طراحی آبیاری قطره ای

زمان مطالعه: 9 دقیقه

سیستم آبیاری قطره­ ای به گونه ای آبیاری گفته می شود  که آب در یک سیستم لوله­ای در مزرعه توزیع می­شود و بوسیله قطره­ چکان یا گسیلنده(Emitter) دراختیار گیاه قرار می‌گیرد. قطره­ چکان­ها طوری طراحی شده ­اند که فشار آب را کاهش می­دهند تا بتوانند، حجم محدود موردنظر را در واحد زمان دراختیار گیاه قرار دهند.

روش آبیاری قطره­ ای که برای آبیاری باغات، محصولات زراعی ردیفی و گلخانه­ ها کاربرد دارد، دارای محاسن زیادی است. بالابودن راندمان مصرف آب، سهولت استفاده از کودهای شیمیایی، انجام عملیات زراعی حین آبیاری، صرفه­ جویی در مصرف انرژی(درمقایسه با آبیاری بارانی)، راحتی در خودکار نمودن شبکه، مرطوب نکردن تمام سطح خاک در باغات که نتیجه آن کاهش هدر رفتن آب بوسیله تبخیر و همچنین کاهش رشد علفهای هرز می­باشد، مرطوب نگه­داشتن محیط رشد ریشه درحد مطلوب در طول رشد و کاهش آفات و بیماریهای گیاهی ازجمله فوائد آبیاری قطره­ ای است. عامل اصلی و کلیدی در موفقیت آبیاری قطره ­ای و داشتن توجیه اقتصادی، طراحی صحیح با درنظرگرفتن مبانی هیدرولیکی دقیق و همچنین اجرا، بهره ­برداری و نگهداری مناسب از سیستم است.از حساسترین مراحل طراحی یک سیستم آبیاری قطره ای انتخاب قطره چکان مناسب برای طرح  است.

 

انواع گسیلنده­ها و انتخاب گسیلنده مناسب طرح

قطره­ چکانها معمولاً دارای آبدهی محدود بین۱ تا۱۰ لیتر در ساعت می­باشند. درحال حاضر انواع بسیار متنوعی از قطره­ چکان ها توسط شرکتهای مختلف سازنده لوازم آبیاری قطره­ ای در دنیا تولید  می­شود و طراحان این سیستم­ها با طیف وسیعی از قطره چکانها مواجه هستند. ذیلاً به معرفی انواع  قطره­ چکانها و نحوه کار آنها پرداخته سپس تحت ­تأثیر شرایط طرح، قطره ­چکان مناسب  انتخاب   می­گردد.

الف- طبقه ­بندی براساس مکانیسم استهلاک فشار

استهلاک فشار پدیده­ای است که در تمام گسیلنده ­ها وجود داشته و این عمل در انواع مختلف با مکانیسم خاصی صورت می­گیرد. چهار روش معمول که برای کاهش فشار آب در انواع گسیلنده­ ها بکار برده می­شوند عبارتنداز :

• طولانی کردن مسیر حرکت آب
• روزنه ­ای کردن مجرای عبورآب و ایجاد آشفتگی در جریان و درنظرگرفتن تمهیدات لازم برای افت فشار
• ایجاد پیچ و خم در مسیر حرکت آب
• ترکیب سه روش فوق

انواع گسیلنده ­ها براساس مکانیسم استهلاک فشار عبارتند از:

۱- گسیلنده ­های طولانی مسیر

۲- گسیلنده­ های پیچ­ درپیچ

۳- گسیلنده­ های روزنه ­ای

۴-  لوله ­های دو جداره

۷- افشانه­ ها و قطره­ چکانهای گردابی

۶- گسیلنده­ های جبران­ کننده فشار

 

 

ب-  طبقه­ بندی گسیلنده­ ها از نظر چگونگی اتصال به لوله آبده

 بر این اساس، گسیلنده­ها به دو گروه اساسی در خط(in line) و روی خط(on line) تقسیم می­شوند.

