Tài liệu Xây dựng mô hình chuyển đổi đất trồng lúa sang trồng cỏ ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước, phát triển chăn nuôi bò sữa tại xã mộc bắc huyện duy tiên tỉnh hà nam

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Thạc sĩ: “ Xây dựng mô hình chuyển đổi đất trồng lúa sang trồng cỏ ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước, phát triển chăn nuôi bò sữa tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam” là đề tài do cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Hằng Nga và PGS.TS. Nguyễn Trọng Hà. Các số liệu sử dụng để tính toán là trung thực, những kết quả nghiên cứu trong đề tài luận văn chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về đề tài luận văn của mình ./. Tác giả luận văn Nguyễn Gia Tuấn i LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ lợi, các đồng nghiệp, gia đình và sự nỗ lực của bản thân trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô giáo Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước đã tận tình truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tác giả trong quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn tới Ban lãnh đạo và đồng nghiệp Chi cục Thủy lợi Hà Nam nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Thị Hằng Nga và PGS.TS Nguyễn Trọng Hà đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tác giả xin cảm ơn tới bạn bè và người thân đã tin tưởng, giúp đỡ, động viên, khích lệ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Nguyễn Gia Tuấn ii năm 2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.................................. 5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu .................................................................... 5 1.1.1 Trên thế giới ..................................................................................................... 5 1.1.2 Ở Việt Nam ...................................................................................................... 9 1.1.3 Tác động của biến đổi khí hậu đến khu vực nghiên cứu............................... 12 1.2 Tổng quan về vùng nghiên cứu ........................................................................ 14 1.2.1 Đặc điểm tự nhiên .......................................................................................... 14 1.2.2 Đặc điểm kinh tế, xã hội và dân sinh kinh tế ................................................. 23 1.2.3 Hiện trạng sử dụng đất ................................................................................... 24 1.2.4 Hiện trạng thủy lợi ......................................................................................... 24 CHƯƠNG 2 CĂN CỨ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỔI ĐẤT TỪ TRỒNG LÚA SANG TRỒNG CỎ.............................................................................................. 26 2.1 Căn cứ pháp lý ................................................................................................. 26 2.2 Cơ sở xây dựng mô hình chuyển đổi đất từ trồng lúa sang trồng cỏ ............... 26 2.2.1 Quy hoạch phát triển chăn nuôi đến năm 2020 .............................................. 26 2.2.2 Hiệu quả sản xuất nông nghiệp ở địa phương ................................................ 27 2.2.3 Đánh giá cơ sở xây dựng mô hình ................................................................. 30 2.3 Xây dựng mô hình vùng nguyên liệu cỏ .......................................................... 31 2.3.1 Kế hoạch phát triển vùng nguyên liệu 2016-2020 ......................................... 31 2.3.2 Quy mô chuyển đổi đất trồng lúa sang trồng cỏ ............................................ 31 2.3.3 Lựa chọn giống cỏ .......................................................................................... 32 2.3.4 Quy trình trồng, chăm sóc và khai thác giống cỏ VA-06 .............................. 34 CHƯƠNG 3 3.1 TÍNH TOÁN NHU CẦU NƯỚC, CHO VÙNG NGUYÊN LIỆU ... 36 Nhu cầu nước thời điểm hiện tại của vùng nguyên liệu .................................. 36 3.1.1 Đặc trưng các yếu tố khí tượng thủy văn ....................................................... 36 3.1.2 Cơ cấu cây trồng, thời vụ và đặc tính sinh trưởng của giống cỏ VA-06 ....... 42 3.1.3 Tính toán nhu cầu nước thời điểm hiện tại .................................................... 42 3.2 Nhu cầu nước theo kịch bản BĐKH tại thời điểm năm 2020, 2030 ................ 