Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ, được xây dựng hoàn thành từ năm 1983 tại tỉnh Hà Tĩnh, là công trình thủy lợi trọng điểm cung cấp nước tưới cho gần 20.000 ha đất nông nghiệp và 1.000 ha nuôi trồng thủy sản. Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, khu vực này chịu ảnh hưởng của mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng 7 năm sau, trong đó lượng mưa các tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 1-2% tổng lượng mưa năm, dẫn đến tình trạng hạn hán thường xuyên và nghiêm trọng. Bên cạnh đó, biến đổi khí hậu và nước biển dâng làm gia tăng xâm nhập mặn, ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước và năng suất cây trồng.

Hiện nay, việc lập kế hoạch tưới tiêu và quản lý vận hành hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và các chế độ tưới thông thường, chưa tính đến các mức tưới tối ưu trong điều kiện nguồn nước hạn chế. Điều này dẫn đến hiệu quả sử dụng nước chưa cao, chi phí quản lý vận hành lớn và năng suất cây trồng không ổn định, thậm chí có năm mất trắng do thiếu nước tưới. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định các mức tưới toàn vụ tối ưu và hạn chế tối ưu, đồng thời ứng dụng công nghệ trực tuyến để hỗ trợ lập kế hoạch tưới tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nước, tăng năng suất và giảm thiểu thiệt hại do hạn hán.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ trong vụ Đông - Xuân 2018-2019, với đối tượng nghiên cứu là các loại cây trồng chủ lực như lúa và lạc. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp quản lý tưới hiện đại, phù hợp với điều kiện khí hậu và nguồn nước hạn chế, đồng thời có thể áp dụng cho các hệ thống thủy lợi tương tự tại khu vực Bắc Trung Bộ và các vùng hạn hán khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tưới hạn chế (Deficit Irrigation) và mô hình lập kế hoạch tưới tối ưu. Tưới hạn chế là phương pháp tưới giảm lượng nước so với nhu cầu tối đa nhằm tăng hiệu quả sử dụng nước và lợi nhuận kinh tế, đồng thời giảm thiểu thiệt hại do hạn hán. Mức tưới tối ưu được xác định dựa trên mối quan hệ giữa năng suất cây trồng và tổng lượng nước tưới, kết hợp với phân tích chi phí - lợi ích kinh tế.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Mức tưới toàn vụ tối ưu (M₀): lượng nước tưới tối ưu khi nguồn nước không bị hạn chế, đạt năng suất tối đa.
  • Mức tưới toàn vụ hạn chế tối ưu (M₁): lượng nước tưới tối ưu khi nguồn nước bị hạn chế, cân bằng giữa năng suất và chi phí tưới.
  • Hiệu quả kinh tế tưới (Economic Irrigation Efficiency): lợi nhuận thu được trên mỗi đơn vị nước tưới, được tối ưu hóa trong kế hoạch tưới.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng mô hình quản lý vận hành hệ thống thủy lợi kết hợp công nghệ giám sát và điều khiển từ xa (SCADA) để cập nhật dữ liệu trực tuyến, hỗ trợ ra quyết định lập kế hoạch tưới phù hợp với điều kiện thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, bốc hơi), thủy văn (dòng chảy, mực nước hồ chứa), dữ liệu sản xuất nông nghiệp (diện tích, năng suất cây trồng), và thông tin vận hành hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ. Dữ liệu được thu thập từ Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Kẻ Gỗ, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hà Tĩnh, cùng các trạm quan trắc khí tượng thủy văn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích thống kê và mô hình hóa: xác định hàm năng suất cây trồng theo mức tưới, hàm chi phí vận hành hệ thống, từ đó tính toán mức tưới tối ưu.
  • Phương pháp mô hình hóa lập kế hoạch tưới: xây dựng kế hoạch tưới tối ưu và hạn chế tối ưu dựa trên các hàm mục tiêu kinh tế và kỹ thuật.
  • Phương pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực thủy lợi và nông nghiệp để hiệu chỉnh mô hình và đánh giá kết quả.
  • Ứng dụng công nghệ trực tuyến: sử dụng hệ thống SCADA và nền tảng công nghệ thông tin để giám sát, cập nhật dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định trong thời gian thực.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2019, tập trung vào vụ Đông - Xuân 2018-2019, với cỡ mẫu khảo sát và thu thập dữ liệu trên diện tích gần 20.000 ha của hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định mức tưới toàn vụ tối ưu và hạn chế tối ưu:

    • Mức tưới toàn vụ tối ưu (M₀) cho cây lúa vụ Đông - Xuân là khoảng 600 mm, đạt năng suất trung bình 46,2 tạ/ha.
    • Mức tưới toàn vụ hạn chế tối ưu (M₁) được xác định khoảng 450 mm, giảm 25% so với M₀ nhưng vẫn duy trì được 90% năng suất tối đa, giúp tiết kiệm nước đáng kể trong mùa khô.
    • Đối với cây lạc, M₀ khoảng 500 mm, năng suất trung bình 51,9 tạ/ha; M₁ khoảng 380 mm, duy trì 88% năng suất tối đa.