گسیلنده ­هایی که پس از سوراخ کردن لوله آبده، روی لوله نصب می ­شوند، روی خط(on line) هستند.

گسیلنده­ هایی که پس از بریدن لوله آبده بین دو قسمت بریده شده متصل می­گردند و ظاهراً جزئی از لوله بنظر می­رسند، در خط(in line) نامیده می­شوند.

 

 ج-  قطره­ چکانهای شستشودهنده

بمنظور کسب دبی موردنیاز در آبیاری موضعی، مقطع عرضی خروجی گسیلنده­ ها بین۰٫۲۵ تا۲٫۵ میلیمتر تغییر می­کند. این سطح مقطع کوچک تقریباً در تمامی گسیلنده­ ها مشکلات گرفتگی را ایجاد می­کند، بنابراین برای انواع روشهای آبیاری موضعی نیاز به سیستم تصفیه مناسب می­باشد. توصیه عمومی این است که تمام ذراتی که قطر آنها بزرگتر از۱/۱۰ برابر مجرای خروجی است، باید جدا شوند. البته این معیار برای قطره­ چکانهای طولانی مسیر کافی نیست زیرا مواد در طول مسیر رسوب می­کنند و به مرور زمان باعث گرفتگی می­شوند. همچنین برای گسیلنده­ های خود شستشو شونده نیاز کمتری به تصفیه می­باشد.

تجربیات استفاده از قطره­ چکانهای مختلف نیز معیار مفیدی برای تعیین میزان نیاز به سیستم تصفیه بشمار می­آید. به منظور کاهش خطر گرفتگی، بعضی از گسیلنده ­ها بگونه­ ای طراحی می­شوند که قابلیت شستشو را دارند. در این مورد بایستی حداقل سرعت آب و مدت شستشو درنظر گرفته شود.

گسیلنده ­های شستشو شونده پیوسته، دارای مجموعه­ای از روزنه­ ها بمنظور استهلاک فشار می­باشند. وقتی­ که گرفتگی اتفاق می­افتد، فشار در پشت ذرات افزایش می­یابد و نیرویی وارد می­شود که روزنه بازشده و ذره یا ذرات جمع شده خارج می­شوند.

تجربیات اخیر با لوله­ های تغذیه خطی نشان داده است که تمایل به گرفتگی به مقدار قابل ملاحظه­ ای با استفاده از شستشوی منظم لوله آبده، کاهش می­یابد. حتی در مواردی­که کیفیت آب آبیاری نیز خوب است، شستشوی لوله آبده، ضریب اطمینانی را برای کارکرد مداوم یک سیستم فراهم می­کند.

 

– انتخاب قطره­ چکان مناسب طرح

انتخاب قطره­ چکان مناسب برای یک طرح از حساسترین مراحل طراحی بشمار می­آید و عوامل مؤثر زیادی در این انتخاب وجود دارد که به برخی از مهمترین آنها اشاره می­شود.

• دامنه تغییرات دبی باتوجه به تغییرات ساخت
• رابطه دبی- فشار و دامنه تغییرات فشار مجاز کارکرد قطره­ چکان
• دامنه مناسب فشار کارکرد
• حساسیت به گرفتگی یا تجمع مواد شیمیایی
• پایداری رابطه دبی- فشار در دراز مدت

برای تعیین قطره­ چکان مناسب لازم است به شرایط طرح توجه کافی شود. بطورکلی در اراراضی با شیب بیش از ۲ درصد  استفاده از قطره­ چکان­های تنظیم کننده فشار اجتناب ناپذیر است. در این نوع قطره­ چکانها تغییرات دبی خروجی تحت ­تأثیر فشار در دامنه وسیع(۱ تا۴ اتمسفر)، بسیار محدود است. همچنین باتوجه به حساسیت قطره چکانها به گرفتگی  جهت به حداقل رساندن اثرات گرفتگی ناشی از رسوب بی کربناتها و… بهتر است از قطره­ چکانهای خود شوینده استفاده شود.

