بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه برنامه محاسباتی با پردازش داده های مورد نیاز جهت طراحی و تحلیل احداث بند انحرافی و کانال آبرسانی
مطالعه موردی (روستای بوجان از توابع شهرستان تویسرکان )
چکیده
گستردگی و پیچیدگی مباحث هیدرولیکی در طراحی و مطالعات سازه های آبی انگیزه ای بر ارائه مدل طراحی، تحلیل و ارزیابی سریع با معرفی گزینه بهینه جهت رشد و ارتقاء پروژه های انتقال و مصرف آب شد. با بهره گیری از این برنامه های محاسباتی در یک بسته طراحی شده امکان پردازش و مشاهده راههای عملیاتی و بسط آن در تحلیل و توجیه اقتصادی فراهم شده است .مبانی طراحی با بررسی نیازهای آبی منطقه با استفاده از جداول NETWAT و نهایتأ محاسبه حداکثر هیدرو مدول آبیاری در ماه پر مصرف که مبنای طراحی کانال آبرسانی در سطح هکتار می باشد انجام گرفته است. با بهره گیری از این برنامه محاسباتی می توان با استفاده کاربردی و منسجم درحداقلزمان ممکن جهت طراحی دقیق، تحلیل وآنالیز دادهایآبیاری همراه با توجیه اقتصادی در یک ارتباطی پیوسته جهت طراحی کانال و بند انحرافی در یک الگوی کشت 011 هکتاری در یک فایل نرم افزاری اکسل اقدام نموده و راندمان انتقال آب (EC) را که قبل از اجراء طرح حدود 52تا52 درصد می باشد با افزایش حداقل 02درصد،سطح زیر کشت را پس اجراء طرح به حدود 01 درصد ارتقاء داده و باعث افزایش تولید و درآمد کشاورزان شد.
کلید واژه: کانال آبرسانی، بند انحرافی، برنامه محاسباتی، پردازش داده، طراحی، روستای بوجان
1
مقدمه
از مساحت 7/2 میلیون هکتار قابل کشت در کشورمان در حدود 3 میلیون هکتار از اراضی آب کافی به گیاه نمی رسد در صورتی که با اختصاص 22/2 میلیارد مترمکعب میزان آب مصرفی برای هر هکتار 05/51 متر مکعب حاصل می شود با در نظر داشتن متوسط نیاز خالص آب آبیاری به میزان 2211 مترمکعب در سال می توان به عمق هدر رفتگی و اتلاف منابع آب در حین آبیاری پی برد با توجه به اینکه هدف از احداث شبکه های آبیاری فراهم آوردن امکان بهره وری از منابع آب و خاک با ایجاد تأسیساتی است که در آنها اصول و ضوابط فنی اقتصادی رعایت شود. این کار باعث کاهش تلفات و افزایش بهره برداری ودر عین حال کاهش میزان سر مایه گذاری و طول زمان اجراء می شود. (ضوابط عمومی طراحی شبکه های آبیاری و زهکشی (0323 در پروژه ها و طرح های آبی به منظور تولید محصولات یا افزایش آن انتقال آب باید براساس یک راندمان قابل قبول سیستم آبیاری انجام پذیرد (یو ا س بی از ، .(0772
در نهایت پوشش کانال های آبیاری یکی از روش های بسیار مؤثر در جلوگیری از تلفات آب و فرسایش خاک است.
فراهانی .(0370) شبیه سازی فرایند بارش رواناب، سد ساروق، با نرم افزار HEC-HMS آبریز تحت اکسل مشخصات ایستگاههای هیدرومتری استان خراسان. بهینه سازی ابعاد بندهای انحرافی و تاسیسات هیدرولیکی وابسته به آن با استفاده از نرم افزار HECRAS3.1.1اهمیت محاسبه ابعاد پروژه را با استفاده سریع و دقیق با استفاده از نرم افزار اعلام نموده است .
سازمان کشاورزان در مدیریت سیستم آبیاری (5112) در هند CASE STUDY OF2 FOUR با همیاری انجمن کاربران آب با مدیریت سیستم آبیاری نسبت به بازسازی کانال های آبیاری در پروژه Gudha آبیاری، راجستان، هند اقدام نمودند راندمان انتقال و مصرف بهینه از سیستم کانال توسط WUAs و توزیع صحیح باعث 33٪ تا 30 ٪ صرفه جویی در روز و نسبت منافع به هزینه را از0102 تا0137 رساندند.
انجمن هیدرولیک آمریکا (5117) مدل ساز هیدرولیکی تحلیلی با محاسبه ضربه قوچ کیفیت آبیاریwatergems&GIS تحت داس عمل می نماید. همچنین با بررسی های انجام شده نرم افزارهایی جهت طراحی و تحلیل شبکه های ابداع گردیده مانند نرم
افزار loop که همگی این نرم افزارها به صورت انفرادی جریان آب را در لوله ها و سیستم های تحت فشار را دنبال میکنند.
