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

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM

TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC CHO LÚA

ThS. Nguyễn Xuân Đông,

KS. Phạm Tất Thắng,

PGS. TS. Trần Viết Ổn

1. Mở đầu

Khác với tưới thông thường, quy trình tưới tiết kiệm nước có thời gian phơi

ruộng. Trong thời kỳ này, thành phần hao nước do thấm bằng 0, thành phần hao nước

do bốc hơi tổng số giảm do độ ẩm đất giảm. Do vậy phải bổ sung hệ số đất Ks vào

trong công thức xác định ETc. Phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa

sử dụng phần mềm CROPWAT để tính toán lượng bốc hơi ETo trên cơ sở bổ sung hệ

số đất Ks vào thông số tính toán ETc và thay thế việc xác định lượng mưa hiệu quả

theo công thức hồi quy bằng việc xác định trực tiếp lượng mưa hiệu quả trên cơ sở

lượng mưa thực tế, gắn với lớp nước mặt ruộng tại thời điểm có mưa.

2. Cơ sở khoa học và thuật toán

Cơ sở khoa học của việc xác định chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa được xác

định dựa vào phương trình cân bằng nước, viết cho một khu vực trong một thời đoạn

nào đó. Bao gồm việc xác định mức tưới, thời gian tưới và số lần tưới.

- Lượng nước đến bao gồm:

+ Lượng nước tưới

+ Lượng mưa

+ Lượng nước mặt chảy từ khu vực khác chảy vào

+ Lượng nước ngầm có thể sử dụng được

- Lượng nước đi bao gồm:

+ Lượng nước bốc hơi mặt ruộng

+ Lượng nước ngấm xuống nước ngầm tầng sâu

+ Lượng nước mặt chảy khỏi khu vực (lượng nước tiêu)

Nguyên lý tính toán cơ bản vẫn là chia toàn bộ thời kỳ sinh trưởng của lúa thành

những thời đoạn nhỏ, xác định các thành phần trong phương trình cần bằng nước của

các thời đoạn tính toán. Phương trình có dạng sau:

W_ci= W_oi+ M_i+ P_i– (K_i+ E_i) – C_i

Hay:

W_ci= W_oi+ M_i+ P_hq– (K_i+ E_i)

Trong đó

- W_cilà lớp nước mặt ruộng cuối ngày (mm).

- W_oilà lớp nước mặt ruộng đầu ngày (mm).

- M_ilà lượng nước cần tưới (mm).

- P_ilà lượng nước mưa trong thời đoạn tính toán (mm).

- K_ilà lượng nước ngấm (mm).

- C_ilà lượng nước tháo (mm).

- P_hqlà lượng mưa hiệu quả (mm). P_hq= P_i– C_i.

- E_ilà lượng nước bốc hơi tổng số (mm).

- i là thời đoạn tính toán.

Việc xác định mức tưới M_itrên cơ sở xác định các thành phần của phương trình

cân bằng nước sao cho lớp nước mặt ruộng luôn duy trì theo công thức tưới tăng sản

(nằm trong phạm vi a_min a_max), khi lớp nước mặt ruộng ở mức a_minhoặc dưới mức

a_minthì bắt đầu tưới, tưới đến mức a_maxthì dừng tưới. Các thành phần P_i, K_iđều được

xác định trên cơ sở lượng mưa và lượng nước ngấm trong thời đoạn tính toán. Trong

điều kiện đủ nước, thành phần E_iđược xác định theo công thức:

E_i= ETc = Kc x ETo.

Trong đó: ETc: lượng bốc hơi tổng số thực tế (mm),

Kc: Hệ số cây trồng,

ETo: Lượng bốc hơi tổng số tiềm năng,

Tuy nhiên, trong tưới tiết kiệm nước, có quá trình phơi ruộng, E_iđược xác định

theo công thức:

E_i= ETc = Ks x Kc x ETo.

Trong đó: Ks là hệ số đất, phụ thuộc vào độ ẩm đất. Ks = 1 khi độ ẩm đất lớn hơn

một giá trị nào đó (khoảng 80-90% độ ẩm bão hòa), Ks < 1 khi độ ẩm đất nhỏ hơn độ

ẩm bão hòa (Quan hệ giữa hệ số đất và độ ẩm đất được xác định thông qua thực

nghiệm). Việc đưa hệ số đất Ks vào công thức xác định lượng nước hao do bốc hơi

trong tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa là điểm cải tiến của phần mềm này

nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình hao nước xảy ra trên ruộng .

Một vấn đề nữa là thành phần a_mintrong tưới tiết kiệm nước. Do mặt ruộng được

phơi, một phần lượng nước chứa trong đất bị bốc hơi nên độ ẩm đất trong giai đoạn

này nhỏ hơn độ ẩm bão hòa. Do vậy để đưa độ ẩm ban đầu β_ivề độ ẩm bão hòa β_bh,

cần thiết phải bổ sung một lượng nước là

m_i= (β_bh- β_i) x h_ix ω.