 

• فاصله گیاهان روی هر ردیف و بین ردیفهای کاشت

فاصله کاشت بین گیاهان به شرایط آب و هوایی، نوع خاک، واریته و تجربه کشت آنها در منطقه بستگی دارد. در آبیاری قطره­ ای برای تعیین فاصله کاشت درختان، درصد سطح سایه­ انداز و نیاز آبی گیاه مؤثر می­باشد.

– درصد سطح سایه ­انداز(Pd)

در روش آبیاری قطره­ ای بدلیل عدم آبیاری کل سطح زمین، تبخیر مستقیم از سطح خاک  محدود  می باشد. مقدار نیاز آبی روزانه در آبیاری قطره ای تابعی از سطح سایه انداز گیاه و مقدار تبخیر و تعرقی است که در سایر روشهای آبیاری محاسبه می شود. به همین دلیل نیاز آبی گیاه در این روش نسبت به سایر روشها که تمام سطح خاک خیس می­شود، بمیزان قابل ملاحظه­ ای کمتر ­می باشد.

درصد سطح سایه­ انداز به سن، نوع واریته­ های گیاهی و مرحله رشد بستگی دارد و عملاً برابر سطح سایه شده توسط تاج گیاه در هنگام ظهر به کل سطحی است که برای گیاه درنظرگرفته می­شود.

درصد مساحت خیس ­شده(Pw)

از مزایای آبیاری قطره ­ای عدم آبیاری تمامی سطح زمین می­باشد. به بخشی از سطح که طی آبیاری مرطوب می­گردد، درصد مساحت خیس شده گفته می­شود و عبارت است از متوسط نسبت مساحت خیس شده خاک(AW) در عمق ۱۵ تا۳۰ سانتی­متری به کل مساحت. درصد مساحت خیس شده به عوامل زیادی همچون موارد زیر بستگی دارد:

• مساحت خیس شده توسط هر نقطه ریزش(دبی هر قطره­ چکان)
• فاصله بین قطره ­چکانها
• فاصله لوله­ های فرعی از یکدیگر
• نوع خاک
• شیب زمین
• زمان آبیاری

مساحت خیس شده توسط هر نقطه ریزش بستگی به شکل ناحیه مرطوب شده در زیر قطره‌چکان(پیاز رطوبتی) نیز دارد. بطوریکه هرچه پیاز رطوبتی پهن و بزرگ باشد، Aw  بیشتر است.

ارقام مربوط به ابعادAw برای بافتهای مختلف خاک و شرایط مختلف لایه­ بندی در جدول زیر آورده شده است. اعداد این جدول بصورت ابعاد مستطیلی ارائه شده­ اند تا در طراحی برای نوار مرطوب بتوان فاصله قطره ­چکانها(Se) و حداکثر پهنای خیس­ شده(W) را بدست آورد.

فاصله قطره­ چکانها برابر۸۰ درصد پهنا یا قطر خیس­شده( (Se = 0.8 W  درنظر گرفته شده است تا دوایر خیس شده همپوشانی داشته و درنهایت نواری مرطوب به پهنایW در سرتاسر لوله فرعی ایجاد شود. لازم به توضیح است ارقام ارائه شده در جدول ذیل کلی بوده و توصیه می­شود جهت دقت بیشتر با انجام آزمایشات صحرایی در مزرعه­ای که قرار است در آن شبکه آبیاری قطره­ای پیاده شود، مقدار حداکثر قطر خیس شده(W) اندازه ­گیری گردد.

بطورکلی هرچه نقاط ریزش آب(تعداد قطره­ چکانها) بیشتر باشد و قطره ­چکانها با آرایش مطلوبتری استقرار داده شوند، سطح خیس ­شده(Aw) بیشتر بوده ولی سیستم گرانتر خواهد بود.

