بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي نرم افزار آبياري باراني کلاسيک ثابت با آبپاش متحرک تحت D٣ CIVIL
چکيده
در طراحي سيستم هاي آبياري باراني ثابت با آبپاش متحرک از نرم افزارهاي AutoCad و WaterGemsاستفاده مي شود که به صورت تخصصي جهت انجام اين مراحل طراحي نشـده انـد.از ايـن رو برنامـه اي بـه زبـان VBAبـه نـام Sprinkler SI( Irrigation)در محيط D٣ Civil نوشته شده که امکـان طراحـي لايـوت لترالهـا، آرايـش شـيرهاي خودکـار، محاسـبات هيدروليکي ، تهيه ليست و لايوت اتصالات و گزارش گيري دارد. از قابليت هاي مهم اين نرم افزار داشـتن يـک پايگـاه داده جهـت انتخاب خودکار مشخصات فيزيکي لوله ها براساس محدوديت هاي سرعت در خطوط اصلي و افت مجاز در خطوط لترال ، محاسبه فشار مورد نياز در ابتداي تمامي لترالها و مشخص کردن مسير بحراني است . اين نرم افـزار قـادر بـه گـزارش دهـي بـر اسـاس SF، PE،SDR،PN و وزن لوله هاي کل پروژه مي باشد. محاسبات هيدروليکي يک مزرعه طراحي شده با نرم افزار به مساحت ۵۱.۱۳ هکتار با نرم افزار واترجمز مقايسه گرديد که بيشترين درصد قدرمطلق اختلاف فشار در مسير بحراني ۰.۲۵۹ درصد بدست آمد.
کليد واژه ها: نرم افزار، آبياري باراني ، آبپاش متحرک ، Sprinkler Irrigation
۱ مقدمه
يکي از چالش هاي کشاورزان و محققان کمبود آب و انرژي در آينده است . در جهـت کـاهش مصـرف آب و انرژي بدون کاهش قابل ملاحظه عملکرد يا افزايش هزينه ها نياز به گسترش طراحـي ادراکـي و مـديريت اسـتراتژي اسـت .
يک مدل قوي شبيه سازي توزيع فشار و دبي ، ارزيابي تغييرات طراحي تحت شرايط متفاوت را ساده تر مي کند[1].
مدل هاي کامپيوتري در طراحي و آناليز سيستم هاي آبياري و توزيع آب در حال گسترش هستندوبا داشـتن منـابع اطلاعت قوي به ابزارهاي مهم و مطمئن تبديل شده اند که قدرت تصميم گيري مهندسان را افزايش داده اند[۲].يـک مـدل قابل قبول براي طراح سيسـتم هـاي آبيـاري بايـد توانـايي شـبيه سـازي محـدوده اي از شـرايط ضـروري و کارآمـد را داشـته باشد[۳].مدل هاي زيادي در ضمينه طراحي و آناليز سيستم هاي توزيع آب و حل معادلات شبکه گسترش يافته اند ۴, ۵].
اولين مدل هاي حل شبکه هيدروليکي براي طراحي و آناليز سيستم هاي توزيع آب شهري بسيار پيچيده بودند. اين مدل ها از روش هاردي کراس [۶] براي حل معادلات استفاده کردند. مدل هاي که بعدا ارائه شد گرچه به صورت نسـبي توانايي حل شبکه هاي کوچک را داشتند اما هنوز در ابتداي راه قرار داشتند[۶, ۴, ۵]. ساير مدلها از روش نيتـون رافسـون [۷]براي حل معادلات يا روش تئوري خطي براي محاسبه دبي در لوله ها[۸, ۴] يا محاسبه هد در گره هاي شبکه [۲] استفاده کردند.گرچه بعضي از آنها هد آبپاش در انتهاي خطوط لوله را محاسبه کردنداما هيچکدام از مدلها مخصوص سيستم هـاي آبياري باراني طراحي نشده اند[۷].چندين مدل نيز براي کمک به طراحي و شبيه سازي توزيع دبي و فشار در طول لترالهاي سنترپيوت توسعه يافتند ۹, ۱۰, ۱۱, ۱۲, ۱۳, ۱۴].مدل هاي نيز به مديريت آب و انرژي در سيستم هاي پمپـاژ بـراي بررسـي مصرف انرژي و راندمان سيستم پراختند[۱۶, ۱۵, ۱۷]. هاتچينسون و همکاران يک نـرم افـزار قـوي و گـران قيمـت بـه نـام IRRICAD براي طراحي سيستم هاي آبياري تحت فشاربا واسط گرافيکي بالا طراحي کردند[۱۸].