  2. Ứng dụng công nghệ trực tuyến hỗ trợ lập kế hoạch tưới:

    • Hệ thống SCADA và nền tảng công nghệ trực tuyến đã được thiết lập, cho phép cập nhật liên tục các tham số như mực nước hồ chứa, nhu cầu nước cây trồng theo giai đoạn sinh trưởng, và dự báo thời vụ gieo trồng tối ưu.
    • Qua ứng dụng công nghệ, thời vụ gieo trồng "tối ưu" được xác định giúp tránh giai đoạn khô hạn cao điểm, tăng hiệu quả sử dụng nước tưới lên khoảng 15%.
    • Chế độ tưới theo nhu cầu nước cây trồng được điều chỉnh linh hoạt, giảm thiểu lãng phí nước và tăng hiệu quả kinh tế.

  3. Hiệu quả kinh tế và môi trường:

    • Việc áp dụng kế hoạch tưới hạn chế tối ưu giúp giảm chi phí quản lý vận hành hệ thống thủy lợi khoảng 20%, đồng thời giảm thiểu tổn thất nước do bốc hơi và rò rỉ.
    • Năng suất cây trồng ổn định, giảm thiểu thiệt hại do hạn hán, góp phần nâng cao thu nhập cho nông dân trong khu vực.
    • Kế hoạch tưới tối ưu góp phần bảo vệ nguồn nước, giảm áp lực khai thác quá mức và hạn chế xâm nhập mặn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy mức tưới hạn chế tối ưu là giải pháp khả thi và hiệu quả trong điều kiện nguồn nước hạn chế tại hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ. Việc giảm khoảng 25% lượng nước tưới so với mức tối ưu không làm giảm đáng kể năng suất cây trồng, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tưới hạn chế tại các vùng hạn hán như ở Serbia và Trung Quốc. Sự khác biệt về điều kiện khí hậu, cơ sở hạ tầng và kinh tế đã được cân nhắc kỹ lưỡng để điều chỉnh mô hình phù hợp với thực tế Việt Nam.

Ứng dụng công nghệ trực tuyến trong quản lý tưới là bước tiến quan trọng, giúp nâng cao tính chính xác và kịp thời trong việc ra quyết định, giảm thiểu rủi ro do biến động khí hậu và nguồn nước. So với phương pháp truyền thống dựa trên kinh nghiệm, công nghệ này giúp tối ưu hóa nguồn lực và tăng hiệu quả kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ giữa năng suất và mức tưới, bảng so sánh chi phí vận hành trước và sau khi áp dụng kế hoạch tưới tối ưu, cũng như biểu đồ thể hiện sự thay đổi mực nước hồ chứa và nhu cầu tưới theo thời vụ. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của kế hoạch tưới tối ưu trong việc cân bằng giữa năng suất và tiết kiệm nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng kế hoạch tưới hạn chế tối ưu trên diện rộng:

    • Động từ hành động: Xây dựng và phổ biến kế hoạch tưới hạn chế tối ưu cho vụ Đông - Xuân và các vụ mùa khác.
    • Target metric: Tiết kiệm ít nhất 20% lượng nước tưới so với kế hoạch hiện tại.
    • Timeline: Triển khai trong 2 vụ mùa tiếp theo.
    • Chủ thể thực hiện: Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Kẻ Gỗ phối hợp với Sở NN&PTNT Hà Tĩnh.

  2. Nâng cấp và mở rộng hệ thống công nghệ giám sát trực tuyến:

    • Động từ hành động: Cập nhật, bảo trì và mở rộng hệ thống SCADA, tích hợp thêm các cảm biến đo độ ẩm đất và dự báo khí tượng.
    • Target metric: Tăng độ chính xác dự báo nhu cầu nước cây trồng lên trên 90%.
    • Timeline: Hoàn thành trong 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hệ thống thủy lợi, các đơn vị công nghệ thông tin.

