Tính toán thiết kế hệ thống tưới cho vườn cây ăn trái

Ngoài phương pháp tưới thủ công, các phương pháp tưới còn lại đều cần được thiết kế, tính toán các thông số cho phù hợp. Nhìn chung, các phương pháp tưới có dùng ống đều có cùng nguyên lý tính toán trên cơ sở môn học cấp thoát nước và thủy lực đường ống, đó là: xác định diện tích tưới, nguồn nước, nhu cầu nước tưới phù hợp với từng loại cây trồng, diện tích, địa hình vùng tưới.Từ các thông số này, ta sẽ tính toán đường kính ống chính, ống phụ, ống nhánh, vận tốc nước chảy trong ống, áp lực nước trong ống; tính toán chiều dài của các loại ống, các chi tiết nối (co, tê, van, lơi vv…), số lượng các bét phun, bét đế chân, ống dẫn đến gốc vv..và cuối cùng là lập bảng tổng hợp số lượng các loại vật tư, tính toán chí ít mua vật tư, tiền công xây lắp vv..
 
Để thiết kế hệ thống tưới nước cho đồng ruộng, cần quan tâm đến các vấn đề sau:

– Hình dạng vùng tưới như thế nào?

– Diện tích vùng tưới lớn nhỏ ra sao ?

– Số cây cần cung cấp nước tưới trên đồng?

– Nhu cầu nước của loại cây trồng/đơn vị thời gian (lít/ngày).

– Địa hình khu tưới như thế nào?

Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào khác hơn là phải đo đạc.Nếu có điều kiện thì dùng máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ quang cơ để đo đạc địa chính, địa hình toàn khu đất.Nếu vùng tưới rộng (trên 5 ha), nhất thiết nên thuê các đơn vị tư vấn đo đạc bài bản cả địa chính lẫn địa hình; trong trường hợp diện tích nhỏ (một, vài ha); có thể dùng máy định vị cầm tay (hiện nay rất phổ biến) hoặc cùng lắm dùng thước dây để đo, vẽ lại hình dáng khu đất theo tỷ lệ nhất định, ghi ra kích thước từng cạnh và tính diện tích khu đất, cũng cần xác định mé nào cao, mé nào thấp trong khu đất; chênh cao giữa cạnh này đến cạnh kia là bao nhiêu (mét).

Khi đã có “cái nền” là hình dáng, diện tích khu đất, ta bắt đầu phát họa sơ đồ bố trí cây trồng.

Tùy thuộc loại cây trồng, ta xác định lần tưới và nhu cầu nước cho mỗi lần tưới.

Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữa ẩm của đất. Cùng là trồng cây xoài, nhưng trồng trên đất sét, số lần tưới/tháng sẽ ít hơn xoài trồng trên đất cát do đất sét có khả năng giữa nước tốt hơn đất cát.

Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồn nước.Trong sản xuất, sẽ dựa vào thực tế đất đai, thời tiết để điều chỉnh số lần tưới cho phù hợp.
 
Nhu cầu nước/lần tưới là thông số quan trọng để tính toán, thiết kế hệ thống tưới và tính toán nguồn nước.Chuyên ngành thủy lợi có bảng tra nhu cầu nước cho các loại cây trồng/vụ hoặc ngày; tuy nhiên, nông dân cũng có nhiều kinh nghiệm thực tế để xác định nhu cầu nước tưới cho mỗi loại cây trồng.Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trồng ít hơn nhiều so với lượng nước ta cung cấp; do vậy mà lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới.Thông thường nhu cầu nước tưới cho một cây lâu năm/lần tưới giao động từ 5-10 lít (tưới nhỏ giọt); 15-20 lít (tưới phun tia) 30 đến 40 lít nước (tưới rãnh, tưới phun mưa).

Từ xác định được nhu cầu nước của cây cho mỗi lần tưới, số lần tưới/tháng, số tháng cần tưới, ta xác định được nhu cầu nguồn nước tưới.

Ví dụ: Ở miền nam, mùa khô bắt đầu từ tháng 11 và kết thúc vào cuối tháng 4 năm sau, như vậy có 5 tháng cần tưới/năm.Tùy theo loại cây trồng và tính chất đất, ta xác định số lần tưới/tháng, ví dụ là 6 lần/tháng (5 ngày tưới 1 lần), và lượng nước cần tưới cho mỗi cây là 20 lít cho 1 lần tưới, ta tính được:

Tổng nhu cầu nước/năm = 5 (tháng) x 6 (lần/tháng) x20 lít (lần tưới/cây) x 2.000 (cây/ha) =2.000.000 lít/ha/năm, hoặc 2.000 m3/ha/năm.