47 3.2.1 Lựa chọn kịch bản BĐKH tác động đến khu vực .......................................... 47 3.2.2 Các yếu tố khí tượng thủy văn theo kịch bản BĐKH thời điểm 2020, 2030 . 48 iii 3.2.3 Nhu cầu nước theo kịch bản BĐKH thời điểm năm 2020, 2030 ................... 52 CHƯƠNG 4 BỐ TRÍ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI, CẤP NƯỚC CHO VÙNG NGUYÊN LIỆU ............................................................................................... 54 4.1 Lựa chọn công nghệ tưới, xác định nguồn cấp thoát nước.............................. 54 4.1.1 Lựa chọn công nghệ tưới ............................................................................... 54 4.1.2 Nguồn cấp thoát nước .................................................................................... 55 4.1.3 Lượng nước trữ lớn nhất trong kênh .............................................................. 56 4.2 Phương án bố trí thiết kế hệ thống tưới ........................................................... 57 4.2.1 Phân khu tưới. ................................................................................................ 57 4.2.2 Vòi phun......................................................................................................... 58 4.2.3 Đường ống ..................................................................................................... 61 4.3 Chế độ tưới của hệ thống tại các thời kỳ ......................................................... 68 4.3.1 Chế độ tưới thời điểm hiện tại ....................................................................... 68 4.3.2 Chế độ tưới theo kịch bản BĐKH .................................................................. 69 4.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế của mô hình chuyển đổi ........................................ 71 4.4.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống tưới ................................................... 71 4.4.2 Hiệu quả kinh tế của mô hình chuyển đổi ..................................................... 73 4.5 Cơ chế tổ chức quản lý vận hành, bảo trì mô hình .......................................... 75 4.5.1 Mô hình sản xuất, tổ chức quản lý hệ thống tưới .......................................... 75 4.5.2 Phương thức vận hành ................................................................................... 75 4.5.3 Nhu cầu nhân lực, đào tạo.............................................................................. 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 80 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Địa điểm xây dựng mô hình ...........................................................................14 Hình 2.1 Vị trí khu quy hoạch chuyển đổi ....................................................................32 Hình 3.1 Đường tần suất mưa năm thiết kế - Trạm Hà Nam ........................................39 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống cấp nước cho vùng trồng cỏ ..................................................55 Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống tưới phun mưa ..............................................................57 Hình 4.3 Sơ đồ bố trí vòi phun ......................................................................................60 Hình 4.4 Sơ đồ tính toán các vị trí tổn thất cột nước.....................................................65 Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống cấp nước tưới phun mưa ........................................................67 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh các hệ thống tưới khác nhau trong mối quan hệ với đặc điểm và tính chất của khu tưới. ............................................................................................................ 8 Bảng 1.2 Nhiệt độ trung bình tháng, năm ..................................................................... 16 Bảng 1.3 Độ ẩm tương đối trung bình các năm ............................................................ 17 Bảng 1.4 Tốc độ gió trung bình tháng, năm .................................................................. 18 Bảng 1.5 Số giờ nắng các tháng trong năm................................................................... 18 Bảng 1.6 Đặc trưng mực nước trung bình tháng qua các thời kỳ tại trạm Hà Nội ....... 