مواد و روشها
موقعیت جغرافیایی روستای بوجان
روستای بوجان واقع در دهستان کرزانرود از توابع شهرستان تویسرکان بوده و در فاصله 02 کیلومتری شمال غرب این شهرستان قرار دارد. این روستا از شمال به اراضی روستای گشانی و طرح باغات توسعه سبز، از جنوب به اراضی روستای باباپیر علی از شرق به اراضی روستای آرزووج و از غرب به اراضیروستای تیمیجان و قلعهآستیجان محدود میباشد و در طول جغرافیایی 32 55 و عرض جغرافیایی 33 37 قرار گرفته است که ارتفاع آن نیز از سطح دریا حدود 5131 متر می باشد. این روستا از توابع مرکز خدمات جهاد کشاورزی حومه شهر میباشد. ضمناً راه ارتباطی این روستا تا مرکز شهرستان آسفالته بوده و راه دسترسی به محل پروژه از طریق جاده خاکی می باشد.
2
روند محاسباتی
محاسبه دبی طغیانی و ارتفاع روان آب به منظورپیشنیاز طراحی سازه انحراف آب که هدف فرعی ما جهت ارزیابی تو جیه اقتصادی کل تأسیسات مورد نیاز دراین پروژه و پروژه های مشابه می باشد مورد ارزیابی و محاسبه قرار می گیرد در این راستا روشهای محاسبه متفاوتی وجود دارد که در این پروژه از روش محاسبه مشخص کردن جداول شماره منحنی های میزان نفوذ آب (CN) استفاده شده است.جهت مشخص شدن پارامترهای سطح حوزه و شیب متوسط حوزه از نقشه 1:25000با بهرهگیری از نرم افزار اتوکد استفاده شده است بقیه محاسبات با طراحی جداولی با نرم افزار اکسل انجام گرفته است.
فیزیو گرافی حوزه
با معلوم بودن فاصله و ارتفاع از مبنای دو نقطه آبراهه و حاصل تقسیم اختلاف ارتفاع بر فاصله شیب ناخالص بین آن دو نقطه که معمولاً نقاط ابتدایی و انتهایی آبراهه می باشند بدست می آید. این شیب ضریب زاویه خطی است که ابتدا و انتهای پروفیل طولی رودخانه را به هم وصل می کند. و در مثلث فرضی پدید آمده این ضریب زاویه برابر است با حاصل نقسیم ضلع مقابل به
زاویه بر ضلع مجاور آن.
مساحت زیر منحنی نیمرخ طولی (کیلومتر مربع) جهت محاسبه آن با استفاده از ابزار area در نرم افزار اتوکد بر روی نقشه 0052111 محاسبه گردیده است.
طول آبراهه (کیلومتر) با استفاده از ابزار dist محاسبه گردیده است.
مساحت حوضه: 0112732 متر مربع برابر 011 هکتار و پنج هزارو نهصدو چهل و هشت متر مربع
- طول حوزه: 5011 متر -- بالاترین نقطه حوزه: 5173 متر
-- پایین ترین نقطه حوزه: 0770 متر -- شیب متوسط حوزه:% 11137 درصد
جدول :1 محاسبه رواناب بر اساس داده ها
نیاز آبی و پارامترهای برنامه ریزی
.روند کلی پروژه در ابتدا براساس مشخص شدن نیاز خالص آبی چهار گونه الگوی کشت شهرستان تویسرکان شامل سیب زمینی ،چغندر قند،گندم ،جو ،درمساحتی برابر 011هکتاردر روستای بوجان از توابع شهرستان که از جداول NETWAT استخراج گردیده است شروع می گردد. سپسبا طراحی جداولی در نرم افزار اکسلکه ارتباطپیوسته ایدرداده ها و محاسبات آنمیباشد با مشخص شدن دور آبیاری و نیاز خالص آبیاری عمق خالص و ناخالص آبیاری محاسبه می گردد.در حاشیه این جدول مکمل دیگری طراحی گردیده که پارامترهای مختلفی که نقش اساسی در محاسبه هیدرومدول آبیاری دارند از جمله راندمان آبیاری و پارامتر های دیگر که در محاسبه و طراحی آبیاری تحت فشار نیز قابلیت اجرایی دارد در نظر گرفته شده به گونه ای که با تغییر دلخواه راندمان حداکثر هیدرو مدول آبیاری که مبنای محاسبه و طراحی کانال مورد نظر ما می باشد محاسبه می گردد. در انتهای این جدول به یک جمع بندی از مجموع نیاز خالص و ناخالص وزنی آبیاری بر حسب متر مکعب در سال و در به نهایت نیاز ناخالص وزنی کل مزرعه بر حسب متر مکعب در سال می رسد که.در کلیه محاسباتانجام گرفتهاز نرم افزار اکسل استفاده شده است.