تعدادي از مدل هايي که در ارتباط با سيستم هاي آبياري طراحي شدند بخشي از محاسبات طراحي سيستم را انجام دادند مانند مدلهايي که توزيع فشار و دبي در طول لوله هاي فرعـي را محاسـبه نمودنـد [۱۹, ۲۰]. مـونترو و همکـاران مـدل SIRIASرا براي تاثير باد بر توزيع يکنواختي آبپـاش هـا[۲۱]و والسـکوين و همکـاران يـک روش جديـد بـراي محاسـبات هيدروليکي لترال ها در جريان يکنواخت و آشفته ارائه کردند[۲۲]. رضا شاه محمدي و همکاران يک برنامه کـامپيوتري بـه نام SprinklerMod براي طراحي و شبيه سازي هيدروليکي لترالهاي آبيـاري بـاراني بـا آبپـاش متحـرک و ثابـت طراحـي کردند[۲۳]. کال و همکاران با استفاده از برنامه ريزي خطي يک مدل جهت بهينه کردن فشار در زير واحد آبيـاري طراحـي نمودند[۲۴].کاناکيس و همکاران با استفاده از روش برنامه ريزي خطي فازي برنامه اي جهـت بـه حـداقل رسـاندن هزينـه هـا (کاهش قطر لوله ) با تغيير در فشار سيستم طراحي کردند [۲۵].گورول يلديريم و اومي کوز يک مدل شبيه سازي بر اسـاس روش الگوريتم محاسبات پله اي ارائه کردند. اين مدل رابطه بين دبي و فشار را در طول مسير لوله نيمه اصلي بـا توزيـع غيـر يکنواخت دبي ارزيابي مي کند[۲۶]. اندراد و آلن [۱] يک مدل کامپيوتري براي شبيه سازي توزيع فشار و دبي در طول لولـه و لترال سيستم آبياري تحت فشار ساختند. اين نرم افزار در محيط وينـدوز اجـرا و توانـايي شـبيه سـازي لتـرال هـاي سيسـتم آبياري (ويلمو ، متحرک ، سنترپيوت ) با چندين پمپ سري يا.و موازي ، بوستر پمپ ، لوله هاي موازي و حلقـه را دارد. نـرم افزار قادر به ترسيم لايوت نيز مي باشد.ابرو و پريرا برنامه ISADIM براي طراحـي و.يـا شـبيه سـازي آبيـاري بـاراني ثابـت طراحي کردند. محاسبات هيدروليکي لترال و خطوط اصلي بر اساس هد موجود در ورودي انجام ميگيـرد. برنامـه قـادر بـه ترسيم نواحي آبياري ، خطوط اصلي و لترال را دارد[۲۷].
هيچ يک از مدل هاي مذکور مراحل طراحي را به صورت کامـل انجـام نـداده و تنهـا بخـش خاصـي از مراحـل طراحي را مد نظر قرار داده اند. نرم افزارهاي قوي نيـز ماننـد IrriCad،Irrimaker ،IrriPro ،IrriExpress ،RainCad ، LandFX و ... در سال هاي اخير توسعه يافته اند که توانايي طراحي و آناليز انواع سيستم هـاي آبيـاري را دارنـد، بـه دلايلـي کمتر شناخته و مورد استفاده قرار گرفته اند.