20 Bảng 1.7 Mực nước thấp nhất qua các thời kỳ tại trạm Hà Nội.................................... 20 Bảng 1.8 Mực nước báo động tại một số điểm ............................................................. 21 Bảng 1.9 Mực nước lớn nhất đã xuất hiện .................................................................... 21 Bảng 1.10 Phân tích mẫu nước sông theo 13 chỉ tiêu ................................................... 22 Bảng 2.1 Kế hoạch phát triển đàn bò sữa xã Mộc Bắc giai đoạn 2016 – 2020 .................... 26 Bảng 2.2 Đánh giá hiệu sản xuất của việc trồng lúa ..................................................... 27 Bảng 2.3 Chi phí và lợi nhuận 1 ha cỏ/năm .................................................................. 28 Bảng 2.4 So sánh lợi nhuận 1ha giữa trồng cỏ và trồng lúa/năm ................................. 29 Bảng 2.5 Diện tích trồng cỏ cần thiết để phát triển chăn nuôi bò ................................. 31 Bảng 2.6 Năng suất của một số loại cỏ nuôi bò phổ biến hiện nay .............................. 33 Bảng 3.1 Đặc trưng yếu tố khí tượng tại khu mô hình – Trạm Hà Nam ...................... 36 Bảng 3.2 Lượng mưa tháng 1970 - 2013 – Trạm Hà Nam ........................................... 36 Bảng 3.3 Kết quả tính toán các đặc trưng mưa tưới thiết kế ......................................... 39 Bảng 3.4 Mô hình mưa điển hình năm 1991 ................................................................. 40 Bảng 3.5 Mô hình mưa thiết kế thời điểm hiện tại........................................................ 41 Bảng 3.6 Cơ cấu cây trồng trong khu mô hình tưới ...................................................... 42 vi Bảng 3.7 Đặc tính sinh trưởng của giống cỏ voi VA-06 ...............................................42 Bảng 3.8 Bảng tính toán chế độ tưới .............................................................................46 Bảng 3.9 Tổng lượng nước yêu cầu tại mặt ruộng thời điểm hiện tại ...........................47 Bảng 3.10 Mức thay đổi lượng mưa ngày 2020, 2030 ..................................................48 Bảng 3.11 Mô hình mưa thiết kế thời điểm năm 2020 ..................................................49 Bảng 3.12 Mô hình mưa thiết kế thời điểm năm 2030 ..................................................50 Bảng 3.13 Mức tăng nhiệt độ trung bình năm theo kịch bản BĐKH ............................51 Bảng 3.14 Đặc trưng nhiệt độ vào các năm 2020, 2030 so với nhiệt độ trung bình tháng thời điểm hiện tại theo kịch bản BĐKH ..............................................................51 Bảng 3.15 Tính toán chế độ tưới thời điểm năm 2020 ..................................................52 Bảng 3.16 Tính toán chế độ tưới thời điểm năm 2030 ..................................................53 Bảng 3.17 Tổng lượng nước yêu cầu tại mặt ruộng thời điểm 2020, 2030...................53 Bảng 4.1 Phân tích ưu, nhược điểm của công nghệ tưới phun mưa và tưới nhỏ giọt ...54 Bảng 4.2 Cao trình mực nước lớn nhất trên kênh chính ...............................................56 Bảng 4.3 Trị số H/d thích hợp đối với các loại cây trồng .............................................58 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của một số loại vòi phun mưa mã hiệu 6025 SD .............59 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật lựa chọn vòi phun 6025 SD (Blue) ..................................59 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật bố trí vòi phun 6025 SD ...................................................61 Bảng 4.6 Quan hệ giữa vật liệu làm đường ống và các giá trị f, m và b .......................63 Bảng 4.8 Bảng tính toán lựa chọn đường kính ống nhánh ............................................64 Bảng 4.9 Bảng tính toán lựa chọn đường kính ống chính .............................................64 Bảng 4.10 Kết quả tính toán cột nước thiết kế và lựa chọn đường kính ống ................64 Bảng 4.11 Tổng hợp kết quả tính toán lưu lượng thiết kế .............................................66 Bảng 4.12 Thông số máy bơm.......................................................................................66 Bảng 4.13 Phương án bố trí, vận hành hệ thống tưới ....................................................69 vii Bảng 4.14 Thời gian tưới 1 đợt qua các thời kỳ............................................................ 70 Bảng 4.15 Phương án bố trí, vận hành hệ thống tưới thời kỳ năm 2030 ...................... 