مراحل انجام کار
-1 نیاز خالص : چهار گونه الگوی کشت منطقه تویسرکان از روی جدول NETWAT استفاده گردیده -2 عمق خالص آبیاری: برابر است با حاصلضرب نیاز خالص در دور آبیاری
روندکلی محاسبات در نرم افزار اکسل بدینصورت میباشد که در سلول خالی عمق خالص که هدف محاسبه ما است کلیک کرده و مراحل محاسبه زیر انجام میدهیم.
-3 عمق نا خالص :
فرمول شماره :0
-4 مدت آبیاری :
فرمول شماره :5 دبی )/ 3011 فاصله آبپاش ردیف آبپاش
4
-5 هیدرومدول آبیاری
هیدرومدول آبیاری که نیاز ناخالص آبی در واحد زمان و در واحد سطح که اغلب بر حسب لیتر بر ثانیه بر هکتار بیان میشود
فرمول شماره :3
-6 حجم هیدرو مدول وزنی آب مورد نیاز کشت
با توجه به جدول 00-3 هر ماه به سه تا01 وزر تقسیم شده مثلاً در سلول خالی01روز اول محاسبات به شکل زیر می باشد. مساوی درصد الگویکشت کهبرای چهار گونه الگوی کشت در مساحت 011 هکتاری برابر 52 درصد میباشد ضربدرهیدرومدول محاسبه شده هر کدام از الگوی کشت در 01 روز اول و در همان سلول حاصل هرکدام از الگوی کشت با هم جمع می شوند.
) = مجموع هیدرومدول هرکدام در 01 روز اول ضربدر الگوی کشت( (1/52 با درگ کردن آن برای ماههای بعدی حجم هیدرو مدول وزنی محاسبه میگردد.
-7 محاسبه حداکثر هیدرو مدول:
از آنجا که در محاسبه طراحی کانال حداکثر هیدرو مدول درماه پر مصرف مد نظر است جهت محاسبه حداکثر هیدرو مدول بدین صورت عمل می کنیم.
مساوی است با نوشتن عدد ماکزیمم به زبان انگلیسی ( (MAX سپس با انتخاب کلیه هیدرومدولهای محاسبه شده حداکثر هیدرو مدول محاسبه میگردد.
بدیهی است تا این مرحله از انجام کار با تغییر هر راندمانی به دلخواه حداکثر هیدرومدول ما نیز متناسب با آن تغییر کرده و ملاک تجزیه تحلیل ما نسبت به طراحی کانال و افزایش راندمان ما باشد به طوری که با انتخاب راندمان 52 درصد حداکثر هیدرومدول 0/20 می شود و با احداث کانال با دستیابی حداقل راندمان 31 درصد هیدرو مدول 0/00 می شود یعنی حدود 1/7لیتر در ثانیه در هکتار صرفه جویی شده است.
-8 حجم خالص وزنی
حجم خالص وزنی نیز با محاسبه مجموع نیاز خالص هرکدام از الگوی کشت ضرب دردرصد الگوی کشت 52 درصد می باشد در سلول 01 روز اول مهر بدست میآید سپس آن را برای ماههای بعد نیز تعمیم میدهیم.
نیاز خالص وزنی (مترمکعب در سال): از مجموع حجم خالص وزنی بدست می آید.
نیاز ناخالص وزنی(متر مکعب در سال):مساوی است با نیاز خالص وزنی تقسیم بر راندمانطرحضرب 011 نیاز ناخالص کل مزرعه (متر مکعب در سال): مساوی است با نیاز ناخالص وزنی کل در سال برحسب متر مکعب ضرب 011 هکتار الگوی کشت
5
جدول شماره :2 پارامتر های برنامه ریزی آبیاری سیب زمینی(یکی از الگوهای کشت)
6
جدول شماره :3 حجم وزنی هیدرومدول آب مورد نیاز کشت و محاسبه هیدرومدول حداکثر
مبانی طراحی کانال
طراحی هیدرولیکی کانالهای شبکه آبیاری برای جریان دایمی و یکنواخت و آبیاری 53 ساعته با استفاده از فرمول مانینگ صورت گرفته است:
فرمول شماره :3
کنترل جریان هیدرولیکی کانالها
جریان هیدرولیکی در کانال بر اساس سرعت آن مورد ارزیابی قرار میگیرد. در این ارتباط و جهت بررسی سرعت از فرمول زیر استفاده میگردد که بنام فرمول فرود مشهور است:
فرمول شماره Fr = V/ g D :2 در صورتی که مقدار عدد فرود بیشتر از یک باشد، جریان به صورت فوق بحرانی خواهد بود که سبب بروز تلاطم آب در سطح کانال میگردد. بدین لحاظ در طراحی کانال ها سرعت جریان بشکلی انتخاب گردیده که عدد فرود کوچکتر از یک باشد. در مواردی که
7
به دلیل شیب اراضی مسیر کانال سرعت جریان بیش از حد افزایش یـافته و جـریان به صـورت بحــرانی درآمده، با اسـتفاده از آبشـار (Drop) شیب کانال کاهش یافته و سرعت جریان به حد زیر بحرانی کاهش داده شده است.