Nếu bạn trồng 3 ha, nhu cầu nước thực tế để tưới cho cho cả mùa khô là 6.000 m3, như vậy, nếu trữ nước trong hồ, thì dung tích hồ phải dự trữ từ 7.000-8.000 m3  (bao gồm cả lượng nước bốc hơi, hao hụt khác); còn nếu khoang, đào giếng để lấy nước tưới, sau khi hoàn thành, người ta cũng xác định được khả năng cung cấp nước của giếng để bạn tiện tính toán số lượng giếng phải khoang/đào cho phù hợp.

Nếu đồng ruộng gần kênh thủy lợi hoặc có suối nước chảy quanh năm thì việc tính toán nguồn nước là không cần thiết.

Nếu bạn chỉ tưới cho 1 ha trở lại thì chỉ là 1 khu tưới; nhưng nếu diện tích tưới lớn hơn phải phân chia vùng tưới thành nhiều khu tưới.Theo kinh nghiệm, một khu tưới có diện tích khoảng 1 ha trở lại là phù hợp.Nếu chia khu tưới quá lớn, hoặc có tham vọng tưới 1 lần cả hàng chục, hàng trăm ha, khi đó, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất lớn – > không có hiệu quả kinh tế.Cách tốt nhất là tưới lần lượt từng khu tưới, mỗi khu tưới rộng khoảng 1 ha, thời gian tưới mỗi khu khoảng 1-2 giờ là đẹp.

Khi phân chia khu tưới, bạn phải lên bản vẽ thể hiện rõ hình dáng, diện tích từng khu tưới, kích thước các cạnh của khu tưới, vẽ các hàng cây và chiều dài mỗi hàng cây, từ đây ta sẽ tính được số lượng cây trồng trong mỗi khu tưới; tính ra đường kính, chiều dài của đường ống chính.

Ví dụ: vùng tưới trên 3 ha, được chia thành 3 khu tưới.Loài cây trồng là cây chuối được trồng hàng cách hàng 2,5 m, cây cách cây 2 m, mật độ trồng 2.000 cây/ha.

Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó, ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọn loại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa – tốn tiền vô ích, ống nhỏ quá không cung cấp đủ nước cho khu tưới, ống dõm quá sẽ bị xé vỡ -> tốn kém…) .
Ngoài ra, ta cần tính vị trí lắp đặt đường ống chính và chuyển họa nó lên bản vẽ.Thông thường nếu khu tưới có địa hình thấp dần thì ta bố trí đường ống chính đi theo cạnh có cao độ lớn nhất của khu tưới, nhờ đó khi xả nước ra khỏi đường ống chính, nước sẽ có khuynh hướng chảy từ nơi cao đến nơi thấp – > có lợi về năng lượng.

Nếu đất tương đối bằng phẳng hoặc gợn sóng nhô cao ở giữa đồng đất thì nên bố trí đường ống chạy dọc theo các đỉnh cao xuyên qua đồng đất để chia nước tưới về hai phía.

+ Tính chiều dài đường ống chính:

Dùng thước kẻ ly đo tổng chiều dài đường ống chính trên bản vẽ, nhân với tỷ lệ bản vẽ để xác định tổng chiều dài thực của đường ống chính.(Nếu bạn biết sử dụng máy vi tính và phần mềm AutoCAD hoặc các phần mềm chuyên dùng thì việc” vẽ vời” này dễ như trở bàn tay).

+ Tính toán đường kính của đường ống chính:

Để tính toán được kích thước của đường ống chính ta cần xác định tổng nhu cầu nước tưới cho một lần tưới cho khu tưới lớn nhất của vùng tưới.

Căn cứ vào chiều dài của mỗi hàng ta tính được số cây/hàng bằng công thức:

Ví dụ: chiều dài hàng thứ nhất là 102m, cự ly trồng 2m/cây; số lượng cây trồng trên hàng là: 102/2=51 +1= 52 cây.

