giữa lượng mưa hiệu quả và lượng mưa thực tế nhóm 2 (20 mm < RF <= 50 mm) của hệ thống tưới La Khê đã được phân tích trên cơ sở 37 trận mưa trong vòng 22 năm cho thấy, sự tương quan giữa lượng mưa thực tế và lượng mưa hiệu quả là không đáng kể. Hệ số tương quan giữa chúng R2 = 0,03. Đường quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và mưa thực tế của nhóm mưa 2 của hệ thống La Khê như hình 3. 35 30 25 20 15 y= 0.1704x+ 7.6913 10 R2 = 0.03 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Mưa thực tế RF (20 X 50) Hình 3: Đường quan hệ giữa mưa hiệu quả và mưa thực tế tương ứng với nhóm mưa 2 (20 mm < RF <= 50 mm) của trạm La Khê. Đối với hệ thống Nam Hà Nam, quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và lượng mưa thực tế nhóm mưa 2 (20 mm < RF <= 50 mm) cũng được xác định trên cơ sở 202 trận mưa có lượng mưa trận từ 20 mm đến 50 mm trong vòng 22 năm. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa chúng rất không chặt chẽ. Hệ số tương quan giữa mưa thực tế và mưa hiệu quả là R2= 0,04. Đường quan hệ giữa lượng mưa hiệu quả và mưa thực tế của nhóm mưa 2 của hệ thống Nam Hà Nam như hình 4. ... - tailieumienphi.vn