بهترین سطح مقطع هیدرولیکی
بهترین سطح مقطع هیدرولیکی کمترین سطح را برای عبور یک مقدار معینی از شدت جریان دبی می باشد می دهد.
با توجه به اینکه طراحی اوجی بند مستلزم ارتفاع تمام شده کانال آبیاری می باشد با توجه به مدول آبیاری 0/00 لیتر در ثانیه و تأ مین آن جهت 011 هکتار الگوی کشت ابتدا کانال طراحی می گردد
جدول شماره : 4 مدل طراحی ابعاد و مقطع کانال ذوزنقه
روش محاسبه ابعاد کانال
جهت محاسبه ابعاد کانال معمولاً از روشهای آزمون و خطا استفاده میشود. که معمولاً با ماشن حساب انجام میگیرد. و امکان انجام آن با بر نامه نویسی اکسل در آن روش میسرنمیباشد.
از آنجا که دربعضی از محاسبات هیدرولیکی به مسائلی برخورد کرده که با مشخص بودن دبی طرح پارامتر های مجهولی چون ار تفاع میانگین طرح باید محاسبه گردد لزوم طراحی چنین برنامه نویسی حائز اهمیت می باشد که مراحل انجام آن به شرح ذیل میباشد.
استفاده از فرمول((b/y=2-m (سازه های ا نتقال آب دکتر محمد کریم بیرامی )
-1 شیب جانبی
8
شیب جانبی کانال بستگی به جنس زمین از نظر سختی و ایستادگی خاک دارد معمولاًآن را 00012 تا000 (قائم به افق ) در ایران معمولاً آن را 000 در نظر می گیرند و در این پروژه عدد یک در نظر گرفته شده.
-2نسبت B/Y
(ار تفاع به عرض کانال ) بر اساس دبی طرح در جداولی مخصوص محاسبه می شود در مناطق ایران حداکثر 5/2 در نظر می گیرند. (سازه های ا نتقال آب دکتر محمد کریم بیرامی )
و در شرایط خاص تا 2 هم در نظر می گیرند.در این پروژه با توجه به دبی طرح عدد 0 در نظر گرفته شده.است.جدول به گونه ای طراحی شده که ارتباط پیوستهای در بین داده ها وجود دارد و شما همواره ارتباط مستقیم با فرمول ها و راه حلهای محاسباتی دارید.
-3 محاسبه سطح مقطع کانال
A=(b/y+m) y^2
P=b+2 y (1+m^2)^(1/2)
فرمول های شماره : 0 P=(b/y+2 (1+m^2)^(1/2)
E=S^1/2 A R^(2/3)/N^8/3
Y=Q/E)^(3/8)
مدل محاسباتی جهت طراحی و آنالیز داده ها
در طراحی کانالها دادهها ارتباط تنگاتنگی با هم دارند به طوری که در یک پروژه چنانچه شیب مورد نظر کمتر از حد مورد نظر باشد باعث کاهش سرعت و در نتیجه باعث رسوبگذاری در طرح میگردد. و چنانچه همین شیب بیشتر از میزان استاندارد باشد باعث افزایش سرعت جریان و درنتیجه یکی از پیامدهای آن باعث خوردگی کانال میگردد. در طراحی کانالها معیاری برای جلوگیری از چنین حوادثی وجود دارد که آن عدد فرود است که رابطه مستقیمی باسرعت جریان دارد و معمولاً طراحی ابعاد و داده های ما به گونهای باید باشد که عدد فوق زیر یک باشد و حدود 1/7 باشد بهتر است. درطراحی جدولزیر موارد داده ها به صورتیمیباشد که تغییرات دادهها در روابط محاسباتی نمود خود را در سرعت جریان و عدد فرود نشان می دهند.پس چنانچه به فرض مثال سرعت جریان بیشتر از حد مجاز باشد و باعث افزایش عدد فوق گردد. باید نسبت به اصلاح مقطع و تغییراتی در شیب خط پروژه اقدام نمود.