70 Bảng 4.16 Tổng mức đầu tư mô hình theo các phương án ........................................... 71 Bảng 4.17 Phân tích kinh tế, kỹ thuật lựa chọn phương án thiết bị tưới ....................... 71 Bảng 4.18 Khối lượng vật tư chính hệ thống tưới khu mô tưới .................................... 72 Bảng 4.19 Tính NPW, IRR và B/C cho vùng chuyển đổi............................................. 74 Bảng 4.20 Quy trình vận hành tưới phun mưa cho khu trồng cỏ .................................. 76 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Ký hiệu viết tắt Nghĩa của chữ viết tắt FAO Tổ chức Nông Lương thế giới NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn BĐKH Biến đổi khí hậu NĐ Nghị định CP Chính phủ CTTL Công trình thủy lợi KTCTTL Khai thác công trình thủy lợi KT-XH Kinh tế - xã hội IMC Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên quản lý khai thác công trình thủy lợi; Công ty thủy nông HTX Hợp tác xã HTXNN Hợp tác xã nông nghiệp HTXDVNN Hợp tác xã dịch vụ nông nghiệp TFP Năng suất các nhân tố tổng hợp ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài Nền nông nghiệp Việt Nam đóng góp khoảng một phần tư GDP và thu hút đến hai phần ba lực lượng lao động, đóng vai trò rất lớn về mặt ổn định xã hội và xóa đói giảm nghèo. Hiện nay, nông nghiệp đã cơ bản đảm bảo an ninh lương thực tiến đến sản xuất hàng hóa nhưng thu nhập và đời sống của nông dân và những người làm nông nghiệp còn thấp. Bởi trên thực tế nền nông nghiệp của nước ta còn sản xuất nhỏ lẻ, manh mún, thiếu ổn định, dễ bị tổn thương do thiên tai, và đặc biệt tình trạng biến đổi khí hậu đang diễn ra hiện nay; các hình thức liên kết trong sản xuất còn lỏng lẻo. Lâu nay mô hình tăng trưởng nông nghiệp chủ yếu theo chiều rộng thông qua tăng diện tích, tăng vụ nên chỉ tạo ra được khối lượng nhiều và rẻ nhưng giá trị thấp, hiệu quả sử dụng đất chưa cao. Vì vậy, việc chủ động chuyển đổi cơ cấu cây trồng, trong đó chú trọng phát triển các loại cây trồng cạn theo hướng nâng cao giá trị kinh tế và phát triển bền vững là một trong những giải pháp để tái cơ cấu nền nông nghiệp. Qua đó, xây dựng nền sản xuất nông nghiệp toàn diện theo hướng hiện đại, bền vững, sản xuất hàng hóa lớn, có năng suất, chất lượng, hiệu quả và khả năng cạnh tranh, đồng thời ứng phó với những bất lợi của thời tiết khí hậu ngày một gay gắt và khó lường hơn. Thực tế cho thấy việc tái cơ cấu nông nghiệp không chỉ vì mục tiêu tăng thu nhập cho nông dân mà phải tuân theo cơ chế thị trường. Theo dự báo của Hiệp hội Sữa Việt Nam (VDA), lượng sữa tiêu thụ bình quân đầu người tại Việt Nam vào năm 2010 đạt 15 lít/năm và sẽ tăng gần gấp đôi, lên mức 28 lít/năm vào năm 2020 . Tuy nhiên, điều đáng lưu tâm là năng lực sản xuất sữa và các sản phẩm từ sữa trong nước được dự báo sẽ không theo kịp nhu cầu tiêu thụ, đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất sữa tươi. Tồn tại lớn nhất của ngành sữa Việt Nam là thiếu nguyên liệu sữa tươi. Lượng sữa tươi nguyên liệu trong nước chỉ đáp ứng được 30% nhu cầu sử dụng, 70% sữa nước được sản xuất tại Việt Nam là từ sữa hoàn nguyên [1]. Trong khi đó, chất lượng sữa thấp, không ổn định do nguồn cung chủ yếu từ các hộ chăn nuôi nhỏ, năng suất thấp. Theo Quy hoạch phát triển ngành Công nghiệp chế biến sữa Việt Nam đến năm 2020, tầm 1 nhìn đến năm 2025, sản lượng sữa tươi sản xuất trong nước sẽ đạt 660 triệu lít. Vì thế cần phát triển chăn nuôi bò sữa trở thành nghề sản xuất theo hướng bán công nghiệp, chuyên môn hóa, ứng dụng kỹ thuật chăn nuôi tiên tiến. Đẩy mạnh các hình thức liên kết, hợp tác trong chăn nuôi bò sữa, cung ứng thức ăn, tiêu thụ sản phẩm sữa, chế biến sữa. Với nhu cầu và thách thức trên, mục tiêu đề ra cần phát triển vùng nguyên liệu cỏ bền vững áp dụng công nghệ cao vào sản xuất, để tăng năng xuất và chất lượng đáp ứng đủ nhu cầu thức ăn cho bò sữa. Từ đó, giảm chi phí và nâng cao chất lượng, tăng giá trị và sức cạnh tranh của sản phẩm. Thực hiện chuyển dịch cơ cấu nông nghiệp và kinh tế nông thôn theo hướng phát bền vững, giảm dần tỷ lệ lao động nông nghiệp trong nông thôn; nâng cao thu nhập, cải thiện đời sống người nông dân. Tạo bước đột phá trong sản xuất nông nghiệp, mức tăng trưởng bình quân đạt từ 3%/năm trở lên. Chỉ số năng suất các yếu tố tổng hợp (TFP) đạt 15- 20%, công nghệ tưới tiết kiệm nước là một trong những khâu quan trọng để nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp. Hà Nam là một tỉnh thuộc Đồng Bằng Bắc Bộ, có diện tích tự nhiên là 86.049 ha Trong đó, đất sản xuất nông nghiệp là 42.790 ha, đất trồng lúa là 34.685 ha. Mặc dù kinh tế nông nghiệp chiếm tỷ trọng không lớn trong cơ cấu kinh tế của Hà Nam (theo báo cáo kết quả thực hiện nhiệm phát triển kinh tế-xã hội vụ 6 tháng đầu năm 2015, lĩnh vực Nông, lâm nghiệp, thủy sản chiếm 16% trong cơ cấu kinh tế của tỉnh) nhưng lại có ý nghĩa hết sức quan trọng do tác động đến số lượng đông đảo người dân nông thôn. Chính vì vậy, việc nâng cao giá trị gia tăng trong sản xuất nông nghiệp qua đó cải thiện đời sống của nông dân là mục tiêu quan trọng trong phát triển kinh tế của tỉnh. Để đạt được mục tiêu nêu trên, một trong số các hoạt động được tỉnh Hà Nam triển khai là Quyết định số 409/QĐ-UBND ngày 26/4/2014 của UBND tỉnh về việc phê duyệt Đề án phát triển chăn nuôi bò sữa tỉnh Hà Nam. Theo đề án này, xã Mộc Bắc (huyện Duy Tiên) và xã Nguyên Lý (huyện Lý Nhân) là hai xã được xác định là trung tâm phát triển bò sữa của tỉnh. Trong đó, Mộc Bắc sẽ có quy mô phát triển lớn hơn với mục tiêu đến năm 2020 đạt 2.100 con. Theo đó, tháng 7/2014 xã Mộc Bắc đã khởi 2 công dự án “Vùng chăn nuôi bền vững bò sữa tỉnh Hà Nam” do đó nhu cầu về thức ăn, đặc biệt là cỏ để phát triển đàn bò sữa là rất lớn. Bên cạnh đó, kỳ họp thứ 8 HĐND xã Mộc Bắc khóa XVIII đã xác định, phương hướng phát triển sản xuất nông nghiệp của xã trong thời gian tới sẽ tập trung vào các mô hình sản xuất nông nghiệp tiên tiến, theo hướng sản xuất hàng hóa có giá trị cao. Bên cạnh đó sẽ tích cực triển khai Đề án phát triển chăn nuôi bò sữa của tỉnh thông qua việc thực hiện đúng quy hoạch, cải tạo cơ sở hạ tầng phục vụ sản xuất thức ăn, chuồng trại; chuyển giao khoa học công nghệ về sản xuất, chăn nuôi cho nhân dân, ... Với những lý do nêu trên, đề tài nghiên cứu: “Xây dựng mô hình chuyển đổi đất trồng lúa sang trồng cỏ ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước, phát triển chăn nuôi bò sữa tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam”. Nhằm phát triển chăn nuôi bò sữa tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu Chuyển đổi đất trồng lúa kém hiệu quả sang trồng cỏ áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước để phát triển vùng nguyên liệu chăn nuôi bò sữa, nâng cao giá trị gia tăng trong sản xuất nông nghiệp phục vụ tái cơ cấu ngành nông nghiệp tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước vận dụng cho vùng đất trồng cỏ được chuyển đổi từ đất lúa kém hiệu quả tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam • Phạm vi nghiên cứu: Diện tích đất trồng cỏ được chuyển đổi từ đất trồng lúa tại xã Mộc Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam (29,6ha) 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, xét đến ảnh hưởng theo kịch bản BĐKH - Tổng quan về vùng nghiên cứu đánh giá các điều kiện tự nhiêu, kinh tế - xã hội 3 - Xác định căn cứ chuyển đổi cây trồng từ trồng lúa sang trồng cỏ vùng nghiên cứu - Tính toán nhu cầu nước cho vùng chuyển đổi tại thời điểm hiện tại và theo kịch bản BĐKH - Bố trí, thiết kế hệ thống tưới, cấp nước cho vùng chuyển đổi - Tính toán chi phí tưới và cấp nước, đánh giá hiệu quả kinh tế - Cơ chế tổ chức quản lý vận hành của mô hình tưới 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu a. Cách tiếp cận  Tiếp cận tổng hợp và liên ngành: Dựa trên định hướng phát triển KT-XH, điều kiện tự nhiên khu vực xã Mộc Bắc huyện Duy Tiên – tỉnh Hà Nam, xét đến tác động của Biến đổi khí hậu, từ đó xây dựng mô hình tưới cho vùng trồng cỏ. Áp dụng các quy trình, quy phạm, công nghệ - kỹ thuật tưới cho vùng chuyển đổi  Tiếp cận thực tiễn: Tiến hành khảo sát thực địa, các điều kiện tự nhiên, đất đai, thổ nhưỡng; điều tra hiệu quả kinh tế nông nghiệp; để nghiên cứu cơ sở chuyển đổi cơ cấu cây trồng, lựa chọn phương án, thiết kế hệ thống tưới phun mưa.  Tiếp cận kế thừa: Kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu về cây trồng cạn, ứng dụng phần mềm Cropwat để tính toán xác định nhu cầu nước cho cây cỏ chăn nuôi. b. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp kế thừa, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ - Phương pháp điều tra, phân tích . - Phương pháp ứng dụng các mô hình hiện đại - Phương pháp chuyên gia 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Trên thế giới Nhu cầu về nước trong nông nghiệp: Sự phát triển trong sản xuất nông nghiệp như sự thâm canh tăng vụ và mở rộng diện tích đất canh tác cũng đòi hỏi một lượng nước ngày càng cao. Theo M.I.Lvovits (1974), trong tương lai do thâm canh nông nghiệp mà dòng chảy cả năm của các con sông trên toàn thế giới có thể giảm đi khoảng 700 km3/năm. Phần lớn nhu cầu về nước được thỏa mãn nhờ mưa ở vùng có khí hậu ẩm, nhưng cũng thường được bổ sung bởi nước sông hoặc nước ngầm bằng biện pháp thủy lợi nhất là vào mùa khô. Người ta ước tính được mối quan hệ giữa lượng nước sử dụng với lượng sản phẩm thu được trong quá trình canh tác như sau: để sản xuất 1 tấn lúa mì cần đến 1.500 tấn nước, 1 tấn gạo cần đến 4.000 tấn nước và 1 tấn bông vải cần đến 10.000 tấn nước. Sở dĩ cần số lượng lớn nước như vậy chủ yếu là do sự đòi hỏi của quá trình thoát hơi nước của cây, sự bốc hơi nước của lớp nước mặt trên đồng ruộng, sự trực di của nước xuống các lớp đất bên dưới và phần nhỏ tích tụ lại trong các sản phẩm nông nghiệp. Từ thời tiền sử, tại Hy lạp, loài người đã bắt đầu biết đến tưới. Tuy nhiên, hiện nay nhu cầu nước ngày càng tăng cao trong khi nguồn cung cấp có hạn, cùng với việc suy giảm chất lượng nước ở nhiều nơi đã làm cho vấn đề sử dụng nước trở thành một vấn đề quan trọng trong hầu hết các quốc gia trên thế giới. Vì nước dành cho tưới chiếm một tỉ lệ rất lớn, các hệ thống tưới cần phải được quy hoạch, thiết kế và vận hành một cách hiệu quả. Điều này đòi hỏi một sự hiểu biết cặn kẽ mối quan hệ giữa cây trồng, đất đai, nguồn nước và khả năng cấp nước của hệ thống. Nhu cầu nước và thời gian cần nước lớn nhất tùy thuộc vào từng loại cây khác nhau. Cây trồng cần nước ở tất cả các thời kỳ nhưng ở mức độ khác nhau là do nhu cầu cho bốc thoát hơi nước khác nhau của mỗi loại cây. Nhu cầu này chiếm lượng lớn tổng nhu cầu nước của cây trồng, ngoài phụ thuộc loại cây và thời kỳ sinh trưởng của cây trồng còn phụ thuộc vào tính chất đất và các điều kiện môi trường khí quyển như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, gió, và độ ẩm. Khi có đủ nước thì lượng nước trong đất sẽ được duy trì 5 để cây trồng có thể đạt độ tăng trưởng và sản lượng tối ưu. Quan hệ giữa mức độ tăng trưởng và độ ẩm đất với mỗi loại đất và loại cây là khác nhau. Một số loại cây có khả năng chịu hạn hoặc độ ẩm cao tốt hơn các loại cây khác. Trong thời đầu mọc mầm, nhu cầu nước của hầu hết các cây con rất thấp. Nhu cầu này sẽ tăng nhanh trong quá trình sinh trưởng phát triển. Sau đó, nhu cầu nước giảm đi, và có thể thường không cần tưới khi đến thời kỳ thu hoạch. Sự thiếu hụt nước trong giai đoạn sau của sinh trưởng và giai đoạn ra hoa sớm thường làm giảm sản lượng của cây trồng. Một số phương pháp tưới hiện đại trên thế giới • Tưới phun mưa Phương pháp và kỹ thuật tưới phun mưa đang được phát triển mạnh trên thế giới; nhất là các nước công nghiệp phát triển thì kỹ thuật tưới phun mưa đã được sử dụng trên 90% diện tích đất trồng trọt. Hệ thống phun mưa phổ biến trước đây gồm có một hệ thống các đường ống trong đó vòi phun được gắn với các ống nhẹ, có thể xoay hoặc trượt dễ dàng. Hệ thống dịch chuyển bằng cơ giới ngày càng trở nên phổ biến hơn. Hệ thống này gồm vòi phun và ống gắn với một động cơ chuyển động gián đoạn hoặc liên tục. Các hệ thống tưới phun mưa lắp đặt cố định và đồng bộ thích hợp cho các khu vực canh tác với mật độ dày và trồng các cây như là hoa, cây ăn quả, rau, cỏ chăn nuôi. Các hệ thống tưới phun có độ đồng đều và hiệu suất khá cao. Trên đất có thành phần cơ giới thô, hiệu suất tưới có thể gấp hai lần so với tưới mặt [2]. Tưới phun mưa có thể được sử dụng để điều hòa nhiệt độ. Trong mùa đông, nước tưới, đặc biệt được lấy từ nguồn nước ngầm thường có nhiệt độ cao hơn đất và không khí ở gần mặt đất. Khi sử dụng nước này tưới, nhiệt độ của nước giúp băng trên cây tan và giữ cho nhiệt độ không hạ xuống dưới 0oC. Ngược lại, vào mùa hè, tưới phun mưa giúp làm mát cây cối, ví dụ như khi quá trình nảy mầm diễn ra dưới nhiệt độ cao, hoặc để làm chậm lại quá trình nở rộ trước chín của cây ăn trái khi trời nóng. Quá trình bốc thoát hơi nước cũng có tác dụng làm giảm nhiệt độ của cây cối. Tưới phun mưa đặc biệt thích hợp với những nơi đất có lưu lượng thấm lớn hơn lưu lượng tưới. Trong tưới phun mưa, lưu lượng tưới có thể khống chế được. Các hệ thống tưới phun mưa đơn giản có chi phí đầu tư tương đối thấp trong khi đó các hệ thống dịch chuyển bằng cơ giới có chi phí