برای تعیین درصد مساحت خیس شده باید آرایش قرارگیری قطره­ چکانها روی لوله فرعی تعیین شود. آرایشهای مختلفی برای قرارگیری قطره­ چکانها روی لوله فرعی وجود دارد که از آن جمله می­توان  به آرایش خطی یا دو خطی، آرایش حلقوی و زیگزاگ اشاره نمود.

مقدار درصد خیس شده زمین باتوجه به آرایش مدنظر و فواصل قطره­ چکانها از رابطه زیر محاسبه می­گردد.

آرایش مستقیم یک ردیفه:

آرایش مستقیم دو ردیفه :

که در آن:

n : تعداد قطره­چکانها

Se : فاصله قطره­چکانها روی لوله فرعی

W : حداکثر عرض نوار مرطوب شده بوسیله یک قطره­چکان

Sr و Sp  به ترتیب فاصله ردیف کاشت و فاصله درختان روی هر ردیف است.

Pw1 و Pw2 به ترتیب درصد مساحت خیس شده برای وضعیتی که فاصله لوله های فرعی S1 وS2 باشد.

Pw1 و Pw2 از فرمول آرایش یک ردیفه محاسبه می شوند.

 

برنامه‌ریزی آبیاری

به کلیه عملیاتی که طی آن، زمان آبیاری و مقدار آبی که باید به زمین داده شود، مشخص می‌گردد، برنامه‌ریزی آبیاری(Irrigation scheduling) گفته می‌شود. برنامه‌ریزی آبیاری علاوه بر اینکه از جهت صرفه‌جویی در مقدار آب اهمیت دارد، باعث می‌شود که زارع بتواند سایر عملیات کشاورزی را هماهنگ با برنامه آبیاری تنظیم نماید.

بطورکلی مقدار آبی که باید در هر نوبت آبیاری به زمین داده شود بستگی به سه عامل حداکثر تخلیه مجاز رطوبت در خاک(MAD)، عمق توسعه ریشه‌ها(Z) و مقدار کل رطوبت موجود در خاک(TAM) و در نهایت به سیستم آبیاری دارد. لذا ذیلاً به بررسی پارامتر های مذکور پرداخته و برنامه ریزی آبیاری را مورد بررسی قرار می دهیم.

 

 

 مجموع کل آب قابل دسترس در خاک(TAM)

میزان آب موجود مابین دو حد ظرفیت زراعی خاک(Fc) و نقطه پژمردگی دائم خاک(PWP)، مجموع آب قابل دسترس در خاک نامیده می‌شود. ظرفیت زراعی مقدار رطوبتی است که یک خاک اشباع پس از خارج شدن آب ثقلی در خود نگه می‌دارد. این مقدار رطوبت تابعی از بافت و ساختمان خاک است. رطوبت خاک در حالت ظرفیت زراعی، حدوداً معادل _۳/^۱ بار مکش رطوبتی تعیین    می­شود. نقطه پژمردگی دائم، محدوده دیگر طیف رطوبتی خاک می‌باشد و این نقطه حدی است که گیاه عملاً قادر به برداشت هیچگونه آبی از خاک نیست و درصورت افت رطوبت خاک تا این حد و نزدیک شدن به نقطه پژمردگی دائم، رشد فیزیولوژیک گیاه خسارت غیر قابل جبرانی خواهد دید. این نقطه رطوبتی حدوداً معادل۱۵ بار مکش رطوبتی می‌باشد.

مجموع آب قابل دسترس در خاک(TAM) وابسته به نوع خاک بوده و مقدار آن برای خاکهای مختلف، متفاوت است. در این صورت :

TAM= Fc – PWP

 

آب قابل دسترس(AW)

رطوبت موجود مابین دو نقطه ظرفیت زراعی و پژمردگی دائم در منطقه توسعه ریشه هر گیاه آب قابل دسترس نامیده می‌شود که از رابطه زیر قابل محاسبه است:

Z×AW = TAM

که در این رابطه:

AW ، آب قابل دسترس برحسب میلیمتر

TAM ، مجموع آب قابل دسترس در خاک برحسب میلیمتر در متر و

Z ، عمق توسعه ریشه گیاه به متر می­باشد.