Cứ thế ta tính số lượng cây trên từng hàng của khu tưới, cộng tất cả số cây trồng trong mỗi khu tưới lại.Ở đây lấy ví dụ: khu tưới 1 trồng 2.102 cây; khu tưới 2 trồng 1.956 cây; khu tưới 3 trồng 2.473 cây; tổng số cây trồng trong vùng tưới là: 2.102 +1.956 +2.473=6.531 cây.

Ta thấy: số cây lớn nhất của 1 trong 3 khu tưới là 2.473 cây.Đây là thông số được chọn để tính toán đường kính ống chính; vì với phương pháp tưới luân phiên cho từng khu tưới, khi đã tưới được cho khu tưới có số lượng cây nhiều nhất thì đương nhiên sẽ tưới thoải mái cho các khu tưới có số lượng cây ít hơn.

Trong ngành nước có công thức thông dụng để tính toán đường kính ống như sau:
 

Q: lưu lượng dòng nước chảy qua ống (m3/s).

S: tiết diện đường ống = R2 *Pi (R là bán kính đường ống, Pi=3,1416)

v: Vận tốc nước chảy trong ống (m/s).

Công thức trên được viết lại như sau:

R: bán kính ống dẫn; Pi: hằng số Pi=3,1416, v: vận tốc nước chảy trong ống.Vì 3,14/4=0,785 nên ta có thể thay vào viết công thức tính đường kính ống dẫn:

Ví dụ cụ thể:

Trở lại với 3 khu tưới nói trên, khu tưới có số lượng cây trồng nhiều nhất là khu tưới 3 với 2.473 cây; ta tính được nhu cầu nước cho lần lần tưới cho khu tưới 3:
 

Giả sử, ta muốn hệ thống tưới cho khu tưới khoảng 2 giờ thì tưới xong, ta sẽ tính được lưu lượng nước chảy trong ống = 54,85/7.200 =0,007619 m3/s (vì 1 giờ có 3.600 giây, tính ra 2 giờ =7.200 giây).

Vận tốc nước chảy trong ống theo quy phạm không được vượt quá 3m/s (vận tốc nước chảy trong ống quá lớn sẽ xé vở đường ống, nhưng vận tốc nưóc chảy quá nhỏ thì đường kính ống phải lớn -> tốn kém); trong hệ thống tưới nông nghiệp ta thường chọn vận tốc chảy trong ống từ 0,5 đến 1 m/s.Vận tốc kinh nghiệm thường áp dụng là 1m/s.

Với Q=0,007619, và vận tốc nước chảy trong ống là 1m/s; thay vào công thức trên ta tính được đường kính ống chính:

Với kết quả này, ta có thể chọn đường kính ống chính =90mm.

Giả sử bạn đang tồn kho loại ống PVC loại có D=60 mm, bạn có thể vận dụng công thức trên tính toán ngược lại, với giả thuyết: nếu sử dụng ống PVC có D=60mm thì vận tốc nước chảy trong ống là bao nhiêu và thời gian tưới cho khu tưới 3 là bao lâu?

Nhìn chung, quan hệ giữa đường kính ống, vận tốc nước chảy trong ống và thời gian tưới là bài toán kinh tế, người thiết kế phải cân nhắc sao cho lợi ích kinh tế mang lại cho chủ đầu tư là tối ưu nhất.

+ Xác định công suất và chọn máy bơm:

Các máy bơm thông thường cở 1,5 HP thường có công suất (ghi trên nhãn) là từ 15-36 m3/giờ.Nhìn chung, loại máy bơm có cùng công suất tiêu thụ điện năng, nếu công suất bơm thấp thì có khả năng đưa nước lên cao hơn và ngược lại.

Căn cứ vào chiều cao cột nước (tính từ đáy giếng hoặc đáy hồ – nơi đặt đầu Pin, đến nơi nước bơm lên cao nhất trên đồng ruộng) để chọn loại máy bơm phù hợp.

Như bài toán cụ thể trên đây, nếu cột nước <5 m, ta có thể chọn máy bơm loại 1,5 HP; công suất tưới từ 25-35 m3/giờ là phù hợp; vì khi sử dụng trong thực tế, ta có thể điều chỉnh tăng, giảm thời gian tưới chút ít để trượng nước tưới đảm bảo yêu cầu của mình.Nếu cột nước tưới cao hơn và khu tưới không lớn ta chọn máy bơm có công suất nhỏ hơn và ngược lại.
 