đầu tư cao hơn. Nhưng trong quá trình vận hành, 6 các hệ thống dịch chuyển bằng cơ giới lại cần ít nhân công hơn. Trong một số trường hợp, tưới phun mưa có thể làm tăng dịch bệnh khi các tán lá thường ở trạng thái ướt. Tưới phun mưa hạn chế được bốc hơi mặt ruộng, ngay cả ở vùng khô hanh, do vậy, một hệ thống tưới phun được thiết kế và quản lý tốt có thể có hiệu suất cấp nước cao. • Tưới nhỏ giọt, tưới ngầm Tưới nhỏ giọt, tưới ngầm là phương pháp tưới với lưu lượng rất nhỏ, và nước thường được đưa đến tận gốc cây. Hệ thống sử dụng hệ thống ống và thiết bị phân phối đặc biệt với lưu lượng nhỏ, thông thường khoảng từ 2 ÷10 (l/h) và thường được đặt ngay trên bề mặt hay ngay bên dưới mặt đất. Các ống dẫn gắn thiết bị phân phối hoặc các ống có đục lỗ cấp nước với lưu lượng khoảng 5 l/phút cho 100m đường ống, và thường được đặt cách mặt đất từ 0.1 đến 0.3m (tưới nhỏ giọt ngầm). Các hệ thống tưới tiết kiệm nước có hiệu quả sử dụng nước cao vì hạn chế tối đã được lượng nước bốc hơi và thấm tầng sâu, nước chỉ cung cấp đủ cho vùng rễ hoạt động. Do chi phí đầu tư khá cao nên phương pháp tưới này chỉ mới được sử dụng cho những cây có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, hiện nay, do sự phát triển khoa học công nghệ, chi phí cho hệ thống ngày càng rẻ và sự hiểu biết của người dân ngày càng cao, phương pháp tưới này đang ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn. Một hạn chế lớn của hệ thống tưới tiết kiệm nước trên là khó khăn cho các máy móc hoạt động trên khu tưới do đường ống đặt rất gần mặt đất. Nhưng giống như tưới phun mưa, hệ thống này cũng có một lợi ích lớn trong việc có thể kết hợp tưới và bón phân hay thuốc trừ sâu. Muốn hệ thống tưới mặt đạt hiệu quả thì yêu cầu phải san khu đất đồng đều để hạn chế dòng chảy mặt. Mức độ san đất phụ thuộc vào yếu tố địa hình. Trong một số điều kiện địa hình và điều kiện đất đai như lớp đất bên dưới rất xấu thì san đất là khó khả thì. Ở những nơi có sông suối lớn, tưới mặt có hiệu suất tưới lớn. Nếu nước được lấy từ mặt hồ có cao trình đủ lớn để tưới tự chảy thì không mất chi phí để bơm nước. Tưới tiết kiệm nhỏ giọt, tưới ngầm nếu được thiết kế và quản lý vận hành tốt có thể mang lại hiệu suất rất cao. Hệ thống tưới này phù hợp nhất với cây ăn quả và cây trồng có giá trị cao. Yêu cầu chất lượng nước phải sạch và không bị ô nhiễm, nên được lọc qua trước khi sử dụng để tưới. Hệ thống tưới tiết kiệm nước là hoạt động tự động, do vậy yêu cầu ít nhân công vận hành nếu hệ thống được duy trì và bảo dưỡng tốt. Hệ 7 thống tưới tiết kiệm nước có yêu cầu áp lực thấp nên năng lượng tiêu hao ít hơn hệ thống tưới phun mưa. Cũng có một vài hệ thống tưới phun cá biệt có áp lực thấp tương đương với áp lực của các hệ thống tưới tiết kiệm nước. Bảng 1.1 So sánh các hệ thống tưới khác nhau trong mối quan hệ với đặc điểm và tính chất của khu tưới. Hệ thống tưới nhỏ giọt Hệ thống tưới phun Đặc điểm và tính chất của khu tưới Phun di động gián đoạn Tốc độ thấm Tất cả Địa hình Phun liên tục Phun cố định với lượng không đổi Bộ phận chia nước và ống có lỗ TB đến cao Tất cả Tất cả Bằng - hơi dốc Tất cả Yêu cầu giá trị Bằng - hơi dốc Bằng - hơi dốc Loại cây Cây ngắn ngày Dòng chảy Nguồn nước nhỏ gần như liên tục Chất lượng Nước mặn có nước thể hại cây Hiệu suất TB 70-80% Yêu cầu về TB, cần nhân công vận được đào tạo hành cơ bản Tất cả cây nho Tất cả Dòng chảy nhỏ Dòng chảy nhỏ gần như liên tục Nước mặn có Nước mặn có thể thể hại cây hại cây TB 80% TB 70-80% Thấp, cao khi Thấp, cần được vào vụ tưới, cần đào tạo cơ bản được đào tạo ít Dòng chảy nhỏ liên tục và sạch Tất cả TB 80-90% Từ thấp đến cao, cần đào tạo Yêu cầu về vốn TB TB Cao Cao Yêu cầu điện năng TB – cao TB - cao TB Thấp – TB Kỹ năng quản lý TB TB - cao TB Cao Ảnh hưởng hoạt động máy móc Tuổi thọ Ruộng TB – ảnh hưởng nhỏ Ngắn - TB Có ảnh hưởng Có ảnh hưởng Hạn chế lớn hoạt động máy móc Dài Tùy thuộc Thời tiết Hoạt động kém khi gặp gió mạnh Gió làm giảm hiệu suất Tất cả Bón hóa chất kết hợp Ngắn - TB Tốt hơn trong điều kiện gió so với các loại tưới phun khác Tốt Tốt Rất tốt Tốt Nguồn: Fangmeier và Biggs (1986) 8 1.1.2 Ở Việt Nam Trong nền kinh tế Việt nam, nông nghiệp đóng góp khoảng một phần tư GDP và thu hút đến hai phần ba lực lượng lao động, đóng vai trò rất lớn về mặt ổn định xã hội và xóa đói giảm nghèo. Sản xuất nông nghiệp nói chung và sản xuất lương thực nói riêng, nước là yếu tố cần thiết hàng