بخشی از مقاله
چکیده
آرایش نامطلوب خطوط انتقال در شبکههای آبیاری منجر به توزیع نامناسب آب در مزرعه و در نهایت کاهش راندمان آبیاری و افزایش هزینهها میشود. هدف از تحقیق، استخراج و وزندهی متغیرهای اصلی طراحی سامانههای آبیاری تحت فشار می باشد، برای مدلسازی و تحلیل از نرمافزار IRRICAD استفاده شد.
جهت انجام مدلسازی و تحلیلها از فاز یک شبکه آبیاری باغ 3000 هکتاری خسروی قصرشیرین متعلق به بنیاد مستضعفان استفاده شده است، دلیل انتخاب این محدوده تجربیات محققان در پژوهشهای کاربردی مختلف با رویکردهای متفاوت، دسترسی به اطلاعات و همچنین سطح بالای طراحی در آن بوده است. در روش طراحی متداول با ارزیابی گزینههای مختلف، بیشتر برمبنای تجربه طراحان، ترکیب، مسیر و تعداد خطوط طراحی می شود. برای محاسبه هزینه احداث شبکه و هزینه بهرهبرداری از قیمت مواد و لوازم در سال 1395 و 1396 استفاده شده است.
در مطالعه حاضر مدلسازی و تحلیل شبکه آبیاری در آرایشهای مختلف انجام و توأم با تحلیل اقتصادی، معیارهای اصلی با وزن دهی مشخص در پنج سناریوی متفاوت تحلیل شده اند. برمبنای نتایج بدست آمده، افزایش فشار در خطوط اصلی انتقال آب، کاهش تعداد مسیرهای فرعی و طول منیفیلد مهمترین متغیرها برای بهبود و سهولت بهره برداری، کاهش هزینه ها و افزایش درجه اتوماسیون می باشد؛ افزایش درجه اتوماسیون تاثیر بهسزائی در کاهش هزینههای بهرهبرداری و توزیع یکنواخت آب در کل زمان آبیاری در سطح مزرعه دارد.
به علاوه انعطاف پذیری سامانه در شرایط بحرانی یا عملیات خاکشوئی را بالاتر خواهد برد؛ بهطوریکه مقایسه بین شبکه متداول و شبکه بهینه سازی شده کمترشدن هزینههای احداث و بهرهبرداری تا 30 درصد و افزایش قابلیت اطمینان را نشان میدهد. لذا بهروزرسانی و تدوین دستورالعملهای طراحی متناسب با شرایط فنی و اقتصادی حاکم بر مزارع ایران، مستندسازی تجربیات، آموزش طراحان جهت کاهش هزینه، افزایش قابلیت اطمینان و جلوگیری از شکست طرحهای آبیاری تحت فشار بایستی مورد توجه بیشتر قرار گیرد.
مقدمه
آب و مدیریت صحیح منابع آب، یکی از مشکلات اساسی کشورهای در حال توسعه است. بهطوریکه امروزه توسعه انسانی بهشدت وابسته به اصلاح مدیریت منابع آب شده است. کشور ما بهدلیل قرار گرفتن در کمربند خشک آب و هوایی جهان یکی از کشورهای کمآب و خشک دنیا بهشمار میآید. خشکی و پراکنش نامناسب زمانی و مکانی بارندگی بهدلیل شرایط خاص اقلیمی کشورمان واقعیتی اجتنابناپذیر است. متوسط بارندگی سالانه ایران حدود 250 میلیمتر است که از متوسط بارندگی در جهان 860 - میلیمتر - بسیار کم تر بوده و در دهه اخیر روند کاهشی نیز داشته است
لذا هرگونه تولید مواد غذایی و کشاورزی پایدار منوط به استفاده صحیح از منابع آب محدود کشور و مدیریت منطقی آنها میباشد. تعیین راندمان سامانههای آبیاری موجود و ارزیابی نحوه کار آنها از مهمترین و ضروریترین اقدامات لازم برای تصمیمگیری و تصمیم سازی مرتبط با مصرف بهینه آب، الگوی کشت و کاهش تلفات آب آبیاری است. در این راستا، مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی اقدام به تهیه بانک اطلاعاتی راندمانهای آبیاری و تهیه نقشه جامع آبیاری کشور کرده است.