Một đường ống chính sẽ có nhiều đường ống nhánh mỗi đường ống nhánh xuất phát từ đường ống chính mang nước tưới cho 1 vùng diện tích trong khu tưới.Trong thiết kế, ta cần phân bổ vùng tưới của các đường ống nhánh gần bằng nhau để có đường ống nhánh tương đối đồng đều về đường kính.

Đường ống thứ cấp là đường ống đi xuyên qua sát hàng cây, mang nước tưới đến cho các cây trồng có trong hàng.

Các thông số cần tính toán đối với đường ống nhánh cũng là xác định chiều dài đường ống và đường kính ống.Phương pháp tính toán chiều dài đường ống và đường kính ống cũng giống như tính toán ở trường hợp đường ống chính: dùng thước kẻ ly đo chiều dài trên bản vẽ rồi nhân với tỷ lệ bản vẽ; tính toán đường kính ống bằng cách xác định số cây cần tưới mà đường ống nhánh đó phụ trách, từ đó tính ra lưu lượng nước chảy trong ống; vận tốc nước chảy trong ống vẫn chọn là 1 m/s.Tùy theo diện tích mà ống nhánh đó tưới đến, ta sẽ tính ra đường ống nhánh có các kích cở khác nhau (ra đến số lẻ); sau đó, ta làm tròn số cho phù hợp với đường kính quy chuẩn có bán ngoài thị trường (các cở ống 16,21,27,32 mm vv).

Việc đo vẽ, tính toán bằng phương pháp thủ công chỉ nên áp dụng khi khu tưới có diện tích nhỏ và hình dáng khu đất tương đối đơn giản, ít góc cạnh (hình chữ nhật, hình vuông, hình thang vv…) .Đối với vùng tưới có diện tích lớn, để việc tính toán được đảm bảo chính xác, thông thường ta phải sử dụng các phần mềm đồ họa chuyên dùng để lập bản vẽ, xác định chiều dài của các tuyến ống và dùng phần mềm excel để tính toán đường kính ống chính, ống nhánh và ống thứ cấp.

Trong ngành cấp thoát nước, người ta còn tính toán hao hụt năng lượng dẫn đến giảm áp lực nước do các co, cút, van, chỗ ống cong..tác động vào.Tuy nhiên, đây là bài viết cho nông dân nên chúng tôi giản lược và bỏ qua những tác động đó, coi như đây là bài toán gần đúng, và thực tế có thể áp dụng trong việc thiết kế hệ thống tưới cở nhỏ mà không bị ảnh hưởng gì lớn và có thể tự điều chỉnh được (ví dụ: có thể tăng thời gian tưới lên chút ít để bù vào sai số do tính toán).
 

1 - Hồ chứa 
2 - Van tổng của đường ống chính
3 -  Đường ống chính,
4 - Đường ống nhánh;
5 - Đường ống thứ cấp (ống phân phối) – thường đi theo đường bình độ.

Nếu diện tích khu tưới nhỏ, có thể không dùng ống nhánh mà gắn thẳng ống phân phối vào ống chính.

Đối với phương pháp tưới tràn, các ống nhánh 4 được thay bằng mương, rãnh; các ống cấp 5 được thay bằng mương thứ cấp.

Với các phương pháp tưới nêu trên, theo chúng tôi, người nông dân rất hạn hẹp ta về vốn đầu tư, đặc biệt là giai đoạn đầu khởi sự kiến thiết cơ bản, có hàng chục thứ phải chỉ tiêu, do đó mà chọn ra mô hình tưới nào phù hợp nhất, vừa với túi tiền của chủ đầu tư là điều cần suy xét, tính toán.Sau này, khi có thu hoạch, ta có thể cải tiến, bổ sung để hệ thống tưới hoàn chỉnh.

Theo đó, nếu quá khó khăn về vốn, và điều kiện địa hình cho phép (khu tưới bằng phẳng hoặcốc độ nghiêng tương đối đồng đều) bà con nên chọn mô hình tưới rãnh, vì mô hình này chỉ cần đầu tư máy bơm, đường ống chính là đủ, các đường ống nhánh, đường ống thứ cấp được thay bằng mương rãnh nhỏ nên không tốn tiền mua ống.Tuy nhiên, Mô hình tưới rãnh sẽ không thể áp dụng khi khu đệm có địa hình lồi lõm, bị chia cắt mạnh.