đầu. Đến nay, khoảng 80% trong bảy triệu hecta đất canh tác tại Việt Nam mà đa phần trong số đó là diện tích trồng lúa đã được trang bị cơ sở hạ tầng thủy lợi. Các hệ thống tưới tiêu đã đóng góp phần rất đáng kể trong việc tăng trưởng của ngành nông nghiệp, đặc biệt là tăng sản lượng lương thực. Tuy nhiên trong thực tế, chỉ có khoảng 50% diện tích canh tác trong các hệ thống thủy lợi được cấp nước một cách tương đối đầy đủ. Phần còn lại thuộc diện không được tưới hoặc tưới bấp bênh, khi có khi không, dẫn đến năng suất cây trồng thấp và không ổn định, chi phí sản xuất tăng lên làm giảm thu nhập của nông dân [3]. Có hai nguyên nhân chính của những tồn tại trên. - Về mặt kết cấu hạ tầng, các hệ thống thường được thiết kế để có thể vận hành với toàn bộ công suất trong điều kiện nguồn nước dồi dào mà chưa xem xét đến việc vận hành ở chế độ nguồn nước không đủ cung cấp nên rất khó vận hành một cách linh hoạt trong mọi trường hợp, hệ thống CTTL xuống cấp, không được đầu tư hoàn chỉnh và đồng bộ, phần nhiều thiếu các kênh cấp dưới, thiếu các công trình phân phối và kiểm soát nước cũng như các trang thiết bị cho công tác vận hành. - Về mặt quản lý vận hành, ngoài một số hạn chế về do thiết kế như đã nêu, nhiều hệ thống tưới chưa có quy trình vận hành và bảo trì đồng bộ và đầy đủ. Hàng năm, các công ty quản lý thủy nông (IMC) chưa có kế hoạch quản lý một cách toàn diện các mặt hoạt động của công ty. Việc xã hội hóa công tác tưới với sự tham gia tích cực của người nông dân hầu như chưa được quan tâm. Nguồn tài chính của IMC không đủ để đáp ứng các yêu cầu duy tu bảo dưỡng, sửa chữa kênh. Kết quả là vòng luẩn quẩn của sự yếu kém trong công tác bảo dưỡng và sự xuống cấp của các công trình cơ sở hạ tầng luôn diễn ra Một số hệ thống tưới được tu bổ, sửa chữa thời gian qua chủ yếu tập trung vào việc phục hồi với mục tiêu đạt tới các tiêu chuẩn thiết kế ban đầu, mặc dầu các tiêu chuẩn này đã không còn phù hợp với yêu cầu hiện nay. Trong khi đó việc quản lý, vận hành 9 và bảo trì lại chưa chú ý đúng mức. Điều này gây ra tình trạng các hệ thống thuỷ lợi hoạt động không hiệu quả và có hiệu suất đầu tư thực tế thấp. Trong tình hình phát triển kinh tế hiện nay, nước không chỉ là nhu cầu thiết yếu cho nông nghiệp mà còn là yếu tố không thể thiếu đối với nhiều ngành kinh tế khác. Do vậy vấn đề tiết kiệm nước đang được đặt ra thành một yêu cầu cấp bách, đặc biệt đối với nông nghiệp là ngành hàng năm tiêu thụ khối lượng nước rất lớn thông qua dịch vụ tưới. Có hai giải pháp chủ yếu để tiết kiệm nước. Thứ nhất cần áp dụng cơ cấu cây trồng và phân bổ mùa vụ hợp lý, sử dụng các loại giống tiêu thụ ít nước và chịu hạn tốt. Giải pháp thứ hai là cần hoàn chỉnh các hệ thống tưới theo hướng hiện đại cả về các cơ sở hạ tầng và tổ chức quản lý, tức là hiện đại hóa hệ thống tưới. Hiện đại hóa thực chất là đầu tư theo chiều sâu bằng cách áp dụng các biện pháp kỹ thuật và quản lý hiện đại để nâng cao diện tích được tưới của các hệ thống CTTL, cùng với việc thay đổi nhận thức về nước, coi nước là một loại hàng hóa và tưới là một loại dịch vụ trong sản xuất nông nghiệp. Đầu tư vào các hệ thống tưới hiện có ít phức tạp về mặt kỹ thuật, yêu cầu kinh phí không lớn (so với xây dựng mới) nhưng lại thiếu tính ổn định và bền vững cao. Các nghiên cứu tính toán xác định nhu cầu nước của cây trồng từ đó xây dựng các phương án cấp nước thiết yếu cho mỗi loại cây trồng, nhằm đem lại năng suất, sử dụng nguồn nước hiệu quả tiết kiệm. Một số nghiên cứu tính toán nhu cầu nước của cây trồng trong nước như: [4] Nguyễn Tuấn Anh. “Nghiên cứu xác định chế độ tưới lúa chịu hạn, cây đỗ tương, cây chè trồng ở Sơn La và tính dự báo lượng nước cần cho vùng núi phía Bắc Việt Nam”, Luận án tiến sỹ KHKT, 1994. [5] Nguyễn Quang Phi. “ Xác định nhu cầu nước tưới cho cây lạc bằng phương pháp phương trình FAO Penman – Monteith và phương pháp hệ số cây trồng đơn”, Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường. Số 46 (9/2014). Các Tiêu chuẩn quốc gia, tài liệu được tác giả sử dụng nghiên cứu trong Luận văn: TCVN 8641: 2011 – Công trình thủy lợi kỹ thuật tưới tiêu nước cho cây lương thực và cây thực phẩm; TCVN 9170 : 2012 – Hệ thống tưới tiêu yêu cầu kỹ thuật tưới bằng phương pháp phun mưa; Phạm Ngọc Hải, Tống Đức Khang, Bùi Hiếu. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi. Nhà xuất bản Xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi, năm 2005. 10