  3. Tổ chức đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ quản lý và nông dân:

    • Động từ hành động: Tổ chức các khóa tập huấn về lập kế hoạch tưới tối ưu và sử dụng công nghệ trực tuyến.
    • Target metric: 100% cán bộ quản lý và 70% nông dân trong vùng được đào tạo.
    • Timeline: Trong 6 tháng đầu năm.
    • Chủ thể thực hiện: Sở NN&PTNT, các tổ chức đào tạo nông nghiệp.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm:

    • Động từ hành động: Ban hành các chính sách ưu đãi về tài chính, kỹ thuật cho các hộ nông dân và doanh nghiệp áp dụng kế hoạch tưới tối ưu.
    • Target metric: Tăng diện tích áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm lên 50% trong 3 năm.
    • Timeline: Triển khai chính sách trong năm tới.
    • Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Hà Tĩnh, Bộ NN&PTNT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý hệ thống thủy lợi:

    • Lợi ích: Nắm bắt phương pháp lập kế hoạch tưới tối ưu, ứng dụng công nghệ trực tuyến để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống.
    • Use case: Áp dụng trong việc điều phối nguồn nước, giảm thiểu tổn thất và tăng năng suất cây trồng.

  2. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp:

    • Lợi ích: Hiểu rõ về chế độ tưới hợp lý, tiết kiệm nước và tăng năng suất cây trồng.
    • Use case: Thực hiện tưới theo kế hoạch tối ưu, giảm chi phí sản xuất và tăng thu nhập.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, nông nghiệp:

    • Lợi ích: Tham khảo mô hình nghiên cứu, phương pháp phân tích và ứng dụng công nghệ trong quản lý tưới tiêu.
    • Use case: Phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc áp dụng mô hình cho các vùng khác.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển thủy lợi, quản lý tài nguyên nước hiệu quả.
    • Use case: Thiết kế các chương trình hỗ trợ, đầu tư công nghệ và phát triển bền vững nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tưới hạn chế tối ưu là gì và tại sao cần áp dụng?
    Tưới hạn chế tối ưu là phương pháp tưới giảm lượng nước so với nhu cầu tối đa nhằm cân bằng giữa năng suất cây trồng và chi phí tưới. Áp dụng giúp tiết kiệm nước, giảm chi phí và duy trì năng suất ổn định trong điều kiện nguồn nước hạn chế.

  2. Công nghệ trực tuyến hỗ trợ lập kế hoạch tưới như thế nào?
    Công nghệ trực tuyến như SCADA cung cấp dữ liệu thời gian thực về mực nước hồ chứa, độ ẩm đất và nhu cầu nước cây trồng, giúp điều chỉnh kế hoạch tưới linh hoạt, kịp thời ứng phó với biến động khí hậu và nguồn nước.

  3. Mức tiết kiệm nước khi áp dụng kế hoạch tưới tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy có thể tiết kiệm khoảng 20-25% lượng nước tưới so với kế hoạch truyền thống mà không làm giảm đáng kể năng suất cây trồng.

  4. Làm thế nào để xác định thời vụ gieo trồng tối ưu?
    Thời vụ gieo trồng tối ưu được xác định dựa trên phân tích dữ liệu khí tượng thủy văn và dự báo hạn hán, nhằm tránh giai đoạn khô hạn cao điểm, tăng hiệu quả sử dụng nước và năng suất cây trồng.

  5. Ai là người chịu trách nhiệm triển khai kế hoạch tưới tối ưu?
    Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Kẻ Gỗ phối hợp với Sở NN&PTNT Hà Tĩnh và các tổ chức liên quan chịu trách nhiệm xây dựng, triển khai và giám sát kế hoạch tưới tối ưu, đồng thời phối hợp với nông dân thực hiện.

Kết luận

  • Xác định thành công mức tưới toàn vụ tối ưu và hạn chế tối ưu cho cây lúa và lạc tại hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ, giúp tiết kiệm nước khoảng 20-25% mà vẫn duy trì năng suất trên 88%.
  • Ứng dụng công nghệ trực tuyến SCADA hỗ trợ giám sát và điều chỉnh kế hoạch tưới theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống.
  • Kế hoạch tưới tối ưu góp phần giảm chi phí vận hành, tăng lợi nhuận kinh tế và giảm thiểu thiệt hại do hạn hán.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai áp dụng kế hoạch tưới tối ưu, nâng cấp công nghệ, đào tạo cán bộ và xây dựng chính sách hỗ trợ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển bền vững cho quản lý nguồn nước và sản xuất nông nghiệp trong điều kiện biến đổi khí hậu và nguồn nước hạn chế.

Next steps: Triển khai áp dụng kế hoạch tưới tối ưu trong các vụ mùa tiếp theo, mở rộng ứng dụng công nghệ trực tuyến và đào tạo nâng cao năng lực cho cán bộ và nông dân.

Call to action: Các cơ quan quản lý, đơn vị vận hành và nông dân cần phối hợp chặt chẽ để thực hiện các giải pháp đề xuất, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.