هدف از تحقيق ارائه يک مدل اختصاصي براي ترسيم لايـوت ، انجـام محاسـبات ، تهيـه ليسـت لـوازم وگـزارش گيـري آبيـاري بـاراني کلاسيک ثابت با آبپاش متحرک مي باشدکه در مجموع شامل ۳۳ ابزار متفاوت و کاربردي است . اين مدل به زبان VBA و تحت نرم افـزار Civil D٣ نوشته شده است . کدهاي ارتفاعي در محل گره ها از سطح تعريف شده توسط کاربر دريافت و در محاسبات استفاده مـي شـود. مـدل بـا در نظـر گرفتن خطوط اصلي قادر به ترسيم خودکار لترالها و آبپاشها مي باشد. قطر خطوط لترال با استفاده از پايگاه داده و با محدوديت افـت مجـاز و خطـوط اصلي با محدوديت سرعت انتخاب مي شوند. ليست و لايوت لوازم با انتخاب کل طرح در صـفحه ترسـيم نمـايش داده مـي شـود. گـزارش هـا بـه صورت خلاصه در صفحه ترسيم و به صورت کامل در فايل TXT ذخيره مي شود. سعي شده در اين مقاله تنها ابزارهاي مهم مدل معرفي گردد.
۲ مواد و روشها
ترسيم لايوت
مدل قادر است با استفاده از خطوط اصلي و با.يا بدون مرز اراضي يا کاداسـتر لايـوت لتـرال هـا را ترسـيم کنـد.
لايوت به صورت يک طرفه و.يا دو طرفه ترسيم مي شود. در حالت دو طرفه در صورتيکه فاصله اولين شير خودکار از خط اصلي بيشتر از طول لترال باشد آن لترال به شکل خودکار ترسيم نمي شود. با معرفي طول ماکزيمم مدل طول لتـرال هـا را بـا طول ماکزيمم مقايسه و اگر تجاوز کند طول را به طول ماکزيمم کاهش ، لترال را حذف يا باتغيير ضـخامت لتـرال را بـراي کاربر مشخص مي کند. لترال ها مي توانند در زواياي مختلف نسبت به خط اصلي ترسيم شوند همچنين مي تـوان يـک لتـرال مبنا در ساير قسمت هاي طرح معرفي و آرايش لترال هاي جديد را براساس آن ترسيم کرد.
جانمايي شيرهاي خودکار به صورت سنتي بسيار زمانبر و گاها همراه با خطا است . مدل با در نظـر گـرفتن فاصـله بين شيرهاي خودکار و رعايت حداقل فاصله بين شيرهاي خودکار در ابتدا و انتهاي لترال ها قادر است بسيار سـريع و دقيـق جانمايي را انجام دهد. همچنين شيرهاي خودکار در لترالهاي مرزي که معمولا شکل نامنظمي دارند نيز به دو نوع استفاده از شبکه موجود و استفاده از شعاع آبپاش ترسيم مي شود.
محاسبات هيدروليکي
قبل از محاسبات هيدروليکي ابتدا بايد تمامي لترال ها و خطوط اصلي به لاين تبـديل شـوند و بـا اسـتفاده از ابـزار Split Line لاين ها در محل گرها بريده شوند سپس با ابزار Direction لوله اي که دبي از آنجا وارد سيستم مي شود (لوله ورودي طرح ) انتخاب گردد که جهت قرارگيري لاين ها مرتب شود.