نتایج این مطالعات با بررسیهای مزرعهای در سامانهها و شبکه های مختلف آبیاری سنتی و تحت فشار نشان داد که راندمان کاربرد آب آبیاری در کشور از 22/5 تا 85/5 درصد متغیر و میانگین آن 56 درصد است. این ارقام طی دهههای اخیر رشد قابلتوجهی داشته است. از مهمترین عوامل موثر در افزایش راندمان طی سالیان اخیر میتوان به توسعه سامانههای نوین آبیاری، افزایش دانش و تجربه مهندسان و بهرهبرداران اشاره نمود
در دهههای اخیر، محدودیت منابع آب برای مصارف کشاورزی از یک سو و افزایش بیرویه جمعیت از سوی دیگر، توسعه و کاربرد روشها و سامانه های نوین آبیاری را در سطح کشور اجتنابناپذیر نموده و استفاده از سامانههای آبیاری تحتفشار بهعنوان یکی از گزینههای مؤثر در افزایش راندمان آبیاری و بهبود کارآیی مصرف آب انتخاب شده است. در ایران بالغ بر 18 میلیون هکتار زمین زراعی و باغی در حال بهرهبرداری است که از این میزان تقریباً 8 میلیون هکتار آبی و 10 میلیون هکتار دیم کشت میشوند
عدم استفاده بهینه از آب موجود و پایین بودن راندمان آبیاری، از مشکلات اساسی آبیاری در ایران میباشد. از مهم ترین دلایل پایین بودن بهرهوری و بازده آب آبیاری میتوان به کمبود دانش فنی طراحان، مجریان و بهرهبرداران سامانههای آبیاری تحت فشار اشاره کرد. روشهای آبیاری تحت فشار علی رغم مزایای متعدد، دارای محدودیت-هایی بوده و نیاز به مدیریت بالایی دارند.
روشهای آبیاری تحت فشار به لحاظ بالا بودن راندمان آبیاری و یکنواختی مصرف آب، یک راه حل مناسب جهت استفاده از منابع آب میباشند، به شرطی که انتخاب، طراحی، اجرا و بهرهبرداری از سامانه با دقت کافی و بهطور اصولی انجام شود. لذا در راستای گسترش کمّی، باید کیفیت طرح ها نیز مورد توجه قرار گیرد. مدیریت آب در مزرعه بسته به منابع آب و خاک موجود، عمدتاً با هدف حداکثر تولید محصول یا حداکثر بهره وری آب صورت می گیرد.
شاخص تنش آبی گیاه - CWSI - به خوبی نشان دهنده وضعیت آب در دسترس گیاه بوده و لذا بهعنوان یک ابزار مناسب جهت مدیریت آبیاری در مزرعه مورد استفاده قرار می گیرد. سطوح آبیاری شامل I1، I2، I3 و I4 بهترتیب دارای 100، 80، 60 و 40 درصد نیاز آبی گیاه بودند. بر اساس نتایج به-دست آمده تأثیر سطوح آبیاری روی عملکرد و بهره وری آب سویا در سطح احتمال یک درصد معنیدار بود. در مراحل مختلف رشد بیش ترین مقادیر CWSI در تیمار I4 و کم ترین آن ها در تیمار I1 بهدست آمد. همچنین هم بستگی بین CWSI و میزان رطوبت خاک در سطح احتمال یک درصد معنی دار گردید
در پژوهش دیگری، با جمع آوری آمار و اطلاعات موجود از ارگان های زیرربط اقدام به ارزیابی اقتصادی طرح ها در بخش کشاورزی نمودند. نتایج این مطالعه نشان داد در صورت طراحی و بهره برداری مناسب، این پروژه ها از توجیه اقتصادی بالایی برخوردار خواهند بود و برمبنای تحلیل حساسیت انجام شده توجه به تغییرات میزان درآمد، نرخ بهره بانکی و عمر مفید طرح می تواند تا حدودی زیاد، بر توفیق اقتصادی پروژه ها تاثیرگذار باشد
شبکه های آبرسانی زیرساخت هایی هستند که با توجه به هزینه های زیاد ساخت و نگهداری، مورد توجه محققین قرار گرفته اند. از یک جهت کمینه سازی هزینه شبکه های آبرسانی هدف بسیاری از پژوهشگران می باشد، به طوریکه شرایط حداقل فشار و حداکثر سرعت برآورده شود. در پژوهشی الگوریتم DMPSO بر پایه اصلاح و جهش در الگوریتم PSO پرداختند، طراحی بهینه برای شبکه آبرسانی اسماعیل آباد که شامل 16 لوله و 17 گره بود، توسط الگوریتم پیشنهادی DMPSO آن ها بررسی شده است