Trong đó: - h_i: là chiều sâu tầng đất nằm trong chiều sâu bộ rễ hữu hiệu của lúa.

- ω là diện tích tính toán.

Nếu β_bh, β_itính theo % thể tích đất, h_itính theo mm, ω tính theo 1 ha, m_isẽ trở

thành:

m_i= 10 x (β_bh- β_i) x h_i(mm).

Ở đây khi độ ẩm đất nhỏ hơn giá trị độ ẩm bão hòa, để bắt đầu tạo thành lớp

nước mặt ruộng khi tưới cần thiết phải có một lượng nước là m_iđể làm cho đất từ độ

ẩm ban đầu đạt đến trị số độ ẩm bão hòa. Khi tưới nhỏ hơn trị số này, trên ruộng

không tạo thành lớp nước mặt ruộng. Do vậy để phù hợp, trong tính toán chế độ tưới

lấy trị số âm để biểu thị giá trị a_min. Như vậy trong tưới tiết kiệm nước, a_minchính là giá

trị m_i. Xét trên 1 ha canh tác, giá trị a_mintrở thành:

a_min= - m_i= - 10 x (β_bh- β_i) x h_i

Trong đó: m_i: là lượng nước cần thiết để độ ẩm đất từ giá trị ban đầu về giá trị

độ ẩm bão hòa. Trị số này phụ thuộc vào β_ilà giới hạn độ ẩm nhỏ nhất mà lúa có thể

chịu được trong thời kỳ sinh trưởng nào đó.

Đối với các giống lúa thông thường, khả năng chịu hạn kém và rất mẫn cảm với

sự thiếu nước. Thực tế cho thấy khi độ ẩm đất giảm xuống dưới 70% giá trị độ ẩm toàn

phần, lúa bắt đầu giảm năng suất. Tuy nhiên giá trị này còn tùy thuộc vào thời kỳ sinh

trưởng của lúa. Với các loại hình đất lúa hiện nay, giá trị độ rỗng đất dao động từ 0,4

đến 0,5, chiều sâu bộ rễ lúa khoảng 15 cm. Nếu chọn độ ẩm đất tối thiểu là 70% độ ẩm

toàn phần (độ ẩm tương ứng với giá trị sức chứa ẩm toàn phần). Như vậy:

m_i= - (18  23) mm.

Giá trị m_itrên đây tương ứng với giá trị lượng bốc hơi tổng số trên ruộng lúa từ

3-4 ngày về vụ mùa và 5 đến 7 ngày về vụ chiêm xuân.

Việc xác định chính xác lượng mưa hiệu quả là một vấn đề rất quan trọng vì nó

quyết định đến độ tin cậy của mức tưới tính toán. Lượng mưa hiệu quả được xác định

căn cứ trên cơ sở lượng mưa thời đoạn ngắn và lớp nước mặt ruộng tại thời điểm có

mưa. Công thức có dạng:

P_hq= P_inếu a_max- W_oi>= P_i,

P_hq= a_max- W_oinếu a_max- W_oi< P_i,

P_hq= 0 nếu W_oi>= a_max

.

Hình 1. Sơ đồ diễn biến lớp nước mặt ruộng

Trên cơ sở thuật toán và cơ sở khoa học nêu trên, việc xây dựng phần mềm tính

toán chế độ tưới tiết kiện nước cho lúa được thực hiện trên cơ sở các tham số về ETo

được lấy theo kết quả tính toán của CROPWAT, (Phần mềm thiết kế được kết nối với

CROPWAT để lấy trị số ETo). Thuật toán và trình tự tính toán được thực hiện theo sơ

đồ khối. Sơ đồ khối có dạng như ở hình 2.

START

Nhập số liệu:

Giai đoạn sinh trưởng, Công thức tưới,

ET_o, K_c, K₁, , Ks-W, K, N, a₀, t_g, m_i

i = 1

Tính: K_i

K_i= K_bkhi 0 < t_i t_b

K_i= K_ôđkhi t_b< t_i t_n+ t_st- t_b

e_hi= _tie_i, P_sdi= _iP_i, h_0i= a_0t+ a^’_0t^’_t, C_i= a_i(1 - t/t_g)

_ti, _i, ^’_ttheo 3 thời kỳ: Đầu, giữa và cuối vụ

Giả thiết m_i

h_ci= h_0i+ m_i+ P_sdi- (e_hi+ K_i) - C_i

S

a_mimi h_ci a_maxi

Đ

i = i + 1

i > N

S

In kết quả

m_i~ t_i

STOP

Hình 2. Sơ đồ khối xác định mức tưới M_i

3. Chọn ngôn ngữ lập trình và thiết kế phần mềm

Hiện nay tại Việt Nam, phần lớn các máy tính cá nhân đang được cài đặt hệ

điều hành Microsoft Windows. Để xây dựng và phát triển các phần mềm ứng dụng,

như phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm, mà có thể hoạt động tốt trên hệ điều

hành Windows, nền tảng hệ thống .NET (đọc là “dot net”) mà hãng Microsoft cung

cấp tỏ ra được ưa chuộng trong cộng đồng phát triển phần mềm. Hệ thống .NET cung

cấp một thư viện lập trình phong phú cho phép phát triển các ứng dụng một cách

nhanh chóng, dễ dàng và hiệu quả với giao diện đồ họa Windows hiện đại và thân

thiện người sử dụng. Mô hình ứng dụng .NET có thể được nhìn một cách giản đơn như

trong hình 3. Thay vì chạy trực tiếp trên hệ điều hành Windows, phần mềm ứng dụng

bây giờ được thực thi và quản lý bởi môi trường .NET. Điều này mang lại một số lợi

