بخشی از مقاله
چکیده
یکی از ابزارهای مهم و مؤثر در مطالعات ارزیابی، بهبود عملکرد و بهینهسازی بهرهبرداری شبکههای آبیاری مدلهای ریاضی میباشد. اطلاع از چگونگی تغییرات جریان در آبگیرها موجب آن میگردد که نوسانات دبی تحویلی به آبگیرها مورد بررسی قرار گرفته و با اتخاذ تدابیر لازم مازاد یا کمبود آب تحویلی کنترل گردد و نهایتاً بهرهوری از آب ارتقاء یابد. تعامل هیدرولیکی سازههای آبگیر و جریان در کانالها موجب ایجاد جریان غیرماندگار در کانالهای آبیاری میگردد که محاسبه آن مستلزم بهرهگیری از مدلهای ریاضی هیدرودینامیک میباشد. یکی از مدلهای ریاضی که در مطالعات شبکههای آبیاری با موفقیت بکار گرفته شده مدل ریاضی ICSS است که در سال 1985 توسط مانز تدوین گردید و از آن زمان تاکنون در دست توسعه میباشد.
با توجه به گسترش استفاده از انواع سازههای نیرپیک و سیستمهای کنترل خودکار در شبکهها، در تحقیقات اخیر انجام شده، مدل ریاضی انواع سازه ها و سیستم های کنترل تهیه و تحت شرائط مختلف مورد آزمون قرار گرفتهاند. در این مقاله فرایند تهیه مدل ریاضی انواع مدلهای دریچه آبگیر نیرپیک در شرائط جریان ماندگار و غیرماندگار و عملیات بهرهبرداری آنها و نتایج آزمون مربوطه گزارش میشود. به منظور تهیه مدل ریاضی دریچه آبگیر نیرپیک ابتدا منحنی دبی-اشل تمامی انواع مدلهای آبگیر نیرپیک مورد بررسی قرار گرفت و با تعیین محدودههای همسان آن و استخراج اطلاعات مربوطه، بهترین روابط برازش بر آنها بدست آمد. سپس بر اساس روابط بدست آمده مدل ریاضی مربوطه برای چهار وضعیت شرائط جریان ماندگار، عملیات بهرهبرداری، شرائط جریان غیر ماندگار و به روز نمودن اطلاعات تهیه گردید. مدل تهیه شده بر روی کانال E1R1 از شبکه آبیاری دز بعنوان آبگیرهای جانبی تحت شرائط مختلف بهرهبرداری مورد آزمون قرار گرفت. نتایج حاصله نشاندهنده آن است که مدل تهیه شده برای انواع مدلهای آبگیر نیرپیک به خوبی عمل مینماید و از آن میتوان در شبیهسازی انواع شبکههای مجهز به این نوع آبگیر و مطالعات ارزیابی و بهبود عملکرد آنها استفاده نمود.
کلمات کلیدی: نیرپیک، مدل ریاضی، شبکههای آبیاری، ICSS
مقدمه
رشد جمعیت در چند دهه اخیر در جهان و افزایش تصاعدی آن در سالهای آینده، مسئله تأمین آب برای شرب و کشاورزی را به یکی از دغدغههای مهم محققان بخش آب تبدیل کرده است. در این میان بخش کشاورزی بعنوان بالاترین مصرفکننده آب لزوم توجه بیشتر محققان برای بهبود عملکرد این بخش را بیش از پیش روشن میسازد. از اینرو با توجه به ثابت ماندن منابع آب، مهمترین مسئله، ارتقاء عملکرد بخشهای مرتبط با آب در کشاورزی از جمله بهبود عملکرد و بهینهسازی بهرهبرداری شبکههای آبیاری و افزایش عملکرد محصولات کشاورزی در واحد حجم آب میباشد. بدلیل متغیر بودن نیاز آبی گیاه در طول دوره رشد، و تنوع محصولات کشت شده، شرائط جریان در کانالهای آبیاری عمدتا غیرماندگار میباشد. بنابر این بمنظور بهبود عملکرد شبکه های آبیاری سازههای کنترل و آبگیر بگونه ای طراحی میگردند تا بتوانند در شرائط غیر ماندگار جریان، وظائف کنترل ویا تحویل آب را طوری انجام داده تا هر کانال مقدار آب تحویلی معین شده را در زمان لازم دریافت کند.