Nếu không áp dụng được mô hình tưới rãnh, bà con nên chọn mô hình tưới phun tia; lợi thế của mô hình này là toàn bộ đường ống chính, đường ống nhánh, đường ống thứ cấp đều là ống PVC nên có thể dẫn nước đi qua những nơi mặt đất lồi lõm, ít hao hụt nước tưới và sử dụng ổn định.

Khi áp dụng mô hình tưới rãnh, cần tính toán tương đối chính xác chiều dài, đường kính của các loại ống dẫn và lựa chọn vật liệu, phương pháp thi công phù hợp.

Trong tất cả các phương pháp  tưới có dùng máy bơm, bà con có thể  sử dụng  bộ hẹn giờ/bộ đếm giờ (timer) gắn vào ổ điện để canh giờ cho máy tự động bật lên và tưới theo thời gian định trước, sau khi  tưới đủ thời gian  quy định, timer sẽ tự động cúp điện, như vậy ta không cần làm gì cả mà vẫn tưới nước  được cho cây trồng.

Hiện nay, trên thị trường có bán rất nhiều loại vật liệu sử dụng cho việc cung cấp nước tưới nông nghiệp, từ các loại ống mềm, ống cứng PVC, HDPV, ống kim loại vv, với kích thước, chủng loại, giá cả khác nhau.

Vì bài viết này chủ yếu phục vụ cho nông dân nghèo nên chúng tôi khuyến cáo:

Bà con nên dùng ống PVC Bình Minh, Đạt Hòa phối hợp với các loại ống PVC nông nghiệp (còn gọi là ống tổ hợp), ống PE đen

Đối với đường ống chính, nhất thiết nên chọn mua ống loại tốt và có thông số chịu lực cao nhất (thường ống dày 2,8-3mm, độ chịu lưkc 8 bar trở lên), vì đường ống chính khi làm việc phải chịu aplc rất cao.

Đối với đường ống nhánh và đường ống thứ cấp ta có thể sử dụng ống nhựa tổ hợp.Loại ống này chuyên dùng cho nông nghiệp, có hình dáng, màu sắc và đường kính quy chuẩn tương tự như ống PVC dùng cho cấp nước sinh hoạt, nhưng được pha nhiều bột đá nên rẻ tiền hơn nhiều (30-50%) so với ống chính phẩm.Loại ống này thường hay bị lỗ mọt, nhưng dễ dàng khắc phục bằng cách dùng khâu nối, hoặc nêu không, cho nước chảy ra từ lỗ mọt cũng góp phần cung cấp nước cho cây trồng.

Trong trường hợp quá khó khăn, bà con có thể đặt mua loại ống PE đen (ống dẹp nhựa mềm) để làm đường ống nhánh hoặc ống thứ cấp.Loại ống này được làm bằng nhựa dẽo và mềm như túi nilon, được cuộn thành bành gần bằng bánh xe đạp (xem hình 2a), và đặc biệt là giá bán rất rẻ (loại có đường kính 32 mm khoảng 1.000 đồng/m, ống D=27 mm rẻ hơn).

Từ đường ống thứ cấp, để đưa nước vào gốc cây, có loại bét chân và ống nhựa 3-4mm màu đen.Ta dùng khoang điện (có loại khoang chạy pin để thi công trên đồng ruộng) khoan lỗ có kích thước bằng với bét chân, cắm vào ống PVC, sau đó nhét ống nhựa dẽo vào.Ống thứ cấp được chôn sâu khoảng 5-10 cm sát hàng cây, chỉ“lòi” lên ống nhựa dẽo đen khỏi mặt đất ngay tại gốc cây để cung cấp nước tưới (xem hình 2b).

Các loại ống và phụ kiện ngành nước được kinh doanh bởi cửa hàng Dụng Cụ Nông Nghiệp Công Nghệ Cao NND (chú ý: có loại ống dẽo tương tự do Trung Quốc sản xuất, nhưng đã được đục lỗ sẵn khoảng 3 dm/lỗ; loại ống này chỉ dùng tưới rau, tưới cỏ, không phù hợp để làm đường ống nhánh và đường ống thứ cấp).