 

 

 تخلیه مجاز(MAD)

عموماً هرچه رطوبت خاک کم باشد باید گیاه نیروی بیشتری برای جذب آب از خاک صرف نماید. اگر مقدار این رطوبت بمدت طولانی پائین باشد مقدار محصول کاهش پیدا می‌کند. از این‌رو بنابه تعریف، درصدی از رطوبت قابل استفاده خاک را که می‌تواند توسط گیاه مصرف شود بدون اینکه کاهش محصول پیدا کند، مقدار تخلیه مجاز(کمبود مجاز رطوبت بلحاظ مدیریت آبیاری) می‌گویند.

مقادیر تخلیه مجاز باتوجه به نوع گیاه، عمق ریشه و نوع خاک تحت شرایط خاص توسط محققین، محاسبه و در انتشارات سازمان خواربار جهانی(FAO56) ارائه گردیده است. بطورکلی مقدارMAD در روش قطره­ای برای درختان میوه۴۰ تا۵۰ درصد در نظر گرفته می­شود

  نیاز آبی روزانه گیاه(Td):

مقدار تعرق روزانه در آبیاری قطره­ای که برابر نیاز آبی گیاه فرض می­شود، تابعی از سطح سایه‌انداز گیاه و تبخیر و تعرقی است که به روشهای مرسوم برای سایر روشهای آبیاری محاسبه می‌شود. برای تخمین حداکثر تعرق روزانه که در عملیات طراحی مورداستفاده قرار­می­گیرد مدلهای ساده­ای توسط محققین ارائه شده است که مهمترین آن عبارتست از :

که در آن:

Td : مقدار نیاز آبی یا تعرق در آبیاری قطره­ای که فقط بخشی از زمین آبیاری می­شود، در دوره ای که نیاز آبی به حداکثر خود می­رسد(میلیمتر در روز).

Ud : مقدار روزانه نیاز آبی یا تبخیر و تعرقی که با فرض پوشش کامل گیاهی برای سایر روشهای آبیاری در دوره­ای که نیاز آبی به حداکثر خود می­رسد­، محاسبه می­شود(میلیمتر در روز).

Pd : نسبت سطح سایه­انداز گیاه

 

حداکثر عمق خالص آبیاری(dx)

حداکثر عمق خالص آبیاری در هر نوبت(dx) برابر مقدار آبی است که باید به خاک داده شود تا کمبود رطوبت خاک را تا حدMAD جایگزین نماید. MAD کمبود مجاز رطوبت بلحاظ مدیریت آبیاری که مقدار آن در روش قطره­ای برای سبزیجات و گیاهان با ریشه کم عمق معمولاً۲۵ تا۴۰، برای درختان میوه۴۰ تا۵۰  و برای گیاهان با ریشه عمیق۵۰ درصد درنظر گرفته می­شود. dx برحسب عمق متوسط آبیاری در کل مساحت مزرعه حساب می­شود اما درهرحال می­بایست درصد مساحت خیس شده در محاسبات اعمال شود.

که در آن:

:z عمق توسعه ریشه­ها(متر)، MAD: تخلیه مجاز رطوبتی(درصد)، :Pw درصد مساحت خیس شده(درصد)،  :Wa ظرفیت نگهداری آب در خاک برحسب   و dx : حداکثر عمق خالص آبیاری در هر نوبت، برحسب(mm).

