بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آبیاری قطره ای ثقلی GDI
چکیده
آبیاری قطره ای ثقلی روش جدیدی است که در آن آبیاری قطره ای با استفاده از فشار آب موجود در مزرعه انجام می پذیرد. و انرژی مورد نیاز سیستم از اختلاف ارتفاع سطح آب در ابتدا و انتهای مزرعه به دست می آید. در سیستم آبیاری قطره ای ثقلی ضمن آبگیری از شبکه کانالها و چاههای مزرعه، از انرژی موجود در سیستم مذکور به منظور تأمین انرژی مورد نیاز استفاده به عمل آمده و از بکارگیری انرژی اضافی (ایستگاه پمپاژ) خودداری می گردد.
مقدار کلی انرژی مورد نیاز این سیستم بین ۱ تا ۳ متر ارتفاع آب برای مزارع تا یکصد هکتار می باشد.
می توان بخشی از این ارتفاع را از شیب در کانال انتقال و یا انهار آبرسان و شیب فاروها تأمین کرد و بدین ترتیب از هرگونه پمپاژ اضافی اجتناب نمود. جانمایی این سیستم و طراحی آن مطابق مشخصات زمین بسیار مهم بوده و در قطعه بندی شبکه و آرایش لوله ها تأثیر اصلی دارد.
لوله های مورد استفاده با توجه به فشار کار پائین با سیستمهای موجود متفاوت بوده و می توان از لوله های با ضخامت کم استفاده نمود. در این روش یکنواختی توزیع آب تا حدود 85 درصد قابل تأمین است. استفاده از سیستم فیلتر آب و کوددهی مخصوص نیز با توجه به شرایط کار قابل طراحی است. ضمنا بعلت فراخ بودن روزنه ها در این سیستم حساسیت قطره چکان در مقابل مواد معلق و رسوب کاهش می یابد. این سیستم از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر بهره برداری زارع آسان و نزدیک به روشهای معمولی آبیاری می باشد.
با حذف ایستگاه پمپاژ، ضمن حذف هزینه های مربوطه، هزینه های جاری تأمین انرژی و بهره برداری و نگهداری ایستگاه پمپاژ حذف می گردد و با طراحی مناسب لوله های انتقال و آبرسان و لوله های فرعی در هزینه های ثابت اولیه صرفه جویی قابل ملاحظه ای بعمل می آید.
مبانی اصلی عملکرد این سیستم بر تقلیل فشار مورد نیاز قطره چکان قرارداد و فشار کارکرد قطره چکان در حدود 0.5 متر می باشد و بدین لحاظ کل شبکه با فشار کم قابل طراحی است. در تحقق موارد فوق الذکر، با ساخت لوازم و تجهیزات مورد نیاز روش آبیاری مذکور در باغات پسته به صورت نمونه اجرا گردیده و نتایج مطلوبی بدست آمده است.
۱- مقدمه
آبیاری قطره ای ثقلی Gravity Drip Irrigation روش جدیدی است که در آن آبیاری قطره ای با استفاده از فشار ارتفاع آب موجود انجام می پذیرد و انرژی مورد نیاز سیستم از اختلاف ارتفاع سطح آب در ابتدا و انتهای مزرعه بدست می آید.
در سیستم آبیاری قطره ای ثقلی ضمن آبگیری از شبکه کانالها و چاههای مزرعه، از انرژی موجود در سیستم مذکور به منظور تأمین انرژی مورد نیاز استفاده بعمل آورده و از بکارگیری انرژی اضافی (ایستگاه پمپاژ) خودداری می گردد.
مقدار کلی انرژی مورد نیاز این سیستم بین ۱ تا ۳ متر ارتفاع آب برای مزارع تا یکصد هکتار می باشد که می توان بخشی از این ارتفاع را از شیب در کانال انتقال و یا انهار آبرسان و شیب فاروها تأمین کرد. بنابراین ارتفاع اولیه مورد نیاز از منبع آبی در حدود ۳ متر بوده (برای شیب صفر اراضی تحت آبیاری و در صورت وجود شیب از این ارتفاع کاسته شده و ارتفاع اولیه مورد نیاز در محل منبع تأمین آب برای آبیاری یک واحد یکصد هکتاری می تواند تا یک متر نیز کاهش یابد حال اگر منبع اصلی تأمین آب چاه باشد می توان از فشار پمپاژ موجود چاه این ارتفاع را بدون اشکال تأمین نمود و در صورتی که منبع اصلی آب سطحی باشد ضروری است خط انتقال طوری از بالادست طراحی گردد که این ارتفاع تأمین شود و بدین ترتیب از هرگونه پمپاژ اضافی اجتناب نمود. جانمایی این سیستم و طراحی آن مطابق مشخصات زمین بسیار مهم بوده و در انتخاب طول فاروها و قطعه بندی شبکه نیز تأثیر اصلی دارد.