نتایج این مطالعه نشان داد که الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با دیگر الگوریتم ها به روش تحلیلی نزدیک تر بود، نتایج تحلیل هیدرولیکی با اتصال پویا بین دو نرم افزار، MATLAB و EPANET ارزیابی شدند، حل بهینه به دست آمده برای شبکه آبیاری اسماعیل آباد توسط الگوریتم فراکاوشی DMPSO با روش تجربی مقایسه و مشخص گردید که الگوریتم فراکاوشی به اندازه 10/68 درصد نسبت بهروش تجربی هزینه کل را کاهش داده است. علاوه بر این روش پیشنهادی خیلی ساده و نسبتاً دقیقتر می باشد
در پژوهش دیگری به بررسی تأثیر دبی بر الگوی رطوبتی و شبیهسازی آن با مدل هایدروس دوبعدی اقدام نمودند. آن ها پس از آماده سازی یک مدل فیزیکی از جنس پلاکسی گلاس با ابعاد مشخص و پر شده با خاک لوم رسی سیلتی، به وسیله قطره چکان تنظیم-شونده دستی، چهار دبی 2، 4، 6 و 8 لیتر بر ساعت مورد آزمایش قرار گرفتند. مدت زمان آبیاری برای هر دبی، ثابت و برابر 2 ساعت بود.
در این مطالعه 24 ساعت پس از آبیاری توزیع مجدد رطوبت در خاک در نظر گرفته شد. شبیه سازی الگوی رطوبتی توسط مدل هایدروس دو بعدی صورت گرفت، نتایج مقایسه مقادیر قطر و عمق خیس شده پیاز رطوبتی اندازه گیری شده و برآورد شده با مدل هایدروس دو بعدی نشان داد که ضریب همبستگی در تمامی دبیها بالای 90 درصد و مقدار خطاها بسیار کم بود که نشان از دقت بالای شبیهسازی الگوی رطوبتی مدل هایدروس دو بعدی داشت که این دقت در دبیهای پایینتر بیش تر بود.
نتایج مقایسه بین شبیهسازیهای مدل هایدروس دوبعدی با استفاده از داده های مختلف ورودی مدل رزتا و دادههای الگوی رطوبتی مشاهداتی نشان داد هرچه میزان داده های ورودی به مدل رزتا بیشتر باشد، دقت شبیه سازی الگوی رطوبتی با مدل هایدروس دوبعدی افزایش خواهد یافت. با توجه به نتایج بدستآمده از این تحقیق، با افزایش دبی از گستردگی رطوبت در عمق کاسته و گستردگی در سطح افزایش مییابد
با توجه به تنوع سامانههای آبیاری تحتفشار، موضوع انتخاب مناسبترین سامانه برای هر منطقه یکی از موضوعات مهم است. سامانه مناسب را میتوان با توجه به عوامل متعددی نظیر توپوگرافی، خصوصیات خاک، شرایط اقلیمی، نوع محصول، کمیت و کیفیت منبع آب، کارگر مورد نیاز، مهارت کشاورزان، شرایط اقتصادی و زمینههای فرهنگی و اجتماعی در هر منطقه تعیین کرد. فرهادی و همکاران در دانشگاه تهران به رتبهبندی سامانههای آبیاری تحتفشار در سطح 6000 هکتار از اراضی منطقه دینور واقع در شهرستان صحنه، استان کرمانشاه پرداختند
این گروه مطالعاتی برای رتبهبندی از روش تحلیل سلسلهمراتبی استفاده نمودند و فاکتورهای مؤثر بر انتخاب سامانه را به دو دسته فیزیکی و اقتصادی-اجتماعی تقسیم و برای هر دسته، شاخصهای مرتبط تعریف نمودند. امتیاز هر کدام از شاخصها بین -3 تا +3 مشخص و با توجه به تغییرات مکانی برخی عوامل، امتیاز هر شاخص را برای هر بخش از منطقه و در محیط GIS تعیین نمودند. آنها وزن شاخصها بر اساس اهمیت آن و مطالعات پیشین تعیین کردند. در نهایت، امتیاز کلی هر سامانه با مجموع وزنی شاخصها تعیین گردید.