با توجه به اينکه در اکثر سيستم هاي آبياري باراني کلاسيک ثابت با آبپاش متحرک از يک منبع تامين کننده هد و دبي استفاده مي شود و سيستم لوله ها به صورت حلقه نمي باشد اين موارد نيز به مدل افزوده نشده است . در انتخاب قطـر از Access به عنوان پايگاه داده استفاده شده که از سايز ۱۰ ميليمتر تا ۱۶۰۰ ميليمتر بـراي SF ۱.۲۵ و از سـايز ۲۰ ميليمتـر تـا ۶۳۰ ميليمتر براي SF ۱.۶ در PE ۸۰ و ۱۰۰ در پايگاه داده مدل موجود و قابل تغيير است . بعداز جانمايي آبپاش ها روي لترال ها با استفاده از ابـزار Insert Block، از ابـزار Calculate Pipe Diameter براي محاسبه دبي خطوط و انتخاب اوليه مشخصات لوله ها استفاده مي شود. همچنين مي تـوان از ابـزارInsert Block بـراي قرار دادن شير فشار شکن و شير ثابت کننده فشار در محل گره ها استفاده کرد. الگوريتم نحـوه تشخيصـنوع لولـه و مسـير و محاسبات اوليه هيدروليکي به ترتيب در شکل هاي (۱)و (۲) نشان داده شده است .
در تشخيص نوع لوله و مسير از الگوريتم شکل (۱) استفاده شده است . محاسبات از انتهاي هر مسـير شـروع و بـه سـمت ابتد ادامه مي يابد. خطوط لوله تا قبل از رسيدن به سه راهي يا چهـار راهـي لتـرال در نظـر گرفتـه مـي شـوند و پـس از آن بـه عنـوان خطاصلي تعريف مي شوند. پس از دريافت کد ارتفاعي در محـل گـره هـا از سـطح تعريـف شـده محاسـبات اوليـه افـت بااسـتفاده ازفرمول هيزن ويليامز (۱) انجام مي شود و قطرهاي داخلي اوليه لترال با توجه به افت مجاز وارد شده و خطوط اصـلي بـا توجـه بـه محدوديت سرعت وارد شده انتخاب مي شود. همچنين فشار مورد نياز در ابتداي هر لترال از فرمول (۲) محاسبه مي شود.
پارامترهاي هيدروليکي ورودي نرم افزار در جدول (۱) نشان داده شده است .
شکل (۳) الگوريتم محاسبات فشار نشان مي دهد.در اين مرحله با استفاده از ماکزيمم فشار محاسبه شده در ابتـدا يا انتهاي هر لوله فشار کاري لوله در محدوده فشاري انتخاب شده و براساس ساير محدوديت هـاي هيـدروليکي وارد شـده قطر داخلي انتخاب و محاسبات هيدروليکي انجام مي شود. لوله هاي اصلي ابتـدا براسـاس فشـار کـاري و سـپس بـر اسـاس سرعت و لترالها ابتدا بر اساس فشار و سپس بر اساس قطرهاي خارجي وارد شده و حداکثر افت مجاز انتخاب مي شوند.
پس از انجام محاسبات اوليه هيدروليکي در مرکز هر لوله يک بلوک هوشمند قرار مي گيرد که اطلاعـات کامـل هيدروليکي و فيزيکي خطوط در آن قرار مي گيرد که اين اطلاعات به صورت دستي نيز قابل تغيير مي باشـد و بـه صـورت پويا با تغيير محل بلوک از يک لاين به لاين ديگر مختصات ابتدا و انتهاي لاين و محاسبات سـرعت و افـت اصـطکاکي را انجام مي دهد.
تهيه ليست لوازم
نرم افزار قادر است ليست و لايوت اتصالات لترال و خط اصلي را مجزا يا با هم تهيه کنـد. ابـزار Connection Layoutدر محل هر گره براساس نحوه قرارگيري لوله ها و زواياي آنها نسبت بـه هـم مـي توانـد اتصـالاتي ماننـد زانـو (بـا زواياي داخلي ۴۵، ۹۰ و ۱۳۵ درجه )، رابط ، تبديل ، سه راهي و چهار راهـي را تشـخيص دهـد. در ايـن ورژن از نـرم افـزار مختصات ۱۶ عدد از گره هاي مشابه در محل ترسيم لايوت درج مي گردد. شکل (۴) نمونه ترسيم شـده لايـوت اتصـلات و شکل (۵) نحوه شماره گذاري در گره هاي مزرعه نمونه را نشان مي دهد.