لوله های مورد استفاده باتوجه به فشار کار بسیار پائین با سیستمهای موجود متفاوت بوده و می توان از لوله های با ضخامت کم استفاده نمود. در این روش یکنواختی توزیع آب تا حدود ۸۵ درصد قابل تأمین است. استفاده از سیستم فیلتر آب و کوددهی مخصوص نیز با توجه به شرایط کار قابل طراحی است. ضمنا بعلت فراخ بودن روزنه ها در این سیستم (بیش از ۱۵۰۰ میکرون) حساسیت روزنه ها در مقابل مواد معلق و رسوب بسیار کاهش می یابد. این سیستم از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر بهره برداری زارع اسان و شبیه به روش های معمولی آبیاری می باشد. با حذف پمپاژ در آبیاری قطره ای ثقلی، هزینه اولیه تهیه پمپ و هزینه های جاری تأمین انرژی پمپاژ و بهره برداری و نگهداری حذف می گردد و این کاهش هزینه تأثیر زیادی در انتخاب روش آبیاری بوجود می آورد. با طراحی مناسب لوله های انتقال، آبرسان لترالها و سایر تجهیزات مورد نیاز بر این اساس می توان در هزینه های اجرایی صرفه جویی قابل ملاحظه ای بعمل آورد. مبانی اصلی عملکرد این سیستم بر تقلیل فشار مورد نیاز قطره چکان قرار دارد. در سیستم آبیاری قطره ای ثقلی، فشار کارکرد قطره چکان در حدود 0.5 متر می باشد و بدین لحاظ کا شبکه با فشار کم قابل طراحی است.
۲- اجزاء سیستم
اجزاء اصلی مورد نیاز سیستم آبیاری قطره ای ثقلی شامل :
- 1منبع تامین فشار ۲۔ صافی و وسایل فیلتراسیون اب ٣- خط توله اصلی و ثانویه ۴- خطوط لوله فرعی ۵- قطره چکانها
۶- شیر های قطع و وصل ، ضمائم و وسایل وابسته
می باشد که ذیلا مشخصات فنی آن ارائه می گردد.
٣- قطره چکان
مهمترین جزء سیستم آبیاری قطره ای ثقلی قطره چکان می باشد که می بایست در فشار 0.5 الی 1.5 متر دبی متداول و مورد نیاز آبیاری قطره ای (حداقل ۴ لیتر بر ساعت) را تأمین نماید. به منظور طراحی قطره چکان با شرایط فوق طی یک برنامه تحقیقاتی سه ساله آزمایشگاهی و صحرایی ، انواع بررسیها و مدل سازی های انجام گرفته و قطره چکان مورد نظر که در شرایط فشار بسیار کم حساسیت لازم جهت افت فشار در طول لوله فرعی و دستیابی به دبی خروجی ثابت را دارا باشد ساخته شده است.