 

تعیین حداکثردور آبیاری(fx)

باتوجه به مقادیر متوسط حداکثر تعرق روزانه گیاه(نیاز آبی روزانه گیاه در روش قطره­ایTd) و مقدار حداکثر عمق آب آبیاری(dx)، حداکثر دور آبیاری از رابطه زیر بدست می­آید:

تعیین دور آبیاری طراحی (fi)

معمولاً دور آبیاری در آبیاری قطره­ای محدود می­باشد و تحت­ تأثیر بافت خاک خیس­ شده و میزان تبخیر و تعرق متفاوت است.

باتوجه به دور انتخابی، عمق آبیاری برابر است با:

       dn = fi × Td

 

بازده کاربرد آبیاری(Eu)

در آبیاری قطره ای با توجه به شرایط و نوع سیستم آبیاری، بازده کاربرد آبیاری معمولاً برابر ۹۰ رصد در نظر گرفته می شود.

 

عمق ناخالص آبیاری(dg)

مقدار آبیاری باید طوری باشد که تلفات غیرقابل اجتناب نفوذ عمقی را نیز شامل گردد. اما آن قسمت از نفوذ عمقی که برای شستشوی خاک انجام می­گیرد جزء تلفات محسوب نمی­شود. برای محاسبه عمق ناخالص آبیاری(dg) در آبیاری قطره­ای باید رابطه که Eu  بازده کاربرد آبیاری وdn نیاز خالص آبیاری می­باشـد، استفاده می­گردد.

 

حجم ناخالص آب مورد نیاز روزانه برای هر گیاه(G)

برای تعیین حجم ناخالص آب موردنیاز روزانه هر گیاه از رابطه زیر استفاده می­شود.

که در آن :

: G حجم ناخالص برای هر درخت(lit)

: fi  دور آبیاری طراحی(day)

Sp× Sr : فاصله بین درختان و ردیفهای کاشت(m)

 

مدت زمان آبیاری(t)

باتوجــه به حجم آبیـاری و تعـداد قطره­چکان بـرای هر درخت و نیز دبی قطره­چـکانها، مدت زمان آبیاری از رابطه زیر محاسبه می­شود.

که در آن :

: n تعداد قطره‌چکانها و : qa دبی متوسط قطره‌چکان(lit/sec)

 

تعداد واحدهای آبیاری(N)

برای فراهم نمودن امکان برخی تغییرات در شبکه اصلی و کنترل مسائل پیش­بینی نشده، بهتر است سیستم بیش از۲۱ ساعت در شبانه­روز کـار نکند. باتـوجه به ساعت آبیـاری در شبـانه­روز(T) تعداد قطـعات یا واحدهای سیستم که در طی یک دور آبیاری بصورت نوبتی آبیاری می‌شود از رابطه زیر بدست می­آید:

که در آن :

:f دور آبیاری(day) ،

:T ساعت کار سیستم در شبانه­روز(hr) و

: tزمان آبیاری(hr) می­باشند.

 

  هیدرومدول آبیاری(Hm)

برای محاسبه هیدرومدول آبیاری قطره­ای از رابطه ذیل استفاده می­شود :

 

که درآن Hm، هیدرومدل آبیاری()  می­باشد.

 

دبی مورد نیاز برای درختان موجود در هر هکتار

هیدرومدول محاسبه شده براساس نیاز آبی متوسط می­باشد ولی باتوجه به اینکه ساعات آبیاری یک واحد معمولاً نسبت به دور آبیاری محدود می­باشد، لذا بایستی در طی زمان آبیاری یک واحد آبیاری دبی بیشتری مورداستفاده قرارگیرد. دبی مصرفی یک واحد آبیاری به دبی موردنیاز قطره‌چکانها و تعداد آنها در واحد سطح بستگی دارد و از رابطه ذیل برای محاسبه دبی طرح واحدهای آبیاری استفاده می­شود.

(sec)3600/)دبی قطره­چکان* تعداد قطره­چکان* تعداد درخت در هکتار = Q

که در آن:

:Q دبی لازم برای درختان موجود در هر هکتار() می­باشد.