سازههای متعددی بمنظور اجرای وظائف تحویل و توزیع آب در شبکه کانالها بکار گرفته شده و یا در طرا حیها در نظر گرفته میشود. بمنظور ارزیابی عملکرد این سازهها که در تعامل با جریان غیر ماندگار در شبکهها میباشند بررسی رفتار هیدرولیکی آنها ضروری است. با توجه به هزینه بالا و صرف وقت زیاد برای استفاده از مدلهای فیزیکی، تهیه مدلهای ریاضی این سازهها بطور تلفیقی با مدلهای هیدرودینامیکی شبیهسازی بهرهبرداری شبکههای آبیاری امری اجتنابناپذیر است. یکی از انواع سازههائی که بمنظور تحویل آب به کانالها در شبکه کانالهای آبیاری بکار میرود دریچههای آبگیر نیرپیک است. دقت در تحویل آب و سهولت در اجرای عملیات بهرهبرداری این سازهها، باعث شده است تا این سازهها بطور وسیع در شبکههای انتقال آب در دنیا و بخصوص در کشورمان مورد استفاده قرار گیرد. یکی از مدلهای هیدرودینامیکی که شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی یک شبکه آبیاری را به خوبی شبیهسازی میکند مدل - Irrigation Conveyance System Simulation - ICSS است و لیکن به دلیل عدم وجود مدل دریچههای آبگیر نیرپیک در هسته اولیه این مدل در نظر است مدل این دریچهها تهیه و با مدل هیدرودینامیک ICSS تلفیق شود.
معرفی مدل ICSS و ساختار شرایط مرزی آن
مدل ICSS امکان این را فراهم میآورد که بتوان تمامی مشخصات مهم هیدرولیکی و بهرهبرداری شناخته شده و مورد نیاز در کانالهای آبیاری را شبیهسازی کرده و مورد مطالعه قرار داد. خصوصیات کانال نظیر شکل مقطع، شیب طولی، ضریب زبری، نشت و جریانات ورودی و خروجی گسترده در طول کانال میتوانند به صورت متغیر تعریف گردند و به تعداد دفعات مورد نیاز در طول کانال تغییر نمایند. مدل همچنین قابلیت بررسی کانالهای با مقاطع هندسی منظم و کانالهای غیر منظم را دارد. از طریق مدل ICSS میتوان شرایط جریان دائمی و غیر دائمی را محاسبه کرد. در هر زمان از شبیهسازی جریان غیر دائمی میتوان مدل را متوقف کرده و تمام اطلاعات به دست آمده از شرایط هیدرولیکی جریان، تا آن لحظه را حفظ کرد. این اطلاعات میتوانند برای شبیهسازیهای مجدد مورد استفاده قرار گیرند.
تجربه نشان داده که در نظر گرفتن این امکان در مدل از آن جهت مفید است که انجام شبیهسازیهای مختلف را که تا یک زمان اولیه دارای شرایط مشابهی هستند، تسهیل مینماید.
برای محاسبه جریان دائمی، معادلات منفصل شدۀ جریان متغیر تدریجی با در نظر گرفتن جریانات ورودی و خروجی گسترده و انواع مقاطع منظم یا غیر منظم هندسی و شرائط مرزی سازهها با استفاده از روش تکراری نیوتن حل میشوند. محاسبه جریان دائمی از پائین ترین بازۀ کانالها شروع و به سمت بالاترین بازه ادامه پیدا میکند و بعنوان شرائط اولیه شروع محاسبات جریان غیرماندگار بکار میرود. شبیهسازی جریان غیر ماندگار، با حل معادلات جریان غیر دائمی متغیر تدریجی در مجاری روباز - معادلات سنت و نانت - انجام میگیرد. این معادلات طبق شمای پرایزمن منقطع شده و برای هر گره محاسباتی دو مجهول سرعت و عمق جریان در زمان وجود خواهد داشت. اگر در یک میدان حل، تعداد N
گره محاسباتی داشته باشیم در این صورت تعداد کل مجهولها برابر با 2N خواهد بود - متناظر با هرگره دو مجهول V و Yوجود دارد - . از طرف دیگر تعداد بازهها برابر N-1 بوده و چون برای هر بازه دو معادله منفصل شده - متناظر با معادلات پیوستگی جریان و مومنتوم - برقرار میگردد لذا تعداد کل معادلات به دست آمده مساوی با 2 - N-1 - میباشد. که در هر معادله 4 مجهول سرعت و عمق جریان در گرهها ظاهر میشوند. بنابر این برای تکمیل دستگاه معادلات احتیاج به دو معادله دیگر داریم. این دو معادله از طریق شرایط مرزی ابتدا - UBC - 1و انتهای هر بازه - DBC - به دست میآیند. این معادلات برای ابتدای بازه با G0 وبرای انتهای آن با FN مشخص میگردد. در مدل ICSS در چهار مرحله متفاوت روابط مربوط به شرایط مرزی احضار میشوند. این مراحل عبارتند از: انجام محاسبات جریان ماندگار، انجام عملیات بهرهبرداری، انجام محاسبات جریان غیرماندگار - تعیین مشتقات روابط شرایط مرزی - و به روز نمودن ماتریسهای شرایط مرزی.