-3-1 مبانی هیدرولیک قطره چکانها
در سیستم آبیاری قطره ای متداول موجود برای کاهش فشار آب در داخل لوله های فرعی و تنظیم جریان اندک و یکنواخت آب روشهای مختلفی بکار گرفته شده است. بعنوان مثال در قطره چکانهای دارای مسیر طولانی، لوله های موئینهای طویلی برای کاهش فشار تعبیه شده است. قطره چکانهای روزنه ای دارای یک سری روزنه برای کاهش فشار می باشند. قطره چکانهای دورانی از اثر دورانی جهت استهلاک انرژی و کاهش فشار استفاده می کنند. قطره چکانهای شستشو دهنده طوری طراحی می شوند که با باز شدن جریان آب مجرای تخلیه را شستشو می دهد. قطره چکانهای شستشو دهنده پیوسته در هنگام کار ذرات جامد را بطور پیوسته شستشو می دهند و بالاخره قطره چکانهای جبران کننده فشار، برای دبی خروجی ثابتی در دامنه های مختلف از تغییر فشار لوله فرعی طراحی می شوند. برخی از ویژگیهای اصلی مورد توجه در طراحی قطره چکانها به قرار زیر است :
١- رابطه دبی و فشار با ویژگیهای طراحی
۲- توان معادله دبی تخلیه قطره چکان
٣- تغییرات دبی تخلیه ناشی از تغییرات ساخت
۴- افت فشار در لوله فرعی ناشی از اتصال قطره چکان
- 5حساسیت به گرفتگی
۶- تغییرات دما
ذبلا مبانی هیدرولیکی انواع قطره چکانها بصورت خلاصه ارائه می گردد :
الف) قطره چکانهای دارای مسیر طولانی ( Long Pan) :
ب) قطره چکانهای روزنه ای :
ج) لوله های دو محفظه ای :
د) قطره چکانهای دورانی و اسپری کننده :
ه) قطره چکانهای جبران کننده فشار
:
در کلیه معادلات فوق
:k ضریب ثابت
:L طول مسیر جریان قطره چکان
: gشتاب ثقل
: dمقطع جریان
: qدبی تخلیه قطره چکان
a سطح مقطع جریان
c: ضریب که به ویژگیهای نازل بستگی دارد
در کلیه قطره چکانهای فوق الذکر که در حال حاضر در سیستم آبیاری قطره ای مورد استفاده قرار می گیرند جهت کنترل دبی تخلیه قطره چکان و همچنین خنثی سازی افت فشار در طول لوله فرعی، فشار مصنوعی در حدود ۱۰ متر به فشار مورد نیاز لوله های فرعی اضافه می گردد که علاوه بر نیاز به احداث ایستگاه پمپاژ، ضرورت تأمین انرژی در طول مدت بهره برداری و همچنین مسائل و مشکلات نگهداری سیستم را موجب می گردد.
با توجه به موارد بالا قطره چکان در سیستم قطرهای ثقلی که قابلیت کار با فشار پائین و عملکرد مطلوب را دارا باشد به شرح زیر طراحی گردیده است.
- ۳- قطره چکان سیستم آبیاری قطره ای ثقلی
برای طراحی قطره چکان GDI که در شرایط فشار کم (بین 0.5 الی 1.5 متر قادر به تخلیه جریان کم و یکنواخت در طول مسیر لوله فرعی است از تلفیق مبانی هیدرولیکی موارد زیر استفاده گردیده است :
الف ) هیدرولیک میکروتیوپ
ب) هیدرولیک لوله های دوجداره
ج) هیدرولیک جبران کننده فشار
میکروتیوپها لوله های باریکی هستند از جنس پلی اتیلن که قطر داخلی آنها از ۱۰۰۰ میکرون به بالا می باشد. با توجه به فشار کارکرد و قطر داخلی میکروتیوپ می توان دبیهای مختلفی را از آن عبور داد. بطور کلی معادله جریان میکروتیوپ ها به قرار زیر است :
که در آن :
: qدبی میکروتیوپ
: Lطول میکروتیوپ
H فشار کارکرد میکروتیوپ
D,c,b,aضرایب ثابت
در ساخت قطره چکان GDI از افت ناشی از عبور آب در مسیر جریان میکوتیوپ در تلفیقی از لوله های دو جداره همچنین از سیستم جبران کننده افت فشار استفاده گردیده است. در نتیجه در فشارهای پائین دبی قطره چکان با دامنه یکنواختی قابل قبولی در ابتدا و انتهای لوله فرعی قابل حصول است. دبی قطره چکان GOI از رابطه زیر بدست می آید.
که در آن :
k: ضریب ثابت
h: فشار کارکرد قطره چکان
X: توان معادله دبی قطره چکان
در این نوع قطره چکان حداقل قطر روزنه عبور آب ۱۵۰۰ میکرون برای دبی ۴ لیتر بر ساعت است. جهت دستیابی به دبی های بالاتر قطره چکان با افزایش قطر میکروتیوپ و لوله های دو جداره قطره چکان با دبی های ۸ و ۱۲ و بالاتر ساخته می شود. مزایای عمده این قطره چکان در مقایسه با قطره چکانهای موجود عبارت است از :
۱- استفاده از فشار بسیار پایین0.5 الی 1.5 متر) با کنترل دبی تخلیه قطره چکان ۲- مقطع بزرگ عبور آب و در نتیجه کاهش حساسیت نسبت به گرفتگی قطره چکان ٣- نصب ساده و آسان با توجه به فشار پائین سیستم ۴- آب بندی کامل با توجه به فشار پائین سیستم ۵۔ خنثی سازی اثر دما در میزان تخلیه قطره چکان ۶- تغییرات مجاز در میزان تخلیه باتوجه به نوسان فشار در سیستم
تصویر شماره ۱ نحوه نصب و قرار گرفتن قطره چکان GDI را بر روی لوله فرعی نشان می دهد.