ích như cho phép thực hiện hiệu quả các cơ chế về an ninh, quản lý bộ nhớ tự động,

tương tác với các hệ thống khác, v.v…

Phần mềm ứng dụng .NET

Môi trường .NET

Hệ điều hành Windows

Hình 3. Mô hình ứng dụng .NET

Để phát triển các phần mềm ứng dụng .NET, có nhiều lựa chọn ngôn ngữ lập

trình khác nhau như C# (đọc là “C sharp”), Visual Basic .NET hoặc Visual C++ .NET.

C# là một ngôn ngữ lập trình mới, được thiết kế chuyên cho nền .NET, cho phép lập

trình viên khai thác hiệu quả các tính năng của môi trường .NET. Đây cũng chính là

ngôn ngữ lập trình được chọn cho việc phát triển phần mềm tính toán chế độ tưới tiết

kiệm.

Trên cơ sở cải tiến thuật toán, phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước

cho lúa được thiết kế với giao diện đồ họa nhằm làm thuận tiện cho việc nhập số liệu

cũng như dễ dàng quan sát các kết quả (dưới dạng bảng hoặc biểu đồ cột). Các mô-đun

chính của phần mềm bao gồm:

 Mô-đun đọc ghi file (tệp tin):

- Đọc ghi các file lượng mưa.

- Đọc các file lượng nước bốc hơi ETo.

- Đọc ghi các file chế độ tưới.

 Mô-đun thiết lập các thông số tính toán

 Mô-đun tính toán chế độ tưới tiết kiệm

Các giai đoạn tính và

các thông số tính toán

Lượng bốc

hơi ETo

Lượng mưa

Tính toán chế độ tưới tiết kiệm

Chế độ tưới

Hình 4. Mô hình tính toán của phần mềm

Trên cơ sở kết nối phần mềm CROPWAT để nhận file kết quả ETo, các thông

số khác như lượng mưa, cây trồng, quan hệ Ks và độ ẩm đất, công thức tưới tiết kiệm

nước.v.v.. được lấy từ file dữ liệu hay nhập trực tiếp từ bàn phím, chế độ tưới tiết kiệm

nước cho lúa được xác định.

4. Kết luận

Phần mềm tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước cho lúa có những ưu điểm nổi

bật như sau:

+ Lượng mưa được lấy trực tiếp từ lượng mưa thực tế, không phải quy đổi ra lượng

mưa hiệu quả như trong phần mềm CROPWAT. (Trong phần mềm CROPWAT lượng

mưa hiệu quả được quy đổi từ lượng mưa thực tế theo công thức hồi quy phụ thuộc

chặt chẽ vào vùng nghiên cứu, không tính đến lớp nước mặt ruộng tại thời điểm tính

toán). Do vậy sự cải tiến này sẽ làm tăng độ chính xác của phương pháp tính và làm

cho người sử dụng dễ dàng hơn trong tính toán.

+ Do tưới tiết kiệm nước, trên ruộng có thời gian khô nước, độ ẩm nhỏ hơn độ ẩm

đồng ruộng nên trong thời kỳ này lượng bốc hơi tổng số thực tế sẽ phụ thuộc vào độ

ẩm đất. Do vậy cần phải đưa hệ số đất Ks vào trong công thức tính toán ETc. Phần

mềm mới có cải tiến này phù hợp với quy luật bốc hơi và làm tăng độ chính xác trong

tính toán chế độ tưới tiết kiệm nước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Batta R.K On-farm water managerment in major irrigation comands of India. Paper

presented at the workshop on “People Participation in irrigation system management

to enhance agricultural production”, 1998.

2. Hatta, S. Water comsumption in paddy field and water saving rice culture in

tropical zone; Jpn. Trop. Agric. 11, 1967.

3. GS.TS. Bùi Hiếu; Hướng dẫn tính toán nhu cầu nước và quản lý tưới cho cây trồng

cạn theo chương trình CROPWAT FOR WINDOWS 4.3 của tổ chức FAO trong điều

kiện Việt Nam; Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ; 2004.

4. 3. Thái Đình Hòe, Phương pháp luận và phương pháp tính toán tưới và tiêu nước

mặt ruộng vùng trồng lúa đồng bằng Việt Nam, Luận án PTSKHKT, 1991.