براساس نتایج بهدست آمده، تنها سامانه قابلاستفاده برای مناطق با شیب بالای 20 درصد، سامانه آبیاری موضعی است. برای مناطق با شیب کم تر از 20 درصد، سامانه کلاسیک نیمه متحرک بهترین سامانه و سامانه کلاسیک ثابت با آبپاش متحرک در اولویت دوم است
در مطالعه حاضر به مدل سازی و بررسی حالت های مختلف طراحی یک نمونه پروژه آبیاری تحتفشار تحت آرایش و دبی و قطرهای مختلف پرداخته شده است. برای مدل سازی و تحلیل، از نرمافزار IRRICAD استفاده شده که به-روزترین و قدرتمندترین نرم افزار با امکانات متنوع و فراگیر جهت طراحی شبکه های آبیاری تحت فشار است. هدف از این مطالعه تعیین و وزن دهی به متغیرهای اصلی موثر بر طراحی می باشد و نتایج آن می تواند برای طراحان و بهره برداران شبکه های آبیاری تحت فشار مورد استفاده قرار گیرد.
مواد و روشها
مطالعه حاضر شامل ساخت مدل شبکه آبیاری تحتفشار برمبنای اطلاعات و دادههای واقعی می باشد و در ادامه این قسمت مشخصات نرم افزار و موقعیت مزرعه مورد استفاده به همراه سناریوهای مختلف تحلیل ارائه شده است.
-1معرفی نرمافزار IRRICAD
با گسترش روزافزون نرمافزارهای رایانهای و افزایش کاربرد این نرمافزارها در بخشهای مختلف زندگی از جمله فعالیتهای کشاورزی، نرمافزارهای متنوعی در زمینه آبیاری تحت فشار طراحی شده است که مورد استفاده مهندسین و طراحان این بخش قرار می گیرد. یکی از قدرتمندترین نرمافزارها در زمینه طراحی شبکههای آبیاری تحت فشار، نرمافزار IRRICAD می باشد که در حال حاضر پس از گذشت ده سال بیش از 70 کشور دنیا در صنعت آب از این نرمافزار استفاده میکنند. نرم افزار IRRICAD یک بسته به صورت گرافیکی مبتنی بر طراحی کامپیوتری است که به طور خاص برای طراحی آبیاری تحت فشار و یا سامانه های تأمین آب طراحی شده است.
IRRICAD به مراتب بیش از یک بسته طراحی است زیرا ترکیبی از مزایای نقاشی CAD با اندازه گیری قدرتمند لوله های هیدرولیکی و تکنیک های تجزیه و تحلیل شبکه را در خود دارد. همچنین انتخاب اتوماتیک اتصالات لوله را فراهم نموده و بنابراین یک سناریوی کامل مواد را تولید میکند. از جمله قابلیت های مهم این نرم افزار می توان به قابلیت های آب پاش، میکرواسفنجی، نوار قطره/قطره، سرکوب گرد و غبار، شبکه های اصلی، سامانه های ذخیره آب، دروازه های مسکونی و تجاری، میدان های ورزشی/گلف و گرانش سامانه های تحت فشار اشاره نمود.
-2مشخصات محدوده مورد مطالعه
جهت انجام مدلسازی و تحلیل ها از فاز یک شبکه آبیاری باغ 3000 هکتاری خسروی قصرشیرین متعلق به بنیاد مستضعفان استفاده شده است. مرحله نهائی مطالعات و طراحی این شبکه سال 1390 به اتمام رسیده و به عنوان وسیع ترین و مدرن ترین باغ ایران محسوب میگردد.