۴- منبع آب و تأمین فشار
در سیستم آبیاری قطره ای ثقلی ضمن آبگیری از شبکه کانالها و چاههای موجود در مزرعه از انرژی موجود در سیستم به منظور تأمین انرژی مورد نیاز استفاده بعمل آورده و از بکارگیری انرژی اضافی (ایستگاه پیاز برای آبیاری قطره ای خودداری می گردد. با توجه به وسعت مزرعه و شرایط توپوگرافی اراضى ارتفاع ب مورد نیاز در این سیستم بین ۱ تا ۳ متر متغیر است.
فشار سیستم آبیاری قطره ای ثقلی GDI از یک منبع به قطر ۱ تا 1.5 متر و ارتفاع ۱ تا ۲ متر که بر روی پایه ای حداکثر به ارتفاع ۱ متر (با توجه به شرایط توپوگرافی و اندازه مزرعه این میزان متغیر است) تأمین می گردد. این منبع قطعات آبیاری قطره ای ثقلی تا وسعت ۱۰ هکتار را زیر پوشش دارد و آبگیری آن کاملا فنی و از منابع آب موجود در مزرعه صورت می گیرد قابل توجه است که مزرعه با وسعت بالاتر جهت سهولت بهره برداری به قطعات ۱۰ هکتاری جهت تأمین و تنظیم فشار تقسیم می گردد. اجزاء تشکیل دهنده منبع تأمین فشار عبارتند از :
١- شیر تنظیم دبی - ارتفاع
۲- صافی شنی شیر تنظیم دبی - ارتفاع با توجه به فشار کم سیستم از طراحی خاصی برخوردار می باشد، همچنین در منبع جهت جلوگیری از ورود خاشاک و ذرات معلق در آب علاوه بر فیلترهای جداگانه، فیلتر شنی متحرک نیز نصب شده که در صورت مسدود شدن قابل شستشو می باشد.
عکس شماره ۲- منبع تأمین فشار و خط لوله اصلی در طرح تیپ آبیاری قطره ای ثقلی باغات پسته
۵- آرایش شبکه لوله در سیستم آبیاری قطره ای ثقلی
آرایش شبکه لوله های انتقال، لوله های اصلی و ثانویه و شبکه لوله های فرعی که آب را به پای گیاه می رساند در طرح آبیاری قطره ای تقلی از اهمیت زیادی برخوردار است. طراحی در این سیستم با یک روش مهندسی و با استفاده از حداکثر شیب اراضی و با توجه به مجموعه نکات مربوطه به سرمایه گذاری اولیه، بهره برداری و نگهداری انجام می پذیرد.
- ۵- شبکه لوله های انتقال آب
در شبکه آبیاری قطره ای نقلی لوله های انتقال آب وظیفه انتقال آب را از محل تأمین آب (چاه یا کانال آبیاری) به داخل منبع تأمین فشار بعهده دارند. بر روی لوله های انتقال تجهیزات کنترل قطع و وصل و تخلیه هوا قرار می گیرد.
با توجه به فشار کم سیستم استفاده از لوله های با جدار نازک امکانپذیر بوده و توصیه می گردد. طراحی و اجرای نصب لوله های انتقال آب عینا براساس استاندارها و ویژگیهای مندرج در دستورالعمل نصب لوله و کارخانه سازنده انجام می گیرد. ضمن طراحی کنترل سرعت غیر رسوب گذار آب در داخل لوله توصیه می گردد راههایی برای شستشو و تخلیه رسوبات در این لوله ها در نظر گرفته شود. برای محاسبه افت در این لوله ها معمولا از فرمول هیزن ویلیامز استفاده می گردد :
V: سرعت آب در داخل لوله
Rh : شعاع هیدرولیکی
C: ضریب ثابت جنس لوله
SF شیب خط انرژی
